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第5章 水星、金星与地球(1)

水星的世界

水星由于其表面温度太高,它不可能像它的两个近邻金星和地球那样保留一层浓密大气,因此无论是白天还是夜晚,水星的天空都是漆黑的。在水星漆黑的天空中可以看到明亮的金星和地球。水星极其稀薄的大气主要是由从太阳风中俘获的气体组成的,其密度只有地球大气的12%。主要成份为氦(42%)、汽化钠(42%)和氧(15%)等。水星表面的岩石吸收了大量的阳光,反射率只有8%,所以水星是太阳系中最暗的行星之一。

边缘由多层小圈组成的陨坑,直径约九十八公里,是多种类型的水星陨坑中的一种。仔细观察可以发现前景中的另一个小型陨坑也属此类两个分别宽约四十公里的非常显眼的放射状陨坑。从左上至中下的条形白色构造与此无关。

水星南极地区的某一部分,和水星其他大部分地区一样布满了大量陨坑。

位于水星北半球的一个地区。前方是陨坑群,后方是大片的光滑平原。

一处陨坑非常密集的地表。此处有大量的直径从一公里至三十八公里的各种大小的陨石坑。

这是一个环形平原。其形成早期曾经充满熔岩,随后即受到大量的陨石轰击。

由于水星只在黎明或白天出现,因此在地球上观测水星较为困难。这一状况直至20世纪70年代中期美国发射了“水手”号探测器才有所改变。“水手10号”发回的图片显示水星的表面与月球极其相似,上面布满了深浅不一的陨石坑。这表明水星也遭受过陨石接连不断的轰击。但水星表面也有广阔的平原,这表明水星在形成初期可能是液态的,后来逐渐冷却凝固成了一个岩石星球。曾经有一些大型的陨石险些把水星打碎,使从裂开的地壳涌出的熔岩流在水星表面到处流淌。水星表面还纵横交错地分布着一些非常长的悬崖峭壁,最高的可达三千多米。水星有一个主要由铁和镍构成的核,水星幔和壳的主要成份则是硅酸盐。它是太阳系含铁量最高的行星。

水星的密度较大,在九大行星中仅次于地球。它可能有一个含铁丰富的致密内核。水星地貌酷似月球,大小不一的环形山星罗棋布,还有辐射纹、平原、裂谷、盆地等地形。水星大气非常稀薄,昼夜温差很大,阳光直射处温度高达427℃,夜晚降低到-173℃。

水星上没有液态的水,但1991年在其北极地区观测到一个亮斑。据推测,这个亮斑可能是由于贮存在水星表面或地下的冰反射了阳光造成的。尽管水星表面温度极高,但在其北极的一些陨坑内终年不见阳光,温度常年低于-161摄氏度。这足以使来自水星内部或宇宙空间的水份以冰的形态保存下来。

解读金星

6月8日,金星如约凌日,天文奇观再次出现。由于金星距离太阳比地球更近,面积比太阳小得多,所以当它运行到日-地中间,三者处于一条直线上时,正好遮住部分阳光,在太阳上冒出一个小黑点,给人们提供了一次观测天象的极好机会。那么,金星本身的情况到底怎样呢?

最为明亮的星星

金星是处于水星和地球之间的一颗行星,自古以来中国人通常把它称作“太白金星”或“太白星”。除了太阳和月球以外,它是人的肉眼能够看到的最为明亮的天体。由于金星被浓密的大气层所包围,所以给地面上的天文观测带来很多的困难,极不容易看清它的真实面目。也正缘于此,在人类进入空间时代以后,发射航天器探测金星就成为顺理成章的事情了。

从距离大小来说,金星是最靠近地球的行星。两者围绕太阳运动处于最近位置时仅仅相差0.277个天文单位,即0.414亿千米,比地球与火星的最近距离0.784亿千米还要小。从大小来讲,金星也最象地球,是个典型的类地行星。它的半径为6053千米,略小于地球;它的平均密度为5.25克/立方厘米,整个质量是地球质量的81.5%;它的逃逸速度是10.4千米/秒,相当地球逃逸速度的93%;它周围也有大气和云层,与地球十分相像。与地球不同的是,至今未发现金星有天然卫星。

直到1956年美国天文学家理查森分析了从金星表面返回的雷达波,才发现它与太阳系其他八大行星不同,其自转方向与公转方向相反,是自东向西逆向转动的。它一方面在距离太阳1.08亿千米的圆形轨道上自西向东进行公转,平均速度为35千米/秒,运行一周仅需224个地球日,一方面又以垂直于公转轨道面的自转轴为中心缓慢地自东向西进行自转,自转一周却需243.2个地球日。这种公转与自转合成的结果,使金星上一昼夜正好为116.8个地球日。不难想见,在金星上看到的太阳是西升东落的。人们常用“日从西出”来讽喻根本无法实现的奢望,但在金星上这却是天经地义的。

20世纪60年代以来,人类已向金星发射了30个航天器,其中21个成功,9个失败。加上各种路过的探测器总数已超过40个。成功者都对金星进行了探测,并获得了大量重要信息,推动了科学家们对金星的研究工作。

金星的航天探测

1961~1983年,前苏联共向金星发射了21个探测器,其中包括从金星1号到金星16号的16个航天器,总计有13个获得成功。它们中有的是在金星上硬着陆,即落地时撞坏,主要是在降落过程中对金星大气层参数进行测量;有的是在金星上软着陆,靠减速装置安全降落在金星表面后进行实地探测或取样分析;有的是成为金星的人造卫星,通过雷达等科学仪器对金星表面进行连续综合考察。这些探测资料都发回了地面。

1984年,前苏联又发射了两个金星—哈雷探测器,它们到达金星轨道分别释放登陆舱到金星表面进行探测后,又去探测了哈雷彗星。

1962~1978年,美国共向金星发射了六个探测器,有五个获得成功。它们中有的是从金星旁边飞掠而过,对金星大气作了测量或摄像;有的成为金星的人造卫星,对大气进行观测,并用雷达测绘了金星表面地形图;有的释放探测器着陆金星表面开展工作。

1989年5月,美国又用阿特兰蒂斯号航天飞机发射了麦哲伦号探测器,经在太空加速变轨,于1990年8月飞临金星上空,绕其飞行,并于同年9月开始对金星进行探测。

科学家们通过分析这些航天器获得的十分珍贵的探测资料,逐步加深了对金星的认识。

揭开面纱看金星

航天探测资料帮助科学家们看到了金星的大体面目。

金星的温室效应。人们通常把透射阳光的密闭空间形成内部相对温度较高的环境称作温室效应,金星上浓密的大气层致使其表面空间就出现了这种现象。金星表面温度高达480℃,即使夜间也下降不多,成了太阳系中最热的行星。这是由表面压力为90个大气压的以二氧化碳为主要成分的金星大气造成的,二氧化碳气体白天可使阳光通过,照到金星表面,晚间又阻隔金星表面红外线向外辐射,无法对外进行热交换,结果使金星成为一个大温室。

金星的奇特大气。金星大气可分为下层、云层和上层三个层次。距星面50千米以下为下层,除有二氧化碳和水蒸气外,还有氟和氢氟酸。距星面50~100千米为浓密的云层,主要由硫酸液滴组成,还有少量盐酸、氢氟酸和氟硫酸等。距星面100~500千米为上层稀薄大气,在太阳风、宇宙射线等的作用下被电离而形成电离层。

金星的地质地貌。金星表面乱石纵横,面积的三分之二是丘陵高地,四分之一是洼地,十分之一是山区,很像地球大陆。表面物质几乎全是硅、铝、铁、镁、钙、钛、钾、锰等的氧化物,表层下埋藏着钾、铀、钍等元素。它有过与地球规模相仿的海洋,但已全部被蒸发。由于高温和无水,金星上没有生命。

下步探测动态

多次探测实践表明,金星的浓密大气使航天器难以拍到清晰的照片,金星的高温使着陆器工作时间有限,故而收获不够理想。目前世界航天大国正在制定新的金星探测计划。

俄罗斯最早提出要把一个超压塑料气球发射到金星表面60千米云层进行漂浮以获取更多信息的探测计划。在这一高度上的金星大气温度约为0℃,气压相当于地球海平面上的压力,气球可以浮空进行探测;接着日本提出把一个金属气球发射到金星表面40千米气层中漂浮的计划。由于此一高度上的金星大气温度为300℃,气压为地球海平面压力的20倍,金属气球既不会烧毁,又能浮空,故可开展探测活动。

2001年5月,日本文部科学省宇宙科学研究所出台了一项新的航天发射计划,准备在2007年用M5火箭发射金星探测器,于2009年进入环绕金星的轨道,开展多学科的探测活动。

金星云层中自东向西刮着每秒80~110米的大风,比地球上的台风要强得多。金星赤道自转速度为每秒1.81米,仅相当于最大风速的60分之一,故科学家们将这一疾风称为“超旋转”现象。发现此一现象虽已40年,但仍是不解之谜。日本计划发射的金星探测器,主要目标之一就是要弄清这个问题。探测器将在以近地点300千米、远地点60000千米的椭圆轨道上环绕金星运行。它通过携带的五台能透过大气的特殊红外线摄像机、紫外线摄像机,对金星大气进行立体结构的观测,以弄清“超旋转”的真相。同时通过对金星地表熔岩的探测,弄清金星上是否存在活火山。

科学家们认为,通过对金星的研究,可弄清金星进化过程,这对预测地球的未来发展具有重要的意义。

金星的世界

金星分别在早晨和黄昏出现在天空,古代占星家一直认为存在着两颗这样的行星,于是分别将它们称为“晨星”和“昏星”。在英语中,金星——“维纳斯”是古罗马的女神,像征着爱情与美丽。而一直以来,金星都被卷曲的云层笼罩在神秘的面纱中。金星是距太阳的第二颗行星,它与地球在体积、质量、密度和重量上非常相似,可以算作是地球的姊妹星。而事实上金星与地球非常不同。金星上的一天相当于地球上的243天,而它的一年却只有225天。金星的自东向西自转还使得太阳在金星上西升东落。金星有厚厚的二氧化碳的大气,没有水。它的云层是由硫酸微滴组成的。它的地表大气压是地球上的九十多倍。金星浓厚的二氧化碳大气造成强大的“温室效应”,太阳光能够透过大气将金星表面烤热,但地表辐射却受到大气的阻隔,热量无法得到释放,致使地表温度高达摄氏四百八十多度。这样高的温度使得金属都会熔化。

在地球上看金星和太阳的最大视角不超过48度,因此金星不会整夜出现在夜空中,我国民间称黎明时分的金星为启明星,傍晚时分的金星为长庚星。金星自转一周比公转一周还慢,并且是逆向自转,所以金星上的一年比一天还短,而且在金星上看到的太阳是西升东落的。

金星有时被誉为地球的姐妹星,在外表上看,金星与地球有不少相似之处。金星的半径只比地球小300千米,质量是地球的4/5,平均密度略小于地球。人们曾推测,金星表面的物理状况和化学成分也会与地球相似,同样具有适合生命存在的环境。然而,事实证明,金星表面奇热,足以使铅锡溶化,任何生命都难以生存,金星与地球只是一对“貌合神离”的姐妹。

金星上浓厚的云层至今仍是妨碍科学家揭开金星表面奥秘的主要原因。射电望远镜和射电摄影系统的出现使我们能够看到厚厚的云层下面的金星表面。金星的表面比较年轻,是300万~500万年前才形成的。科学家们正在研究是何原因导致这一现象的。金星的地形主要是覆盖着熔岩的广阔平原和受地质活动破坏的山脉或高原。位于Ishtar地区的Maxwell山是金星上最高的山峰。Aphrodite地区的高原几乎占据了赤道地区的一半。通过麦哲伦计划获得的金星2.5公里以上高原区图像显示它存在明亮的潮湿土壤。然而,在金星表面,液态水是不可能存在的。有一种假设认为这些明亮的区域可能是由于金属化合物。研究显示,这些金属可能是硫化铁。它无法在平原地区存在,但在高原地区是可能的。这些金属也可能是外来的,它导致的效果是一样的,但浓度要低一些。

金星的表面随机布满了许多小型陨石坑。由于金星的浓厚大气,直径小于2公里的陨石坑几乎无法保留下来。而当大型陨石在小型陨坑形成前撞击金星表面,其产生的碎片在地表产生了例外的陨石坑群。火山及火山活动金星表面为数很多。至少85%的金星表面覆盖着火山岩。大量的熔岩流经几百公里,填满低地,形成了广阔的平原。除了几百个大型火山,100000多座小型火山口点缀在金星表面。从火山中喷出的熔岩流产生了了长长的沟渠,范围大至几百公里,其中一条的范围超过7000公里。

地球自转

1851年的一天,法国物理学家付科和他的两个助手一同走进巴黎大教堂。人们去教堂这本是正常事,没什么大惊小怪的。然而让人奇怪的是,他们并没有做礼拜或忏悔。只是东走走,西看看,后来在大教堂中间止步,仰望一阵子屋顶后就出去了。

教堂看管觉得这几个人行迹可疑,于是很快就向主教作了汇报。主教说,要提防他们,一防他们行窃,二防他们搞破坏。

第二天,付科等三人果真又进了大教堂,看管闪身躲在暗处,紧紧盯住他们的一切行踪。这时,只见其中的一个年轻人腰系一根长绳,向屋脊下的一根大梁攀登。啊!登上去了莫非要盗窃古物?看管人员这样想。但是那个人将绳子的一端在大梁上系紧后就下来了,这才使那个教堂看管松了一口气。

真是“一波未平,一波又起”。站在下面的那个年轻人又开始忙乎了,他将一个黑色的圆铁球悬吊在绳子的末端,接着又在地板上沿南北方向画了一道白线,然后沿白线方向使劲把铁球推向前去,一松手,大铁球就沿着白线方向来回摆动起来。

教堂看管暗想:他们想干什么?是不是想搞定时炸弹?那个圆家伙很可能是以摆动次数来计时的定时炸弹……想到这里,他便从隐蔽处迅速冲上前去,并大喝一声:“住手!你们想搞破坏!”随即用双手稳住了大铁球。

付科说:“请你不要激动,撒开手,让我们做完实验,然后再跟你解释。”

“做什么实验?”看管员问。

“证明地球在自转的实验。”付科严肃地回答。

“地球在自转?真能骗人!我怎么看不见地球在转动呢?”看管员说道。

“那就请看我们的实验吧!”付科说完又让助手推动大铁球沿白线方向摆动。

过了几个小时之后,铁球仍在摆动,但是摆动的方向逐渐从东向西偏转了,这时已和在地板上画的南北的直线形成了较大的角度。付科指着这种现象便对教堂看管说:“看见了吧!这就证明地球在自转。”