物理变化的例子(初中物理物态变化例子)

金星是太阳系中一颗类似地球的行星。与太阳的平均距离约为0.72天文单位(108万公里)，与公转周期的平均距离为224.71天。金星自东向西自转，在八大行星中自转周期最长(243天)。在太阳系的八大行星中，金星被称为地球的“双星”。因为接近地球的大小和密度，推测金星的初始物质组成与地球相似。但基于仅有的检测数据，目前还不能下结论。

与金星的大小相比

现在，金星的表面环境与地球完全不同:大气压是地球表面的92倍；地面温度在465℃左右，在世界范围内都是比较均匀的。汽车也会在金星表面融化，非常不适合生活。金星的大气层很厚，主要由二氧化碳(96.5%)和氮气(3.5%)组成。大约50公里高的云层中有许多腐蚀性酸性气体。

然而，36亿年前，金星曾处于太阳系的宜居带。金星当时是否曾经有海洋并孕育了生命？是什么原因导致金星走上与地球完全不同的进化道路，成为现在的炼狱？金星是地球的过去还是未来？这些问题是金星探测中最关键的科学问题。

金星表面被浓密的大气包裹，从其轨道上很难看到真实的表面。

/探索金星

人类对地外行星的探索始于金星。从1961年苏联发射第一颗金星探测器到2021年底，全球共发射了43颗金星探测器，其中苏联33颗(15颗成功)，美国8颗(6颗成功)，欧盟1颗(成功)，日本1颗(成功)。任务类型主要是金星飞越、轨道和大气层进入探测任务(33次任务)，着陆任务(8次任务)和漂浮任务(2次任务)相对较少。任务集中在六七十年代美苏太平洋空竞争时期。21世纪以来，只有欧洲空局的金星快车(Venus Express)；2006-2014)和日本的黎明(晓；；自2015年以来，它已被成功送入轨道。)两个任务。黎明号是目前轨道上唯一的金星探测器。

探测金星主要有两种方式:地基观测和金星探测器。它是地基观测探测器任务的重要补充，可以观测大气成分、大气动力学和金星地质。金星探测器可分为轨道探测器、空中间位置探测器和地面位置探测器。轨道探测技术已经比较成熟，在现有的金星任务中轨道器是绝对的主体。空中的在位探测由空中的平台(如浮动空气球)和下降的探测器/探头空进行。在金星表面进行原位探测和着陆，可以获得金星表面物质组成、大气与表面的相互作用、地震等信息。然而，金星表面恶劣的环境是探测器生存时间的主要制约因素。根据生存时间，地面在位探测器还分为短寿命工作站(:24小时)、移动金星车(>:24小时)等类型。

黎明金星探测器

金星轨道器的优势在于可以长时间、大范围地观测空之间的金星大气和环境。21世纪以来，得益于欧洲空局“金星快车”和日本“黎明”的成功，人们获得了大量珍贵的金星遥感数据，对金星的大气和气候有了更深入的了解。

金星快车的探索主要集中在云层和中高层大气。它采用了与先锋-金星轨道器不同的轨道设计，能够进入金星感应磁层的不同区域，并获得了许多新的观测和发现。金星快车的一些亮点包括:建立金星全球大气环流模型；金星全球地表温度图，金星大气的热廓线和结构，大气化学成分廓线(CO、SO2、OCS、D/H比等。)绘制，并发现新的大气成分(O3和OH)。发现金星低纬地区的平均风速持续增加。高空大气中有一个低温层；地形和深云等引起的重力波特征。金星快车还发现了一些疑似活火山“热点”。但总体来说，金星快车在地表的探测范围和精度是有限的。

金星快车金星探测器

日本的“黎明”号聚焦金星大气和空之间的环境，对云顶和深层云进行了精细探测。黎明描绘了35-50公里深的云的形状；发现金星大气中存在大规模的弓形特征。赤道上空的中低云中有水平急流风；通过无线电掩星实验获得了40 km以上的大气温度分布。发现在中高层云之间的过渡区附近有小的厚层云。天顶暴的观测和模拟发现了暴对大气超自转的维持机制。

金星大气垂直结构示意图

/在金星的大气层中

虽然金星表面被厚厚的大气层覆盖，但一些特定波长的电磁波仍然可以穿透大气层观测金星表面。

能穿透行星云的电磁波段示意图

迄今为止覆盖面最全、精度最高的金星地形图，源于美国麦哲伦轨道飞行器的雷达探测。

金星的地形特征

金星表面比较平坦，地貌可分为低地、平原、高地三个地质单元。大约80%的金星表面被光滑的火山平原覆盖，其中70%有褶皱的山脊，10%要么是光滑的，要么是断裂的。两个高地占据了金星表面剩余的20%，一个在北半球(Ishtar Terra)，另一个在赤道以南(Aphrodite Terra)。金星最高的山峰麦克斯韦·蒙特斯(Maxwell Montes)(最高峰比金星平均半径高出11公里多)位于伊师塔特拉(Ishtar Terra)。

金星的典型地表特征，包括放射状岩壁、盾状火山、熔岩流、蜘蛛网结构等。

只有大约940个撞击坑留在金星表面。有趣的是，金星陨石坑小于30公里的撞击非常少，几乎没有小于5公里的。同时，金星表面缺乏大型撞击坑。根据现有的陨石坑，可以推断金星在7.5亿年前左右发生过一次全球性的表面重塑事件。整个过程耗时约1亿年。重塑事件抹去了早期的地质记录。尚不清楚这一全球重塑事件是灾难性的还是缓慢平衡的。

金星撞击坑分布图

(背景:粉红色-松散沉积物；棕色-沉积岩或风化岩；绿色火山岩；蓝色-低介电常数材料)

此外，金星表面还有各种各样的结构特征。活跃的火山活动形成了多尺度的构造变形，最终形成了与火山有关的全球构造网络。最特别的是一个叫做特塞拉的地质单位。它们是被平原包围的几十公里的孤立的街区，形状像马赛克地板。平行的山脊、断层和不同方向的地堑在镶嵌地块中相交，并伴有少量的火山活动。马赛克是目前金星表面可能保存的最古老的地体，也可能与水的作用有关。未来，镶嵌图将是金星探测的重要目标。

裂谷类似于地球的大洋中脊；皱纹主要分布在低地；镶嵌块体跨越高变形区，其成分可能类似于地球的大陆地壳。

与遥感探测相比，着陆探测难度更大，数据更少更珍贵。目前，金星着陆生存时间的记录仍然是苏联的“金星”系列探测器，最长记录为127分钟。

苏联“金星”着陆器在金星表面着陆的艺术想象(闪电和硫酸雨)

所有的着陆器都降落在金星的火山平原上。从发回的照片可以看出，金星表面没有液态水和植被，只有零星裸露的岩石。着陆器测量了地球表面的物质成分。这些测量不仅数量有限而且误差较大，甚至缺乏一些关键元素数据(如钠)，但这些测量仍然是金星物质组成的主要依据，尤其是在没有金星陨石或返回样品的情况下。

由苏联金星9号和13号任务拍摄的金星着陆点的表面图像

/那里有“生命”吗？

由于其与地球的潜在相似性，金星表面或大气中是否存在生命物质是国际学术界长期关注的问题。有两个相关的假设。一种假设是金星表面早期气候温和，有液态海洋，直到温室效应逐渐失控，水分全部蒸发到大气中逃逸。没有证据支持这个假设；一些模型表明金星可能从未有过液态海洋。一种假设是现代金星的云层中存在可居住带，那里有适宜的温度和压力条件(~ 60℃，1个大气压)，微米级的气溶胶可以屏蔽宇宙射线或紫外线，保护生命的存在。

金星表面可居住环境假说

(左)温室效应失控前金星可能是宜居星球的假设示意图。

(右)在金色星云的霾层中循环的嗜热-超嗜酸微生物假说示意图。

2020年9月，一个研究小组在《自然-天文学》杂志上发表论文，宣布地基射电望远镜在金星云层的一定高度探测到磷化氢(PH3)，这可能是生命存在的间接证据，引起巨大轰动和争议。重点是观测数据的多重性，即使信号真的来源于磷化氢，也不能排除其他非生命来源。然而，所有这些新的探索和争议表明，金星已经成为国际行星和空之间生命探索和研究的新热点和国际科技竞争的重要领域。

对金星的探索虽然经历了很多年，但仍处于关键数据的积累阶段，有很多观测空需要填补。例如，金星大气99%的质量集中在对流层，尤其是28公里以下，但金星从地表到12公里高度的深层大气目前缺乏直接的探测数据。自麦哲伦任务以来，基于雷达的金星地形探测一直处于停滞状态。现有的金星雷达探测分辨率在100米量级，精度仅相当于20世纪70年代的火星任务。无法实现对金星地形更加精细的识别和分类，尤其是对金星表面地质过程尺度的分析和研究，严重制约了对金星表面关键区域和金星地质演化的认识。金星在大气中的原位探测(尤其是大气元素的同位素测量)，以及精细的遥感探测乃至镶嵌块体的原位探测，都对未来的金星探测任务提出了明确而迫切的要求。

未来金星雷达探测任务中空与麦哲伦可达到的分辨率比较

/走，去金星。

2021年6月，美国宇航局和欧洲空局批准了新的金星任务——真理(VERITAS)任务、达芬奇+任务和EnVison任务。此外，俄罗斯和印度也提出并积极推动各自的金星探测任务。国际上对金星的探索和研究即将迎来新的高潮，地球双星的神秘面纱也将逐渐揭开。

“真理”任务和“达芬奇+”是两个互补性很强的任务，计划在2030年前后发射。“真理”的全称是“金星发射率、射电科学、干涉合成孔径雷达、地形学和光谱学”任务。主要科学目标是生成金星的高分辨率地形图和图像，并制作一系列金星全球地图，包括形变、表面成分、热辐射和重力场图。本文试图探讨金星是否有古老的水环境，以及现今的火山活动是局限于地幔柱区域还是有更广泛的分布。“达芬奇+”任务的全称是“金星深层大气的稀有气体、化学与成像”。通过下降探测器，在63分钟的下降过程中直接测量了金星大气的成分，测量了稀有气体、痕量气体及其同位素组成，以及金星大气的温度、气压和风速。在到达地面之前，探测器还将拍摄金星马赛克块的图像，以探索其起源和结构、火山和风化历史。

“EnVison”计划于2032年发射。这是一项基于轨道的高分辨率雷达测绘和金星大气研究任务。科学目标是寻找活跃的地质过程，测量与活跃的火山作用有关的地表温度变化，描述区域和局部地质特征，确定地壳支撑机制，并限制地幔和地核特征。金星的轨道高分辨率雷达测绘和大气研究任务可以探测厘米级的表面变化，描述火山和构造活动的特征，并估计风化和表面蚀变的速度。地下雷达探测器将绘制区域地下100米深度内的断层、地层和风化情况，并确定结构关系和地质历史。

俄罗斯的“金星D”任务概念处于筹备阶段，这表明了俄罗斯重返金星的决心。“金星D”任务的概念已经修改了几次。目前，基线任务由一个轨道飞行器和一个短寿命(2-3小时)织女星着陆器组成。除了基线任务之外，还有一系列潜在的示范项目，如气球、子卫星、长寿命(24小时)地面站等。还提出在2029-2034年分三次从金星采样返回。

此外，其他星际探测任务也可以在金星的引力辅助阶段对金星进行探测。这些任务包括美国宇航局的帕克太阳探测器，欧洲空太阳轨道器和木星汁液月球探测器。

问答环节/

1.报道中提到，金星着陆器最长生存时间只有两个小时左右。金星表面的温度和压力似乎并不是极值。温度和压力是着陆器生存时间短的主要原因吗？还有其他原因吗？

答:主要是金星表面温度和气压的原因。金星的表面环境有点像高压锅。虽然电子设备和科学仪器首先应该冷却下来，以确保它们不会过热，但在金星环境下这是非常困难的。在探索火星时，一些工作时间较长的仪器通常选择在夜间工作，不需要额外的冷却方法。相比之下，金星持续高温，对电子器件和电路的设计提出了更高的要求。

2.金星和地球差不多大。为什么地球有月亮而金星没有？

答:这是个好问题，但我们还不知道。月球的确切成因尚不清楚，但普遍认为是大碰撞的起源——在原始地球形成的早期，被一个和火星一样大的天体撞击，然后重新演化形成了现在的地球和月球。金星可能没有经历过这样的过程，这也可能对金星的演化有很大的影响。与地球相比，金星可能是一个反面例子，即在没有大型天然卫星的情况下，它是否会走向另一条进化道路。

3.金星表面什么时候变得这么热了？为什么金星一开始没有海洋？

答:这个问题我们也不知道，目前还是猜测。我们推测金星可能与地球刚形成时(前一亿年)非常相似。但不清楚事实是否如此。从金星现在的表面，我们看不到海洋的痕迹。但是也有可能一些早期海洋的痕迹在大约7亿年前被全球岩浆覆盖抹去了。这也是未来金星探测任务想要解决的问题。

4.中国正在准备金星探测计划吗？

答:我们现在正在做一些前期的研究，这是为了帮助未来的勘探计划。如果中国要去探索金星，要探索什么，要做哪些准备。这主要是一个科学假设。但是具体的金星探测任务还没有。

5.有没有什么倾向，比如着陆器或者浮动空平台？

答:以现在的技术，落地和浮空平台的难度会更大。着陆器及其携带的科学仪器能够生存和工作，所以对着陆器和科学有效载荷的设计要求非常高。如果是空中的平台，对于浮体空装置或者飞行器本身也有很多要求。所以，未来十年，中国要探索金星，可能还是会考虑把精力放在包裹体上，但可能会考虑携带一些有特色的探测仪器，去做其他国家没做过或者没做过的探测。

演讲者简介/

中国科学院地球化学研究所月球与行星科学中心副研究员、中国科学院比较行星学卓越创新中心米博士；中国首次火星探测任务先期科研组成员。行星地质环境演化的长期研究。近年来关注金星探测，参与了金星探测科学问题的预研和论证。

【本文由田放夜池系列讲座内容整理而成，主讲人都是空科学领域的杰出女科学家。本次讲座由北京(ISSI-BJ)国际科学研究院主办，欢迎您关注。]

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资料来源:中国国家天文台

编辑:just_iu