□吳再豐 編譯

金星颶風(fēng)探秘

□吳再豐 編譯

不像地球的兄弟星

金星在太陽(yáng)系中是次于水星的第二個(gè)靠近太陽(yáng)的行星，繞著水星與地球之間的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)。太陽(yáng)與金星的平均距離大約是1.82億千米，是太陽(yáng)與地球平均距離1.5億千米的七成。金星半徑約6000千米，比地球半徑約6400千米稍小一點(diǎn)，沒(méi)有衛(wèi)星。鑒于金星距太陽(yáng)的距離、大小和平均密度與地球非常接近，它被稱(chēng)為地球的“兄弟星”。

但是，我們知道金星表面的環(huán)境與地球絕然不同。例如在地球地上的氣壓是大約1個(gè)大氣壓，而金星表面約有90個(gè)大氣壓，相當(dāng)于在地球海中900米深的壓力。再者，金星表面的溫度約460℃，是能使鉛或鋅熔化的過(guò)酷環(huán)境。90個(gè)大氣壓下水的沸點(diǎn)約300℃，所以在金星表面不可能存在液體的水，也不存在像地球那樣的海。

金星的大氣幾乎由二氧化碳（占96%）構(gòu)成，其他氮占3.5%，剩下的0.5%是水蒸汽、硫酸、氯化氫等。像灼熱地獄般的金星表面溫度，主要是由二氧化碳的溫室效應(yīng)引起的。地球大氣所含的二氧化碳約占整個(gè)大氣的0.038%，而且是由于人類(lèi)的活動(dòng)增加所致。金星或許可以說(shuō)是最終變暖行星的范例。

再說(shuō)地球上的大部分二氧化碳溶于海，在海底構(gòu)成碳酸鹽（構(gòu)成石灰等物質(zhì)），積存在地球的內(nèi)部。實(shí)際上，如果將這部分二氧化碳從海底擠出來(lái)，地球大氣中的二氧化碳量將與金星同等程度。或許地球與金星誕生后不久是一模一樣，只是命運(yùn)驅(qū)使它們分道揚(yáng)鑣，變成像現(xiàn)在那樣互相完全不同的行星。至于促成其分道的原因在哪里，還有待于今后發(fā)射的金星探測(cè)器才能弄明白。

金星的大氣以高度50~70千米的“云層”為界，分為上層和下層。云層中央（高度60千米左右）約0.3個(gè)大氣壓，溫度約0℃，接近地球?qū)α鲗拥闹?。云層主要由濃硫酸的液滴?gòu)成，看上去呈黃色。因?yàn)檫@云均勻地覆蓋著整個(gè)金星，人無(wú)法從外部看清它表面的模樣。

不可思議的颶風(fēng)

從金星上的風(fēng)來(lái)看，地表附近下層大氣只能刮起秒速幾米的弱風(fēng)。但在云層上部高度70千米附近，卻能刮起秒速百米、由東向西的高速颶風(fēng)。這個(gè)風(fēng)與緯度無(wú)關(guān)，從南到北都有，與金星的自轉(zhuǎn)方向相同，自東向西刮，4天繞金星一周。這樣高速的大氣大循環(huán)被稱(chēng)為“超回轉(zhuǎn)”，發(fā)生的原因或機(jī)制尚不清楚。

從氣象學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，這種風(fēng)極不可思議。在地球上，中高緯度的對(duì)流層上部有從西向東刮的噴射氣流（稱(chēng)為貿(mào)易風(fēng)），冬季時(shí)速度也達(dá)到每秒百米。但是噴射氣流只存在于相當(dāng)局限的緯度區(qū)域。再者，在其他行星上也有各種各樣的風(fēng)，例如木星的赤道地帶刮著每秒100多米的西風(fēng)，土星也同樣刮著赤道射流，其風(fēng)速高達(dá)每秒500米，其大氣中翻騰著由稠密的氨晶體組成的云，當(dāng)狂風(fēng)刮過(guò)時(shí)，云層翻轉(zhuǎn)，煞是嚇人。另外，海王星也存在超過(guò)每秒400米的東風(fēng)。

但是，除金星以外的這些行星，都具有自轉(zhuǎn)速度非?？斓墓餐卣?。例如地球的自轉(zhuǎn)速度（赤道附近，以下相同）是每秒460米，即使秒速百米的噴射氣流也只有自轉(zhuǎn)速度的二成左右。木星與土星的自轉(zhuǎn)速度分別為每秒13000米和每秒9800米，與之相比，赤道的噴射氣流可以說(shuō)是很低速的。而金星的自轉(zhuǎn)周期為243天（一個(gè)金星日=243天），很長(zhǎng)，自轉(zhuǎn)速度只有秒速1.5米，相當(dāng)于人步行的速度。

金星不知為何其云層上部的大氣以自轉(zhuǎn)速度60倍的高速流動(dòng)，這樣的現(xiàn)象在其他高速自轉(zhuǎn)的行星上是完全看不到的。何以大氣以固體部分的60倍的速度回轉(zhuǎn)呢？這是十分不可思議的，可以說(shuō)是推翻了以往的氣象學(xué)常識(shí)。

關(guān)于“超回轉(zhuǎn)”生成的機(jī)制有若干個(gè)假說(shuō)，其中最有說(shuō)服力的一個(gè)是“子午面循環(huán)”（南北垂直截面內(nèi)的循環(huán)）與“水平擾動(dòng)”組合的模型。所謂“子午面循環(huán)”，是指在赤道附近大氣受太陽(yáng)光照射發(fā)熱產(chǎn)生上升氣流，其朝向高緯度的極點(diǎn)，通過(guò)在極點(diǎn)被冷卻又產(chǎn)生下降流由此引起的循環(huán)；所謂“水平擾動(dòng)”，是指大氣的粘性在水平方向引起的扇風(fēng)作用。

為了在高度70千米附近引起大氣的高速回轉(zhuǎn)，表現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的角動(dòng)量肯定是由行星本身提供給高空的大氣的。另外，想要構(gòu)成的大氣高速回轉(zhuǎn)不因摩擦而減弱，就有必要經(jīng)常將角動(dòng)量送到上方。正因?yàn)槌嗟栏浇慕莿?dòng)量比高緯度的大，角動(dòng)量經(jīng)赤道附近的上升氣流來(lái)到上方，加之大氣中存在的擾動(dòng)，也很好地將角動(dòng)量扇向水平方向，這樣才非常有效地維持了赤道附近的角動(dòng)量比高緯度大的狀態(tài)。所以，如果這個(gè)子午面循環(huán)與水平擾動(dòng)的作用很好地配合，那么繼續(xù)將角動(dòng)量往上送是可能的，并且最終汲取來(lái)自行星本身的角動(dòng)量，積聚在大氣上層，致使那里的大氣高速回轉(zhuǎn)。

此外，我們知道土星的衛(wèi)星泰坦（土衛(wèi)六）的大氣（主要是氮）以自轉(zhuǎn)速度的幾倍到10倍左右高速回轉(zhuǎn)。泰坦與金星一樣，自轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)達(dá)16個(gè)地球日。據(jù)此專(zhuān)家推測(cè)，自轉(zhuǎn)慢的行星或衛(wèi)星或許普遍的是超回轉(zhuǎn)的機(jī)制在起作用。

概說(shuō)金星探測(cè)史

盡管金星是人的肉眼能夠看到的最為明亮的天體，但因金星總被濃厚的云層包裹著，很難探測(cè)，即使發(fā)射空間探測(cè)器也極不容易看清它的真實(shí)面目。迄今人類(lèi)已向金星發(fā)射了31個(gè)空間探測(cè)器，其中22個(gè)成功，9個(gè)失敗。加上各種路過(guò)金星的探測(cè)器，到訪金星的探測(cè)器總數(shù)已超過(guò)40個(gè)。

這些金星探測(cè)器探測(cè)了金星大氣的溫度、密度和成分，考察了金星表面和巖層，拍攝了大量金星圖像并發(fā)回地球，取得了許多重要的科學(xué)數(shù)據(jù)。但是對(duì)金星上極速風(fēng)暴之謎仍一無(wú)所知。為了查明金星全球大氣復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)是如何工作的，具體地說(shuō)是什么因素使金星大氣以極高速度回轉(zhuǎn)、颶風(fēng)的成因是什么、什么機(jī)制能維持金星極區(qū)的雙氣旋，以及什么機(jī)制主宰著金星大氣的化學(xué)狀態(tài)、溫室效應(yīng)在金星全球氣候的演化進(jìn)程中扮演著什么角色等問(wèn)題，歐洲空間局2005年11月成功發(fā)射了名為“金星快車(chē)”的探測(cè)器，并于2006年4月順利進(jìn)入環(huán)繞金星的極軌道運(yùn)行，近金點(diǎn)為250千米，遠(yuǎn)金點(diǎn)為6600千米，繞極軌道一周約24小時(shí)，設(shè)計(jì)壽命為500天，約2個(gè)金星日。

通過(guò)金星快車(chē)的觀測(cè)，清晰地捕捉到地上隱約可見(jiàn)的大氣現(xiàn)象，還有大氣隨場(chǎng)所與高度不同有瞬息萬(wàn)變的模樣。但現(xiàn)在我們對(duì)金星大氣的了解還不成熟，仍不清楚作為金星最大特征的高速回轉(zhuǎn)的機(jī)制。

對(duì)此，日本經(jīng)過(guò)多年準(zhǔn)備于2010年5月21日發(fā)射了首個(gè)名為“拂曉”號(hào)的金星探測(cè)器，其任務(wù)與歐洲空間局的“金星快車(chē)”類(lèi)似，主要研究金星上的氣候，分析籠罩該星球大氣的極速風(fēng)暴。不過(guò)日本“拂曉”號(hào)是從物理角度研究金星，而歐洲“金星快車(chē)”是從化學(xué)角度研究金星。

現(xiàn)在質(zhì)量為480千克的“拂曉”號(hào)正在前往金星的途中，它將在今年12月抵達(dá)金星，進(jìn)入以近金點(diǎn)為200千米，遠(yuǎn)金點(diǎn)為80000千米圍繞金星赤道運(yùn)行的大橢圓軌道，以使星載儀器發(fā)揮最大價(jià)值，從多個(gè)層次觀察大氣。探測(cè)器繞赤道一周為30小時(shí)，設(shè)計(jì)壽命為2個(gè)金星日。

世界首個(gè)“行星氣象衛(wèi)星”

考慮到大氣回轉(zhuǎn)的能源是來(lái)自金星緩慢自轉(zhuǎn)的能量，為此有必要查明自轉(zhuǎn)能量以什么機(jī)制傳遞到大氣。顯然，僅調(diào)查云的上層是不夠的?！胺鲿浴碧?hào)將實(shí)時(shí)觀測(cè)從地表到云層上的大氣運(yùn)動(dòng)和風(fēng)速分布。如果知道在各個(gè)高度大氣運(yùn)動(dòng)的瞬息變化，則可知道某個(gè)高度的大氣怎樣受緊挨其上下高度的大氣的影響。由此能夠推斷引起超回轉(zhuǎn)的能量來(lái)自哪里以及是怎樣傳導(dǎo)的。

“拂曉”號(hào)進(jìn)入繞金星的赤道上空運(yùn)轉(zhuǎn)的橢圓軌道，并且與利用超回轉(zhuǎn)的整個(gè)云層一起繞金星運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣做可以追蹤從超回轉(zhuǎn)偏離的云的活動(dòng)細(xì)節(jié)，由此能夠調(diào)查怎樣在大氣中傳導(dǎo)力的。

這樣的工作模式意味著它就像地球的氣象衛(wèi)星那樣觀測(cè)金星。地球的氣象衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。那樣能夠?qū)崟r(shí)捕捉同一地區(qū)的云的變化。所以，“拂曉”號(hào)可謂金星版的“氣象衛(wèi)星”。

“拂曉”號(hào)在靠近金星之際拍攝云的特寫(xiě)照片，另外還向地球傳送掠過(guò)金星大氣時(shí)捕捉到的電波，調(diào)查傳遞到地球的電波的摸樣以及溫度分布等。

當(dāng)處在與超回轉(zhuǎn)同步的軌道上時(shí)，則能捕捉金星大氣的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。這一設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單，但至今無(wú)一個(gè)國(guó)家進(jìn)行?！胺鲿浴碧?hào)可稱(chēng)是在地球外的行星以實(shí)時(shí)捕捉大氣變化為目的的世界首顆行星氣象衛(wèi)星。