對(duì)金星的云層研究傳來重大進(jìn)展！

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原文鏈接：Venus' Clouds Are 60% Water, According To Reanalyzed Pioneer Data - Universe Today

編譯：王啟儒

校對(duì)：牧夫天文校對(duì)組

后期：王啟儒

責(zé)任編輯：王啟儒

金星探測(cè)器穿越大氣藝術(shù)概念圖。

Credit: Universe Today

最近，用現(xiàn)代科學(xué)理解重新分析舊數(shù)據(jù)似乎成了一種趨勢(shì)。其中，天體生物學(xué)界近來最熱議的課題之一，便是金星上是否可能存在生命——特別是在它的大氣云層中(金星云層的壓力與溫度條件在整個(gè)太陽系中與地球最為相似)。一項(xiàng)由美國科研團(tuán)隊(duì)發(fā)布的新論文再次點(diǎn)燃了這場(chǎng)爭論，他們重新分析了NASA在上世紀(jì)70年代發(fā)射的先鋒號(hào)金星探測(cè)任務(wù)（Pioneer Venus）的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：金星的云層主要由水組成。

當(dāng)然，這并不意味著金星的云層是像地球一樣由水蒸氣凝結(jié)成的水滴。研究顯示，金星云層中的水（氧化二氫）大多以水合物（hydrated materials）的形式存在，而非獨(dú)立的水滴。不過，這一發(fā)現(xiàn)與此前“金星云層主要由硫酸構(gòu)成”的主流認(rèn)知相比，是一次巨大轉(zhuǎn)變。論文指出，硫酸仍然存在，占云層物質(zhì)的約22%，但問題在于：上世紀(jì)70年代的科學(xué)家怎么會(huì)在儀器數(shù)據(jù)解讀上出現(xiàn)如此大的偏差？

先驅(qū)者金星軌道器于1979年拍攝金星大氣樣貌圖片。

Credit: NASA

為了解答這一問題，不同機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，包括加州州立理工大學(xué)波莫納分校（Cal Poly Pomona）、威斯康星大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)以及NASA，展開了一場(chǎng)“科學(xué)偵探行動(dòng)”，重新尋找并整理當(dāng)年的先鋒號(hào)數(shù)據(jù)。這些原始資料被保存在NASA“空間科學(xué)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)檔案中心（Space Science Data Coordinated Archive）”的微縮膠片中。重新分析的第一步，就是從檔案中找出這些膠片并將其數(shù)字化。

這一想法起源于波莫納加州理工大學(xué)的拉凱什·莫古爾（Rakesh Mogul）與威斯康星大學(xué)的金星專家桑杰·利邁（Sanjay Limaye）的一次討論。他們談到金星云層的化學(xué)組成時(shí)，萌生了重新分析先鋒號(hào)所采集的質(zhì)譜儀（mass spectrometry）數(shù)據(jù)的念頭，認(rèn)為其中或許藏有新的線索。

金星大氣中溫度、壓力、風(fēng)速與海拔之間的關(guān)系圖（縱坐標(biāo)左側(cè)為海拔、右側(cè)為壓力，橫坐標(biāo)頂部為風(fēng)速、下部為溫度）。

Credit：Wikipedia

事實(shí)證明，他們的直覺是正確的。來自先鋒號(hào)大型探測(cè)艙（Pioneer Venus Large Probe）上兩臺(tái)儀器中性質(zhì)譜儀（LNMS）和氣相色譜儀（LGC）在穿過金星厚厚的大氣層時(shí)回傳的數(shù)據(jù)，記錄了對(duì)金星大氣成分的分析。莫古爾和利邁發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探測(cè)艙進(jìn)入更深的云層時(shí)，這些原本用來吸入氣體的入口被氣溶膠顆粒堵塞了。其證據(jù)之一，是探測(cè)艙穿越云層時(shí)，二氧化碳濃度出現(xiàn)了明顯且短暫的下降。

研究人員沒有簡單地將此視為“儀器故障”，而是將其看作分析云中氣溶膠類型的線索。他們通過分析這些物質(zhì)在不同溫度下的“燒蝕（burn-off）溫度”來判斷成分。隨著探測(cè)艙下落，大氣溫度升高，氣溶膠在高溫下被加熱、融化、釋放氣體，從而恢復(fù)氣體通道（這也解釋了CO?讀數(shù)隨后又回升）。

研究人員首先注意到，在185°C和414°C時(shí)，出現(xiàn)了明顯的水蒸氣峰值，這表明其中含有水合三價(jià)鐵硫酸鹽（hydrated ferric sulfate）和水合硫酸鎂（hydrated magnesium sulfate）。分析顯示，水成分約占?xì)馊苣z的62%，但幾乎都被束縛在這些水合物中。

與上世紀(jì)的研究如出一轍的是，硫酸也出現(xiàn)在氣溶膠中。在215°C時(shí)檢測(cè)到大量SO?釋放，這正是硫酸分解的溫度。而在397°C時(shí)又出現(xiàn)了另一波SO?釋放，說明還有一種更耐高溫的硫酸鹽化合物存在。

金星電離層對(duì)抗太陽風(fēng)示意圖。

Credit：NASA

此時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：在397°C附近，質(zhì)譜儀還檢測(cè)到了鐵離子峰值。SO?與鐵同時(shí)釋放，暗示該氣溶膠成分可能是三價(jià)鐵硫酸鹽（ferric sulfate），它在此溫度下會(huì)分解為氧化鐵和硫氧化物。據(jù)估計(jì)，這種化合物在云中占比可能高達(dá)16%，幾乎與硫酸的22%相當(dāng)。

那么這些鐵從何而來？文章作者推測(cè)，鐵源自金星大氣以外的宇宙塵埃，這些塵埃與酸性云層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成鐵鹽。更重要的是，這項(xiàng)研究解釋了一個(gè)長期困惑科學(xué)界的問題：為什么實(shí)地探測(cè)器測(cè)得的水含量與遠(yuǎn)程光譜觀測(cè)結(jié)果差異巨大？答案是：遠(yuǎn)程光譜儀無法探測(cè)到“被束縛在水合物中的水”，只能檢測(cè)到游離水蒸氣；而下落探測(cè)艙能測(cè)到兩者，因此數(shù)據(jù)更接近金星云層的真實(shí)含水量。

帕克太陽探測(cè)器（PSP），NASA于2018年發(fā)射的無人航天器，其任務(wù)是反復(fù)的探測(cè)和觀察太陽的外日冕，為了獲得最佳的軌道高度，PSP 7次飛掠過金星，借助引力彈弓降低原軌道近日點(diǎn)，并在此期間回傳了多組金星大氣的探測(cè)數(shù)據(jù)。

Credit：NASA

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)金星潛在生命的研究具有深遠(yuǎn)意義。過去反對(duì)“金星云層存在生命”的主要論據(jù)之一是“缺乏水”，但如今看來，水其實(shí)比想象中豐富得多——盡管這種環(huán)境仍酸性極強(qiáng)，對(duì)地球微生物而言并不友好。

這項(xiàng)研究再次證明：舊數(shù)據(jù)依然能在現(xiàn)代科學(xué)討論中發(fā)揮關(guān)鍵作用。關(guān)鍵只是要能把它從NASA浩如煙海的檔案中找出來——這本身，也是一種科學(xué)探索的成就。

——The End——

『天文濕刻』 牧夫出品

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牧夫

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