金星如何成地獄？模擬揭示四種可能演化路徑

金星的全球表面視圖。圖片來源：美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室

金星正日益成為我們研究系外行星的切入點(diǎn)，因?yàn)橄裾材匪鬼f布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）和計(jì)劃中的宜居世界天文臺(tái)（HWO）這樣的任務(wù)開始對(duì)其他恒星周圍的巖質(zhì)系外行星進(jìn)行特征描述。了解金星和地球演化的差異——兩者最終結(jié)果截然不同——是理解我們觀測(cè)到的究竟是類地行星還是像金星那樣的地獄般景觀的關(guān)鍵。華盛頓大學(xué)的RodolfoGarcia及其同事撰寫的一篇論文（已在arXiv上以預(yù)印本形式發(fā)布）模擬了金星作為太陽系一部分的45億年演化過程，試圖理解其中的一些差異。

為了進(jìn)行這項(xiàng)模擬，他們使用了一款名為VPLanet的開源軟件，該軟件允許他們改變行星形成的大量初始條件以及這個(gè)不斷變化的世界的物理參數(shù)。Garcia先生和他的合著者們?cè)谔摂M行星實(shí)驗(yàn)室（VPL）工作期間，通常會(huì)使用這款軟件研究行星演化，因此他們熟悉這些模型的運(yùn)作方式，包括針對(duì)系外行星的模型。

在這個(gè)特定案例中，他們運(yùn)行了234000次時(shí)長(zhǎng)為45億年的模擬，這些模擬基于一個(gè)主要假設(shè)——金星一直處于停滯蓋層構(gòu)造體制，這意味著其地殼從未像地球那樣分裂成移動(dòng)的板塊。該模型本身結(jié)合了行星的內(nèi)部、巖石圈（即地殼）和大氣，作者選擇了三個(gè)約束條件來模擬現(xiàn)代金星的環(huán)境。

弗雷澤制作了一整段關(guān)于金星板塊構(gòu)造及其重要作用的圖片。

首先，大氣二氧化碳的分壓必須約為92巴；其次，大氣水的分壓必須約為3毫巴；第三，行星的磁矩必須小于地球磁矩的十萬分之一——這是完全沒有活躍核心發(fā)電機(jī)的一個(gè)替代指標(biāo)。在他們運(yùn)行的23400次模擬中，只有808次（即0。35％）成功復(fù)現(xiàn)了這些結(jié)果。

那些成功的模擬可以被分解為四種不同的演化路徑。到目前為止，最常見的是常規(guī)情景。在這種情況下，地幔和地核會(huì)隨著時(shí)間的推移平穩(wěn)冷卻，這也是先前模型通常預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生的情況。大約72％的成功模擬運(yùn)行屬于這一類別。

另一種成功的路徑（約占有效模型的18％）顯示金星正在經(jīng)歷磁層消亡。在這些場(chǎng)景中，該行星地幔失去大量水分，導(dǎo)致脫水硬化現(xiàn)象。這進(jìn)而降低了地幔的粘度，使構(gòu)造板塊的停滯蓋層增厚。這阻礙了行星的內(nèi)部熱流，使得核心中的熔融巖石量降至1％以下。

弗雷澤探討了為什么金星是一個(gè)如此值得探索的有趣行星。

10％的情景中，內(nèi)核從未完全發(fā)育成熟。在這些模型里，驅(qū)動(dòng)行星活躍發(fā)電機(jī)的固態(tài)內(nèi)核從未超過核心總尺寸的80％——有些情況下甚至根本沒有形成固態(tài)內(nèi)核。最后一種情景包含一種罕見情況：行星在最初的5億年里經(jīng)歷了劇烈的、振蕩式的內(nèi)部溫度和屬性波動(dòng)，之后才穩(wěn)定到當(dāng)前狀態(tài)。

根據(jù)該論文，行星的一些參數(shù)對(duì)于模擬是否能成功再現(xiàn)金星當(dāng)前的環(huán)境起著關(guān)鍵作用。其中最關(guān)鍵的參數(shù)包括其初始地幔水含量、地幔粘度、脫水硬化強(qiáng)度、火山噴發(fā)效率以及地核的熔點(diǎn)。

那些場(chǎng)景和參數(shù)聽起來可能都像是通往地獄的不同路徑，但這項(xiàng)研究最有趣的部分或許是它的預(yù)測(cè)。根據(jù)該論文，在所有成功的模型中，金星都在其內(nèi)部深處保留了大量的水——至少相當(dāng)于地球上一整個(gè)海洋的水量。他們預(yù)測(cè)金星仍然具有地質(zhì)活動(dòng)性，只是活躍程度比其他一些模型預(yù)測(cè)的要低。

弗雷澤討論了金星探索的未來。

一個(gè)可能很快被證實(shí)的預(yù)測(cè)是，金星在其早期生命中曾有過磁場(chǎng)。在88％的成功模擬中，情況確實(shí)如此，而且該磁場(chǎng)的殘余可能被鎖定在金星表面的巖石中。一個(gè)被派去掃描表面的探測(cè)器或許能夠捕捉到該信號(hào)，并確定金星是否曾經(jīng)有過活躍的地核。

幸運(yùn)的是，有三項(xiàng)任務(wù)正準(zhǔn)備探索我們的姊妹行星。未來幾年內(nèi)，金星將迎來三項(xiàng)任務(wù)的訪問——DAVINCI和VERITAS均由美國國家航空航天局（NASA）牽頭，EnVision則由歐洲空間局（ESA）管理。這些任務(wù)計(jì)劃穿透濃密云層，繪制行星表面地圖，并對(duì)大氣進(jìn)行采樣以測(cè)量同位素比值。如果按計(jì)劃推進(jìn)，它們將能夠開始驗(yàn)證本文中的一些預(yù)測(cè)，從而讓我們更好地了解地球最近的鄰居金星的歷史與地球有何巨大差異。

R加西亞等人——利用耦合的內(nèi)部巖石圈大氣模型研究金星的熱歷史、地殼演化與地核動(dòng)力學(xué)

UT——金星的多變演化

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相關(guān)知識(shí)

金星是太陽系八大行星中離太陽第二近的類地行星，清晨出現(xiàn)在東方時(shí)稱啟明星，傍晚在西方時(shí)叫長(zhǎng)庚星。它表面覆蓋濃厚的二氧化碳大氣，溫室效應(yīng)極強(qiáng)，表面溫度超460℃；自轉(zhuǎn)方向獨(dú)特，自東向西，且沒有天然衛(wèi)星，是太陽系中環(huán)境較為惡劣的行星之一。

BY: Andy Tomaswick

FY: AI

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.原文來自： https://www.universetoday.com/articles/how-did-venus-become-a-hellscape-234000-simulations-reveal-four-possible-paths

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