金星飓风探秘

□吴再丰 编译

金星飓风探秘

□吴再丰 编译

不像地球的兄弟星

金星在太阳系中是次于水星的第二个靠近太阳的行星，绕着水星与地球之间的轨道运转。太阳与金星的平均距离大约是1.82亿千米，是太阳与地球平均距离1.5亿千米的七成。金星半径约6000千米，比地球半径约6400千米稍小一点，没有卫星。鉴于金星距太阳的距离、大小和平均密度与地球非常接近，它被称为地球的“兄弟星”。

但是，我们知道金星表面的环境与地球绝然不同。例如在地球地上的气压是大约1个大气压，而金星表面约有90个大气压，相当于在地球海中900米深的压力。再者，金星表面的温度约460℃，是能使铅或锌熔化的过酷环境。90个大气压下水的沸点约300℃，所以在金星表面不可能存在液体的水，也不存在像地球那样的海。

金星的大气几乎由二氧化碳（占96%）构成，其他氮占3.5%，剩下的0.5%是水蒸汽、硫酸、氯化氢等。像灼热地狱般的金星表面温度，主要是由二氧化碳的温室效应引起的。地球大气所含的二氧化碳约占整个大气的0.038%，而且是由于人类的活动增加所致。金星或许可以说是最终变暖行星的范例。

再说地球上的大部分二氧化碳溶于海，在海底构成碳酸盐（构成石灰等物质），积存在地球的内部。实际上，如果将这部分二氧化碳从海底挤出来，地球大气中的二氧化碳量将与金星同等程度。或许地球与金星诞生后不久是一模一样，只是命运驱使它们分道扬镳，变成像现在那样互相完全不同的行星。至于促成其分道的原因在哪里，还有待于今后发射的金星探测器才能弄明白。

金星的大气以高度50~70千米的“云层”为界，分为上层和下层。云层中央（高度60千米左右）约0.3个大气压，温度约0℃，接近地球对流层的值。云层主要由浓硫酸的液滴构成，看上去呈黄色。因为这云均匀地覆盖着整个金星，人无法从外部看清它表面的模样。

不可思议的飓风

从金星上的风来看，地表附近下层大气只能刮起秒速几米的弱风。但在云层上部高度70千米附近，却能刮起秒速百米、由东向西的高速飓风。这个风与纬度无关，从南到北都有，与金星的自转方向相同，自东向西刮，4天绕金星一周。这样高速的大气大循环被称为“超回转”，发生的原因或机制尚不清楚。

从气象学的观点来看，这种风极不可思议。在地球上，中高纬度的对流层上部有从西向东刮的喷射气流（称为贸易风），冬季时速度也达到每秒百米。但是喷射气流只存在于相当局限的纬度区域。再者，在其他行星上也有各种各样的风，例如木星的赤道地带刮着每秒100多米的西风，土星也同样刮着赤道射流，其风速高达每秒500米，其大气中翻腾着由稠密的氨晶体组成的云，当狂风刮过时，云层翻转，煞是吓人。另外，海王星也存在超过每秒400米的东风。

但是，除金星以外的这些行星，都具有自转速度非常快的共同特征。例如地球的自转速度（赤道附近，以下相同）是每秒460米，即使秒速百米的喷射气流也只有自转速度的二成左右。木星与土星的自转速度分别为每秒13000米和每秒9800米，与之相比，赤道的喷射气流可以说是很低速的。而金星的自转周期为243天（一个金星日=243天），很长，自转速度只有秒速1.5米，相当于人步行的速度。

金星不知为何其云层上部的大气以自转速度60倍的高速流动，这样的现象在其他高速自转的行星上是完全看不到的。何以大气以固体部分的60倍的速度回转呢？这是十分不可思议的，可以说是推翻了以往的气象学常识。

关于“超回转”生成的机制有若干个假说，其中最有说服力的一个是“子午面循环”（南北垂直截面内的循环）与“水平扰动”组合的模型。所谓“子午面循环”，是指在赤道附近大气受太阳光照射发热产生上升气流，其朝向高纬度的极点，通过在极点被冷却又产生下降流由此引起的循环；所谓“水平扰动”，是指大气的粘性在水平方向引起的扇风作用。

为了在高度70千米附近引起大气的高速回转，表现旋转动量的角动量肯定是由行星本身提供给高空的大气的。另外，想要构成的大气高速回转不因摩擦而减弱，就有必要经常将角动量送到上方。正因为赤道附近的角动量比高纬度的大，角动量经赤道附近的上升气流来到上方，加之大气中存在的扰动，也很好地将角动量扇向水平方向，这样才非常有效地维持了赤道附近的角动量比高纬度大的状态。所以，如果这个子午面循环与水平扰动的作用很好地配合，那么继续将角动量往上送是可能的，并且最终汲取来自行星本身的角动量，积聚在大气上层，致使那里的大气高速回转。

此外，我们知道土星的卫星泰坦（土卫六）的大气（主要是氮）以自转速度的几倍到10倍左右高速回转。泰坦与金星一样，自转周期长达16个地球日。据此专家推测，自转慢的行星或卫星或许普遍的是超回转的机制在起作用。

概说金星探测史

尽管金星是人的肉眼能够看到的最为明亮的天体，但因金星总被浓厚的云层包裹着，很难探测，即使发射空间探测器也极不容易看清它的真实面目。迄今人类已向金星发射了31个空间探测器，其中22个成功，9个失败。加上各种路过金星的探测器，到访金星的探测器总数已超过40个。

这些金星探测器探测了金星大气的温度、密度和成分，考察了金星表面和岩层，拍摄了大量金星图像并发回地球，取得了许多重要的科学数据。但是对金星上极速风暴之谜仍一无所知。为了查明金星全球大气复杂的动力系统是如何工作的，具体地说是什么因素使金星大气以极高速度回转、飓风的成因是什么、什么机制能维持金星极区的双气旋，以及什么机制主宰着金星大气的化学状态、温室效应在金星全球气候的演化进程中扮演着什么角色等问题，欧洲空间局2005年11月成功发射了名为“金星快车”的探测器，并于2006年4月顺利进入环绕金星的极轨道运行，近金点为250千米，远金点为6600千米，绕极轨道一周约24小时，设计寿命为500天，约2个金星日。

通过金星快车的观测，清晰地捕捉到地上隐约可见的大气现象，还有大气随场所与高度不同有瞬息万变的模样。但现在我们对金星大气的了解还不成熟，仍不清楚作为金星最大特征的高速回转的机制。

对此，日本经过多年准备于2010年5月21日发射了首个名为“拂晓”号的金星探测器，其任务与欧洲空间局的“金星快车”类似，主要研究金星上的气候，分析笼罩该星球大气的极速风暴。不过日本“拂晓”号是从物理角度研究金星，而欧洲“金星快车”是从化学角度研究金星。

现在质量为480千克的“拂晓”号正在前往金星的途中，它将在今年12月抵达金星，进入以近金点为200千米，远金点为80000千米围绕金星赤道运行的大椭圆轨道，以使星载仪器发挥最大价值，从多个层次观察大气。探测器绕赤道一周为30小时，设计寿命为2个金星日。

世界首个“行星气象卫星”

考虑到大气回转的能源是来自金星缓慢自转的能量，为此有必要查明自转能量以什么机制传递到大气。显然，仅调查云的上层是不够的。“拂晓”号将实时观测从地表到云层上的大气运动和风速分布。如果知道在各个高度大气运动的瞬息变化，则可知道某个高度的大气怎样受紧挨其上下高度的大气的影响。由此能够推断引起超回转的能量来自哪里以及是怎样传导的。

“拂晓”号进入绕金星的赤道上空运转的椭圆轨道，并且与利用超回转的整个云层一起绕金星运转。这样做可以追踪从超回转偏离的云的活动细节，由此能够调查怎样在大气中传导力的。

这样的工作模式意味着它就像地球的气象卫星那样观测金星。地球的气象卫星与地球自转同步绕地球运转。那样能够实时捕捉同一地区的云的变化。所以，“拂晓”号可谓金星版的“气象卫星”。

“拂晓”号在靠近金星之际拍摄云的特写照片，另外还向地球传送掠过金星大气时捕捉到的电波，调查传递到地球的电波的摸样以及温度分布等。

当处在与超回转同步的轨道上时，则能捕捉金星大气的运动细节。这一设计虽然简单，但至今无一个国家进行。“拂晓”号可称是在地球外的行星以实时捕捉大气变化为目的的世界首颗行星气象卫星。