为什么研究金星的大气层,包括困惑人类近60年的超级旋转现象?

根据人类目前对太阳系的了解,在围绕太阳运行的八大行星中,金星的无形运转轨道图形与正圆最为接近,因为它拥有0.006811的最小偏心率。由于金星的亮度可以达到-3.3至-4.4等,所以,它看上去会比天狼星的亮度还要强14倍左右。

而生活在地球上的人们,也只有在傍晚或清晨来临的时候,才有可能在天空的西侧或东侧觅得金星的身影,它正是古人口中的太白、或太白金星。一直以来,金星总是被人们称为地球的姊妹星球,尽管金星和太阳之间只有0.725个天文单位的距离。

为什么金星大气层的旋转速度,比行星的自转速度快60倍?-MAAMX

而金星也跟我们的地球一样同为类地行星,且质量大小更是特别相近,虽然这颗星球上的天空看上去会是橙黄色的,但同样也存在地球上常见的雷电现象。尽管金星上环境已演化到非常恶劣的程度,但在金星50到65千米高度的大气层区域,却具有和地球相似的温度和气压,这也是为什么科学家们从未停止对金星大气层进行研究的原因之一。

然而,即便早在20世纪60年代的时候,当时的科学家们就发现了金星大气层存在“超级旋转”现象。但是,这样的现象是怎么形成、并持续至今,却成为了一个困扰人类长达60年时间的难解谜团。那么,为什么金星大气层的旋转速度,会比行星本身的自转速度还要快60倍左右?

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金星的超级旋转-大气层的旋转速度比行星的自转速度快60倍

金星大气层的超级旋转现象是指什么?

太阳系中的所有行星都有自己的运转周期,正如地球不停地公转和自转,让我们感受到了一年四季中的不同色彩,以及白昼与黑夜之间的交替轮回。与太阳系中的其他行星相比,金星在旋转特征上似乎表现出的更加与众不同。如果只是一组数字可能难以让大家有一个直观的感觉,那么,我们可以将金星和地球在相同维度上进行对比。

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金星固体表面的旋转周期虽然长达243天,但其大气层的旋转速度却快到只需要4天时间。而地球大气层的旋转速度,实际上只有星球本身运转速度的10%到20%左右。即:金星大气层存在的超快旋转速度,达到了行星固体表面的60倍左右,这便是所谓的超级旋转。

事实上,不管是黑夜还是白昼,金星大气层的超级旋转现象都不曾间断,它只是会在夜晚来临之后表现得更加难以让人预测罢了。或许很多人都有所不知,最早观测到金星大气层的人是一位来自俄罗斯的科学家,恰逢1761年金星凌日的时候。缺乏磁场的金星,不像我们的地球能够替所有生命拦截大部分来自太阳的有害辐射,金星的电离层只能实现太阳风、太空和大气层三者之间的分离。

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超级旋转现象的形成和维持机制是什么?

对金星探索有兴趣的朋友们,应该不会对日本的宇宙飞船金星气候轨道器(Akatsuki)感到陌生,而科学家们得以揭开金星大气层的超级旋转现象,主要是通过星球上湍流和波浪来维持的研究结果,便是建立在这个宇宙飞船的实际观测数据之上。

在日本的赤月宇宙飞船上,搭载的红外成像相机有3台,而可见光相机和紫外线成像相机则分别一台。科学家们之所以可以跟踪到金星云层信息,便是利用了该航天器上的红外和紫外图像研究出了一种更精确的方法,终于,研究人员通过对金星云的追踪,实现了对金星大气层风速的准确测量。

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简单来说,不管是从赤月航天器获取到的风速信息,还是金星上大气波、湍流对超级旋转的辅助作用,乃至其他维持超级旋转现象的机制,其实都离不开该航天器的贡献:

第一:金星大气层的超级旋转现象与该星球上的大气潮汐有关。虽然金星上的一天也有昼夜之分,但不管是夜晚之后的冷却反应,还是白天被太阳加热的过程,都会导致星球赤道附近形成大气潮汐。而且,这两个不同时间形成的波浪是一样的。

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第二:位于两极附近的大气湍流,会比大气潮汐带给金星大气层超级旋转的影响更明显。因为,从航天器赤月捕获的信息来看,如果并不是在跨纬度大气环流的前提下,行星大气层中温度的变化,的确难以通过大气波的作用来进行解释。简而言之,金星大气层还存在另一种循环模式,该机制足以对金星上风的分布进行控制。不管是维持、还是进一步加强超级旋转,就是这样的机制在改变大气层风力分布的同时,将超级旋转峰削弱。

第三,从研究人员的建模和分析结果来看,在金星低纬度地区,风的移动速度应该还与始于日差温加热现象的热潮存在联系。而且,潮汐对超级旋转的作用力大小,还在低纬度和高纬度位置表现出明显的差异性。在金星的高纬度位置,潮汐可以呈现出明显的加速作用,但在金星的低纬度位置,潮汐却很难让这样的作用得到缓解。

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金星的大气环境,为什么会比地球大气层厚重得多?

众所周知,在地球大气层的物质构成中,大约有78%的部分都是氮气,但是,金星上含量占比明显低于二氧化碳的氮气总体量,依然相当于地球大气层中氮气总含量的四倍左右。为什么说宇宙中的每一颗行星都不可复制?正如大家现在看到的这样,仅仅是大气环境这个层面,同为类地行星的金星便与地球存在很大的不同,这大概也是为什么科学家们这么久都没有找到另一个地球的重要原因吧。

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倘若要用最简单直接的一句话来描述金星的大气环境,那么,厚重而浓密便是其主要特征,而这一切都跟它大气层中的物质主要是二氧化碳、氮气,以及其他微量气体组成密切相关。

与此同时,金星上的大气压强也和地球的强度不在一个层次,地球的大气压强相当于金星的1/92,这个压强跟地球海底1000米左右位置的压力差不多。而金星大气层的物质构成特点,同时也导致了这颗星球表面的温度极高,最高温度可达500℃,便是行星已经出现温室效应失控的最好印证。

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具体而言,当太阳光照射在金星厚重浓密的大气层,位于其中的云层会直接将阳光反射出星球,这便是为什么大部分从太阳散发出的光芒都难以抵达金星的表面。而金星大约可以达到60%的热辐射反射率,便足以体现太阳光的反射率会比这个数值本身更大。从目前的研究数据来看,金星上厚度极大的云层,能够将太阳辐射的75%左右全部反射回太空中。

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简而言之,行星本身和太阳之间的距离,并非金星表面长期持续高温环境的主要因素,而是因为星球上一直都在发生的强烈温室效应,所以才所产生了这样极端的保温效应。

或许,在此之前,很多都觉得金星表面之所以会具有极高的温度,主要是因为它和太阳之间的距离太近,但并不是这么回事。事实上,如果不是因为金星大气层的特殊性造就了强烈的温室效应,那么,金星和地球在表面温度这个维度并不会有太大的差距。

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行星科学-揭开金星超级旋转之谜为我们带来了什么?

终于,在数十年之后,金星大气层长期存在的超级旋转现象的形成原因,以及维持机制都得到解答。与此同时,我们也从这项研究中了解到,为什么金星会拥有如此特别的大气氛围,以及在金星周围传递的热量是通过怎样的方式进行传输:

对于金星大气层的超级旋转而言,其实就是将白天的热量转移到了夜晚,而金星两极位置的热量来源,则始于行星沿着子午线的特殊热量循环过程。

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地外生命一直是很多人关注的热门话题,而所有能够承载生命繁衍生息的基本条件,都建立在一个位于可居住范围之内的行星之上。虽然,目前的金星并不具备让已知地球生命存活下去的友好环境,但站在行星科学的角度来说:

对于金星进行的所有研究,包括大气层的超级旋转现象,不仅是加深人类对金星这颗行星本身的认识,更能帮助科学家们了解已经确认的其他系外行星。因为,只要是是具有潮汐锁定的系外星系,它们一个侧面便会一直都朝着自己的母恒星,而这些行星的大气系统也会跟金星上的大气系统存在相似之处。

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总而言之,行星科学的意义往往都不会被局限于被研究的星球本身。宇宙的年龄大约有138.2亿年,太阳目前的年龄大约在46亿岁,而我们的地球也跟宇宙中的其他存在体一样,同样会因为星球自身的生命周期而经历繁荣和死亡。

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但是,人类在地球上可以追溯到的进化时间大概只有短短的几百万年,而一个人的一生往往也不过短短数十年,所以,我们无法通过这短暂的一生、乃至短暂的人类进化史,来研究行星或其他宇宙物体的完整演化历程。

所以,我们的科学家们只有对宇宙中不同类型的行星,处于不同演化阶段的行星同时进行探测和研究,才有可能将行星科学这个领域的信息更准确而全面的记录下来。在人类去往另一个星球生活之前,地球依然是唯一能够让我们赖以生存的栖身之所。而行星科学,同时也能帮助我们了解地球的过去,以及预计地球可能将要面对的未来会是什么样子。

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