金星上的火山

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

金星上的火山

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

在地球上看向西边的天空，那颗正在静谧夜空中绽放光彩的就是金星。在那遥远的金星表面，究竟是怎样的呢？图片来源：A P O D

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）百人计划学者。

天堂？地狱！

在空间探索时代以前，人们常把金星看作地球的孪生姐妹，因为它的大小、质量、密度以及到太阳的距离都与地球相似。几个世纪以来人们一直以为，在金星厚厚的云层下面是一片热带雨林。现在我们知道，金星表面的条件是很恶劣的：表面温度高达750摄氏度，气压超过地球表面的100倍，大气成分主要是二氧化碳（CO2），还有一层厚厚的二氧化硫（SO2）云。金星表面上有很多火山，它们并不经常喷发，然而一旦喷发，炽热的熔岩将蔓延到绝大部分的金星表面。人们说，金星的表面就像地狱。通过研究地球与金星上火山的异同，天文学家和地质学家已对两颗行星的内部有了深入的了解。人们发现，表面的液态水海洋对行星上的火山活动有着根本性的影响。事实上，在我们的地球，海洋、火山和生物圈之间的关系极为密切。

深入内部

火山源于行星坚硬外壳的破裂。在这些破裂的地方，岩浆从行星内部涌出。通常这些岩浆会很快冷却，形成黑色的岩石——玄武岩。这其实意味着行星的内部非常炽热。比如地球核心的温度，就跟太阳表面一样高。这些热量想要散逸到地球的表面是十分困难的，因为地球的表面由坚硬的岩石构成。岩石的传热性能很差，因此热量的散逸率很低。今天地球散热量的大约20%来自地球形成时留下的热量，也就是说，地球自诞生以来45亿年间一直在逐渐冷却。散热量的剩余80%则来自地表之下数千千米的放射性物质，主要是放射性元素铀（U）、钍（Th）以及放射性的钾（K）。好在，绝大多数的这些放射性元素都深埋在地表之下，不会对人类造成什么威胁。

尽管很难对金星的表面进行探测（所有的金星登陆器都被强大的气压摧毁或在高温下熔化了），仍然有证据显示，金星的地质情况与地球颇有相似之处。比如，通过飞船探测器，我们可以测出金星的大小和质量，于是可以得到它的密度是5.34克/立方厘米，略小于地球。这主要是因为地球自引力的压缩效应比金星稍大的缘故（地球比金星的质量要稍大一些）。迄今的所有探测都表明，金星的化学组成与地球十分相似：大约是氧（O）47%、硅（Si） 28%、铝（Al）8%、铁（Fe）5%、其他元素12%。地球和金星都有固态的金属内核、液态的金属外核、固态岩石构成的幔以及坚硬的岩石质的壳。因为金属较重，所以大部分沉入核心，而外层（幔和壳）则主要由岩石（SiO2）构成。在壳的上面，地球还有一薄层水和一薄层大气，而金星上则没有水，只有一层厚厚的大气。

金星13号登陆后坚持了2小时7分钟，它拍摄了14张照片，向我们展示了金星表面的情况。在这张照片的下方，你还可以看见探测器的一部分。而那个白色的物体是照相机的镜头盖。金星上的这些岩石看起来似乎是玄武岩，很像我们在地球上的火山附近看见的。图片来源：R ussi an Space Agency

由于地幔中强大的压力，地球的外壳——地壳崩裂成为几大板块。这些板块漂浮在地幔上，有时会相互碰撞，这称为“板块构造（运动）”。一般来说，火山活动分布在板块的边缘和裂缝处。而金星的壳并没有断裂成几块，熔岩要溢出地面就不太容易了。金星表面之下的熔岩在几百万年里不断积蓄压力，直到外壳再也无法承受。从金星超级火山中涌出的熔岩能够覆盖到金星表面的大部分地区。图片来源：Sanandreasf aul t.org

板块构造

地球的壳——地壳由坚硬的岩石构成，在地壳之下是由温热的固态岩石构成的厚厚的地幔。尽管是固态，由于地幔受到极大的压力，也会因此而变形：地壳之下的“固态”岩石其实是运动的。这些地下岩石流动的力会传递到地壳，于是地壳便断裂成漂移的几大块。这一现象称为“板块构造”。在现在的世界地图上，读者仍然可以看出，非洲和南美洲的边缘曾经是连在一起的。目前，它们仍然在以每年几厘米的速度相互远离。印度曾经和非洲相连，但后来分裂出来，向北漂移，与中国相撞，形成了喜马拉雅山脉。现在，非洲东部正在分裂开来，在肯尼亚、坦桑尼亚和马拉维形成了一连串长条形的湖泊。非洲几乎与欧洲相撞，形成的是阿尔卑斯山脉。最后，太平洋板块从四面八方都受到大陆板块的挤压，形成了所谓“环太平洋火山带”——由环绕太平洋的大量火山和山脉组成。南美洲的安第斯山脉、洛杉矶的地震以及太平洋边缘形成的岛山，如新西兰、日本和菲律宾等，就都源于这种挤压。

板块构造伴随而来的是火山活动。大部分的火山成因属于下面三种情况：1、一个大陆板块与一个海洋板块相撞时（如南美洲的安第斯山脉）；2、一个海洋板块与另一个海洋板块相撞时（如菲律宾）；3、两个板块相互分离时，板块之间会出现火山，如海底的大西洋中脊和东非大裂谷。火山很少出现在两个大陆板块相撞的地方，因为大陆板块要厚得多，也硬得多。因此，印度与中国相撞造成了大量的地震，但几乎没有形成火山。

另外还有一种火山，它们出现在板块下的岩浆上涌出来的地方（这些地方又称为“热点”）。通常，这些岩浆流并没有强到能使板块分裂的地步，而只是在板块上钻一个洞，那即是我们看到的火山。一个著名的“热点”是夏威夷，它位于太平洋板块的中心。海洋板块比较薄弱，岩浆比较容易从中钻出来，因此夏威夷的岩浆经常溢出火山口，但并不是爆发性的。厚厚的大陆板块下面的“热点”就比较麻烦了。岩浆无法轻易在大陆的岩石上钻出洞来，压力于是逐渐积累，直到最终足以使地面崩裂，大量的岩浆也随之爆发而出。这种事件并不多见，但破坏力极大，称为“超级火山”。一个著名的例子就位于美国的黄石国家公园。

金星上没有海洋，可以说，也并没有水。至于说是否有板块构造，地质学家仍然在争论当中。不过从金星表面的情况看来，即使有，规模也是很小的。由于没有海洋，金星的壳非常厚实，与地球的大陆板块类似。金星上没有那种像地球上一样由板块构造带来的火山活动，但其表面之下却同地球一样存在着“热点”。它们会带来偶尔的超级火山爆发，喷出的岩浆将覆盖金星，使之大部分表面都是熔融的岩石。

探测金星表面

通过对行星表面的岩石进行仔细的化学分析、对星震进行测量以及对火山进行研究，地质学家能够深入地了解一颗行星。但是，这样的办法尽管对地球、月球、火星都适用，对于金星，却是很难操作的。

在这幅金星的图像中，绘制的数据来自“麦哲伦”号探测器的探测结果，并依据金星号行星际探测器拍到的实际颜色来上色。其中，中间亮色的区域是著名的阿佛洛狄忒台地。图片来源：A P O D

原因有两个：一是金星厚厚的云层使我们在大部分波段都无法看到它的表面。金星的大气只允许射电波通过，因此探测器可以用雷达测量它表面的高程。很多探测器，如美国宇航局（NASA）的“麦哲伦”号和欧洲空间局（ESA）的“金星快车”号探测器，就都是为此而设计的。第二个困难在于金星表面恐怖的大气条件。苏联的“金星”系列探测器最早对金星表面进行细致的研究，然而其过程却并非一帆风顺。金星2号在进入金星大气层之前过热烧毁。金星3号在金星表面坠毁，不过它却是第一个到达其他行星表面的探测器，虽然到达时已经成了碎片。金星4、5、6号都对金星的大气层进行了研究，但也都被强大的气压挤扁了。结实得多的金星7号是第一个在其他行星上着陆的探测器，只可惜着陆时发生了侧翻。金星8号终于成功登陆，并且存活了50分钟。对金星表面拍摄的第一批照片来自金星9号和1 0号。苏联在保证探测器存活的问题上逐渐有了经验，随后的“金星”系列飞船传回了金星表面的照片和化学分析的结果。借助这些数据，科学家对金星的地质情况进行了研究。我们今天对行星的基本认识正是来自这些研究。

根据“麦哲伦”号探测器探测得到的雷达数据，利用电脑重建出的金星表面地貌。图片来源：A P O D

金星表面的撞击坑

金星的表面与地球和月球有很多相似之处，但也有一些巨大的差异。金星全球散布着将近900个撞击坑。这比地球上的数量要多，但仍然远远小于月球或火星上的数量。而且，金星上所有的陨石坑直径都超过2千米，表明只有较大的陨石才能够最终落到它的表面。小一些的陨石会在它致密的大气层中燃烧殆尽。较大的撞击坑中常常填满了凝固的熔岩（火成岩），这是撞击产生的高热带来的结果。在炽热的金星表面，撞击产生的热量很容易把地表的岩石熔化。

地球上陨石坑的数量极少，这说明地球的表面是十分年轻的。大部分古老的撞击坑都随着板块运动而消失，或者被风和水侵蚀了。月球的表面布满陨石坑，说明它很古老。金星介于两者之间，我们可以用撞击坑来估计金星表面的年龄。在金星上，撞击坑不会被水侵蚀（因为金星上没有水），大概也不会被风侵蚀，板块运动估计也不会。而火山活动则扮演了极其重要的角色。通过分析陨石坑的分布，科学家估计，与3~5亿年前相比，大约有80%的撞击坑由于几次大的火山事件而被抹去了。而另一些地区，如高地（山脉）则比较古老，或许能为我们提供超级火山爆发之前几百万年的金星地表情况信息。

金星上的火山地貌

整个金星地貌就是由火山和凝固的熔岩流所塑造出来的。有些火山看上去就像地球上的山。比如高达8千米的、金星上最大的山——马特山脉（Maat Mons）即是一例。不过，它们仍有很大的不同。由于金星表面温度比地球要高得多，流动的熔岩要想冷却凝固，就比在地球上要慢得多。这造就了金星表面绵延更长的熔岩流。同时，它们的体量也比地球上大得多。这是由于金星上没有海洋，又厚又硬的大陆板块像屏障一般阻挡了熔岩从地下涌出。压力在几百万年里不断积累，当熔岩终于冲破金星外壳时，喷出的岩浆量就会十分巨大，能够覆盖金星表面的大部分地区。

另外，金星上还有我们在地球上没有见过的火山形态。最著名的是饼形穹状火山（pancake domes）。它们是直径1~1 00千米的火山结构，看上去就像一块薄饼。这种火山稍微有点类似于美国加利福尼亚州的帕氏坑（Panum crater，也是一个穹状火山，即火山锥呈现宽阔的穹顶模样）。这一现象暗示，饼状结构之所以成为如此模样，或许因为它们是由成分稍微不同的熔岩凝成的。

金星上的四座“饼状火山”。这些奇怪的结构大概是因为熔岩从地下溢出地表，并且向各方向均匀蔓延产生的。它们为何与地球上的火山看起来如此不同，现在尚不清楚，不过或许可以在熔岩化学方面做些研究。图片来源：N ASA

金星上另外一种独特的地貌是蛛状结构。它们并不是爆发的火山，而是缓慢流出岩浆的山体——熔岩从火山口边缘缓缓流出。在地球上，这样的熔岩流很快就会凝固，而在金星上，由于环境温度很高，熔岩流能够蔓延到更远的距离，形成金星上随处可见的“蜘蛛”似的结构。

上述这些证据都不能直接证明金星现在存在火山活动，因为我们并没有看到任何流动的熔岩。不过，却有很多间接的证据强有力地证明了这一点。这些证据可以分为两类。首先，欧洲空间局的“金星快车”号探测器在金星上发现了“热点”。尽管这一测量的精度尚不足以确定那里到底发生了什么，但测量结果至少清楚地表显示，在马特（火）山附近的一个地方，一连几天中出现了极为炽热的东西。另外，在过去的几年里，金星大气中二氧化硫的含量骤增。人们猜测，正是火山喷发向大气中释放了这些毒气。虽然都是些间接的证据，它们却有力地证明，金星现在仍然很活跃。

金星上一个典型的蛛状结构。蛛状结构可能是非常薄而光滑的熔岩流长期流过地面的产物。这类火山在地球上也是没有的，因为地球表面的温度要低得多，熔岩很快就冷却凝固了。图片来源：N ASA

为什么金星与地球如此不同？

在很多方面，金星和地球都称得上孪生姐妹。它们的质量和大小相似，化学组成也类似，到太阳的距离也差不多。不过，正是这最后一个“差不多”使金星和地球的现状迥然不同。金星比地球要更接近太阳一点。因此受到的太阳辐射就要更多，表面温度也要更高一些。而这却带来了失控的温室效应，使金星表面的温度不断上升，直到金星上所有的液态水都被蒸发。高温与磁场的缺乏（这使得蒸发到大气高层的水分子会直接受到太阳辐射出的带电粒子的“攻击”）共同作用使得金星上的水无法留存。水分子（H2O）被太阳风打散成为氢（H）和氧（O），氢向太空中逃逸，而氧则与大气和地面上的物质继续发生化学反应。由于没有液态水的海洋，板块运动实际上也停止了（地壳中的水分子是有助于板块运动的），金星的整个表面成为一大块大陆性的壳。因此，像地球上那样在板块边缘出现的小规模的火山活动就不复存在了。剩下的只有一块坚硬的外壳，偶尔会突然崩开，并从中涌出淹没金星大部分表面的大量熔岩。

金星大气中含有大量的二氧化硫。这种有毒的气体或许全部是由火山活动进入大气的。尽管我们无法直接观测到火山爆发，但通过观测研究金星大气的化学组成，还是相对容易的。大气中二氧化硫含量的突然增加强烈地暗示了火山的喷发活动。图片来源：European Space Agency

在几十亿年之后，同样的事情也会在我们的地球上出现。我们的太阳正在极为缓慢地变亮。1 0亿年之后，太阳表面的温度将比现在增高10%，而这足以引发地球上失控的温室效应，并把全部的液态水煮沸。那时，生命将不能在地球上生存，板块构造也将终结。利用这些飞船和已经着陆的探测器收集到的金星信息，我们将不仅能够研究金星的历史，也能够预知地球遥远的未来。从某种意义上说，金星的命运，也就是地球的命运。