对金星的云层研究传来重大进展！

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原文链接：Venus' Clouds Are 60% Water, According To Reanalyzed Pioneer Data - Universe Today

编译：王启儒

校对：牧夫天文校对组

后期：王启儒

责任编辑：王启儒

金星探测器穿越大气艺术概念图。

Credit: Universe Today

最近，用现代科学理解重新分析旧数据似乎成了一种趋势。其中，天体生物学界近来最热议的课题之一，便是金星上是否可能存在生命——特别是在它的大气云层中(金星云层的压力与温度条件在整个太阳系中与地球最为相似)。一项由美国科研团队发布的新论文再次点燃了这场争论，他们重新分析了NASA在上世纪70年代发射的先锋号金星探测任务（Pioneer Venus）的数据，结果显示：金星的云层主要由水组成。

当然，这并不意味着金星的云层是像地球一样由水蒸气凝结成的水滴。研究显示，金星云层中的水（氧化二氢）大多以水合物（hydrated materials）的形式存在，而非独立的水滴。不过，这一发现与此前“金星云层主要由硫酸构成”的主流认知相比，是一次巨大转变。论文指出，硫酸仍然存在，占云层物质的约22%，但问题在于：上世纪70年代的科学家怎么会在仪器数据解读上出现如此大的偏差？

先驱者金星轨道器于1979年拍摄金星大气样貌图片。

Credit: NASA

为了解答这一问题，不同机构的科学家，包括加州州立理工大学波莫纳分校（Cal Poly Pomona）、威斯康星大学、亚利桑那州立大学以及NASA，展开了一场“科学侦探行动”，重新寻找并整理当年的先锋号数据。这些原始资料被保存在NASA“空间科学数据协调档案中心（Space Science Data Coordinated Archive）”的微缩胶片中。重新分析的第一步，就是从档案中找出这些胶片并将其数字化。

这一想法起源于波莫纳加州理工大学的拉凯什·莫古尔（Rakesh Mogul）与威斯康星大学的金星专家桑杰·利迈（Sanjay Limaye）的一次讨论。他们谈到金星云层的化学组成时，萌生了重新分析先锋号所采集的质谱仪（mass spectrometry）数据的念头，认为其中或许藏有新的线索。

金星大气中温度、压力、风速与海拔之间的关系图（纵坐标左侧为海拔、右侧为压力，横坐标顶部为风速、下部为温度）。

Credit：Wikipedia

事实证明，他们的直觉是正确的。来自先锋号大型探测舱（Pioneer Venus Large Probe）上两台仪器中性质谱仪（LNMS）和气相色谱仪（LGC）在穿过金星厚厚的大气层时回传的数据，记录了对金星大气成分的分析。莫古尔和利迈发现，当探测舱进入更深的云层时，这些原本用来吸入气体的入口被气溶胶颗粒堵塞了。其证据之一，是探测舱穿越云层时，二氧化碳浓度出现了明显且短暂的下降。

研究人员没有简单地将此视为“仪器故障”，而是将其看作分析云中气溶胶类型的线索。他们通过分析这些物质在不同温度下的“烧蚀（burn-off）温度”来判断成分。随着探测舱下落，大气温度升高，气溶胶在高温下被加热、融化、释放气体，从而恢复气体通道（这也解释了CO₂读数随后又回升）。

研究人员首先注意到，在185°C和414°C时，出现了明显的水蒸气峰值，这表明其中含有水合三价铁硫酸盐（hydrated ferric sulfate）和水合硫酸镁（hydrated magnesium sulfate）。分析显示，水成分约占气溶胶的62%，但几乎都被束缚在这些水合物中。

与上世纪的研究如出一辙的是，硫酸也出现在气溶胶中。在215°C时检测到大量SO₂释放，这正是硫酸分解的温度。而在397°C时又出现了另一波SO₂释放，说明还有一种更耐高温的硫酸盐化合物存在。

金星电离层对抗太阳风示意图。

Credit：NASA

此时，研究人员发现一个有趣的现象：在397°C附近，质谱仪还检测到了铁离子峰值。SO₂与铁同时释放，暗示该气溶胶成分可能是三价铁硫酸盐（ferric sulfate），它在此温度下会分解为氧化铁和硫氧化物。据估计，这种化合物在云中占比可能高达16%，几乎与硫酸的22%相当。

那么这些铁从何而来？文章作者推测，铁源自金星大气以外的宇宙尘埃，这些尘埃与酸性云层发生化学反应形成铁盐。更重要的是，这项研究解释了一个长期困惑科学界的问题：为什么实地探测器测得的水含量与远程光谱观测结果差异巨大？答案是：远程光谱仪无法探测到“被束缚在水合物中的水”，只能检测到游离水蒸气；而下落探测舱能测到两者，因此数据更接近金星云层的真实含水量。

帕克太阳探测器（PSP），NASA于2018年发射的无人航天器，其任务是反复的探测和观察太阳的外日冕，为了获得最佳的轨道高度，PSP 7次飞掠过金星，借助引力弹弓降低原轨道近日点，并在此期间回传了多组金星大气的探测数据。

Credit：NASA

这一发现对金星潜在生命的研究具有深远意义。过去反对“金星云层存在生命”的主要论据之一是“缺乏水”，但如今看来，水其实比想象中丰富得多——尽管这种环境仍酸性极强，对地球微生物而言并不友好。

这项研究再次证明：旧数据依然能在现代科学讨论中发挥关键作用。关键只是要能把它从NASA浩如烟海的档案中找出来——这本身，也是一种科学探索的成就。

——The End——

『天文湿刻』 牧夫出品

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牧夫

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