金星在产生失控的温室效应之前是怎样的情况？ 第1页

答案是不知道。金星可能算是太阳系里面疑问最多的类地行星。只有以后的金星研究和探索才能解答这个问题。我这里只能总结一下现在的研究成果和方法。只是根据已有的观测来推断以前最可能的环境，但数据还不足够来区分哪个才是更真实的。

目前有两个独立的领域正在使用不同方法尝试探索早期金星：地质学和地球化学。地质学是研究反应环境、气候和热演化的岩石，金星则是针对在地形、岩石矿物学和地表年龄上。地球化学是研究反应气候和热演化的挥发份同位素。理论上，两个领域的结论会最终达成一致，重建出真实的早期金星气候。但现在获得的金星数据非常稀少，甚至结论互相冲突。

从金星大气同位素看历史

氢同位素比例（ ），金星大气层里的 是地球海洋和碳粒陨石冰的150倍^[1]。这种程度的同位素分馏意味着金星大气层曾发生过水逃逸。因为 质量是 两倍，在发生水逃逸时， 更容易获得足够能量达到逃逸速度，如此一来金星大气层 便会上升。

但这并不足够说明金星曾有宜居海洋。或许金星曾有海洋质量的水，但不过温度太高这些水从没有冷凝形成海洋，而是长期以超临界或蒸汽态在大气层内被光解逃逸，最终形成了今天的高 ^[2][3]。另一种可能是金星火山周期性喷发会向大气层补充少量 气体，而这些水汽在金星高温大气里被迅速分解逃逸。这种火山补充和逃逸持续时间长了以后， 自然会上升，金星大气层内任何水汽都是暂时性的^[4]。达到了平衡的 火山补充-逃逸，不需要古代地表液态水来解释高 。

金星大气里的非放射性成因、原始惰性气体 和 分别比地球富集30倍和70倍，甚至比球粒陨石都还富集^[5]。早期太阳系里只有两种物质富集原始惰性气体，彗星和气体盘，而彗星在类地行星建造里应该是均质化，所以彗星不能解释金星大气的异常。唯一可能是原始金星生长速度比原始地球更快，因此从周围气体盘吸积了更厚的 原生大气^[6][7]。

是一个强大的行星热演化指标。 是 放射性衰变结果，与上地幔成分高度不相容，岩浆喷发后一定会把含有的 释放到大气里，因此大气 被用来判断行星地幔脱气程度。金星大气 只有地球的20-25%，而金星玄武岩K/U是地球的50%，也就是说金星地幔脱气程度只有地球的一半；但如果假设金星地幔K/U和地球相当，那么金星脱气只有地球25%^[8][9]。这基本符合观测到金星构造是停滞盖，而不是板块构造。如果地幔活动是单调的下降，那么金星的主要岩浆活动期早在 前就已经基本完成了。如果把宜居海洋和板块构造划等号，那么宜居金星必然。

我们急需更多的金星大气同位素数据来帮助限制金星气候演化：Xe同位素会帮助限制金星何时经历了大规模水逃逸，He同位素可以限制过去十亿年内的地幔脱气程度和热演化，更精确的Ar 同位素比例会告诉金星为何富集原生惰性气体与气候演化的联系，K/U 比例也会帮助限制金星热演化，N同位素帮助限制金星挥发份起源和初始水含量。而且金星热演化尤其重要，因为水逃逸后积累的氧原子需要新生地壳和岩浆来吸收，后者又由热演化决定，这反过来可以限制多少氧原子可以被吸收、对应有多大体量的水逃逸以及逃逸时间。

综合看来，我们对金星大气同位素数据收集太少，理解太年轻太简单有时幼稚。

从金星地表岩层看历史

一个判断类地行星岩层绝对年龄的方法是统计撞击坑大小和频率。金星地表的撞击坑非常稀少，早些研究估计平均地表年龄（ ）为^[10]。但以往都假设了恒定的撞击频率，近些年发现类地行星撞击频率自中生代以来突然增加了，因此 估计到只有 或 ^[11][12]，这与地球上通过板块构造不断更新的海洋地壳年龄相当。本文采用

金星如此小的 说明地表在正在或不久前被大面积更新过，但这也代表着大部分早期历史记录不在地表。尽管90年代的金星地形图非常模糊只有100m/像素，但地形上仍能区分出了13个年龄不同的地层单位^[13]。然而绝大多数单元—共覆盖75%金星表面—年龄集中在 ^[14]，意味着那时期金星发生一次非常迅速、持续只有几千万年的全球性构造活动，包括大面积岩浆喷发和构造变形。之后金星地质进入了一段相当安静时期。

金星为何突然发生这种灾难性更新的原因是不明确的，更不知道其后的地幔动力机制。不同假说包括地幔密度翻转，板块构造到停滞盖转换，间断性板块构造等。

不过，金星地表最古老的单位Tessera地势，占金星地表面积8%，是经历过剧烈构造变形后的高地、高原类地势。它们在地形上比周围都高，但在地层上是最低的，非常有可能在灾难性更新之前就已经形成，其表面年龄是 ^[15]。不过就算是 ，这个年龄也不是很古老。不过， 是Tessera地势的最后一次构造更新，Tessera到底是何时形成的仍然是未知数^[13][16]。

不同岩石矿物组合会表现出不同的~1 µm热辐射发射率，也就是判断矿物成分的基础。直接来自地幔融化的镁铁质岩石比如玄武岩的热辐射相对较高，而来自二次熔融的长英质岩石比如花岗岩则表现得更低。金星地表~1 µm热辐射发射率地图，尽管分辨率低得可怜只有100km/像素，覆盖面还不全，不过能勉强看出Tessera单元比周边火山熔岩平原的发射率更低，已知熔岩平原成分是镁铁质，这说明Tessera矿物组合更偏向长英质岩石^{[17][18][19][20][21]}。

这就非常有意思了。因为全太阳系还没有一颗出产大量长英质地壳的行星，除了地球。这是因为大体量长英质岩浆的形成需要水的存在。这里并不是指充满大气层的蒸汽，而是必须要覆盖行星表面大面积的长期稳定液态水海洋^[22]。如果Tessera成分能被证实是偏长英质，这对金星历史有重大意义。很可惜，热辐射发射率和雷达地图的分辨率都太低了，前者甚至覆盖不全，阻止了进一步工作，长英质Tessera目前也仅限于猜测。

Tessera还出露一些平行线性结构，与延展上千公里的垄脊槽谷地形同时起伏，非常类似于地球地表被切割后的峡壁剖面，暴露出的巨厚层状堆积，可能是沉积岩单元或熔岩流叠^[23]。这些地层厚度一两百米，岩性不明。但由于分辨率不够高，推测还存在更细的线性结构，代表只有十米厚度的地层。这些Tessera 谷壁出露的地层是揭露灾难性更新前的重要剖面。一些认为Tessera的密集峡谷类地形可能形成于以前的河流剥蚀^[24]。

限于金星地质图和热辐射发射率地图的粗糙分辨率，我们无法判断Tessera 具体结构、地表特征以及成分。要知道火星地质图的分辨率已经达到了0.3m/像素，而金星却停留在90年代麦哲伦号拍摄的100m/像素。没有像样的金星任务，很难在进一步得出结论。

综合看来，我们对地质记录收集太少，理解太年轻太简单有时幼稚。

未来探索热点

很显然，我们需要从地球化学和地质学两个角度出发研究金星。我们需要对金星大气层来个全面的同位素检测，这仅从轨道飞行器还做不到。我们需要一个直接坠入金星大气层内，穿越每一层然后原地取样大气气体成分的仪器。

另一边，我们需要一个高分辨率制图和热辐射发射率检测任务，最好配合一个可以降落到Tessera着陆器，直接验证成分。

如果NASA 选择一个针对金星的 Flagship 项目，那么地球化学和地质学的研究完全可以合并，由单独一个探测器就可以完成。同理如果ESA 选择一个大型任务针对金星。不过这种任务预算都在几十亿美元，用在金星上不太像他们的作风。

NASA 正在考虑两个 Discovery 项目。DAVINCI+ 任务是准备送一个探测器穿越金星大气层，取样大气同位素。VERITAS 是一个高分辨率金星地形（15-30m/像素）和发射率制图仪（50km/像素）。这两个 Discovery 项目刚好分开专门针对金星地球化学和地质学。但真他妈所谓鱼与熊掌，二者不可得兼。NASA 只可能选中其中一个，甚至一个都选不中。但如果两个都被选上，我真要谢天谢地谢祖宗了。

ESA 另一边在考虑EnVision，性能和 VERITAS 差不多，但多带了一个地下雷达测深仪，看到地下1km 岩层，那可不得了。不过没选上那就是另一回事了。

参考

1. ^ https://www.nature.com/articles/363428a0
2. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012821X0900418X
3. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103599961869
4. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103599961869
5. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703712006680
6. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/001910359190036S
7. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103519301290
8. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103599960827
9. ^ https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2013cctp.book..473O/abstract
10. ^ https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1997veii.conf..969M/abstract
11. ^ https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016LPI
12. ^ https://science.sciencemag.org/content/363/6424/253.abstract
13. ^ ^{a b} https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0032063311002297
14. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103514007155
15. ^ https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019LPI
16. ^ https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article-abstract/38/4/311/130193/Venus-records-a-rich-early-history?redirectedFrom=fulltext
17. ^ https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2008JE003134
18. ^ https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2008GL033609
19. ^ https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2008JE003118
20. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103511004222
21. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103515001438
22. ^ https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/GL010i011p01061
23. ^ https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2020/pdf/2514.pdf
24. ^ https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2020/pdf/1161.pdf