阿西莫夫：大气的改变

【译者之言：和地球有着许多相似之处的金星到底是什么样子？让阿西莫夫先生带着我们，浏览一下人类一步一步获得有关金星知识的历史。】

几个星期以前，在写这篇短文的时候，我正好在麻省理工学院，出席六个人的颁奖仪式。这六个人都由其他重量级的人物进行了介绍。十二人评审小组包括了三名诺贝尔奖获得者，其中最著名的也许是莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）——两届诺贝尔奖的获得者（化学奖和和平奖），已经八十七岁。他是来介绍他的老师赫尔曼F·马克（Herman F. Mark）——其中的一位获奖者，更是九十四岁高龄。

能看到这两位老人满面笑容，相互寒暄的情景，真是让人愉快。我也试图在想象赫尔曼·马克在这么多年之后被他的小学生介绍时的那种感受。

顺便说一下，我也是其中的获奖人之一，我还在第二天晚上作了一个专题演讲。我并不觉得自己与其他获奖者是一个级别的，但我维护了科幻小说的荣誉，他们还为我颁发了一件十分漂亮的奖品。

在颁奖仪式之前，我们在波士顿科学博物馆出席了晚宴，并从那里由豪华轿车车队送到麻省理工学院大礼堂。这是一个漆黑、细雨朦胧的夜晚，又是在波士顿/剑桥——一个特别容易让人迷糊的地方。

因此，不可避免的是，我们的豪华轿车迷路了。轿车尝试了查尔斯河两岸，并几次驶入马萨诸塞大街。一切似乎都无望了。我亲爱的妻子珍妮特，对所有人都有着超乎寻常的信任，她指着窗外说道：“问问那个人。”

尽管我反对说，这样的事局外人是帮不了什么忙的，但我们还是照她说的做了。结果那个人也不知道，尽管他显然还是个麻省理工学院的学生。接下来我们又问了许多其他人，还是没有一个知道大礼堂在哪里。实际上，大多数人似乎还不太理解我们所说的英语。

最后，我们遇到了一名警察，他使用对讲机，最终叫来了一辆警车，载上我们，最终将我们送到了要去的地方。我们迟到了二十分钟，珍妮特当初兴奋的建议没有得到实现。她设想的是，在我们到达时，一起手挽手进入大厅，给人留下更加瞩目的印象。

但你是否知道，人们在科学探索的道路上也容易迷失方向，尤其是当你一开始就走上了错误的轨道。

例如，1798年，法国天文学家和数学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）提出了“星云假说”。他假设太阳系起源于巨大的尘埃和气体云（星云），星云缓慢旋转，并在其自身引力的作用下凝聚。根据角动量守恒定律，在凝聚过程中转速会加快。

最后，转速快到足以让赤道隆起发生分离，并最终凝聚成一颗行星。此后，又产生另一个隆起，然后是下一个，如此反复。

尽管还不够详细，但这是一个精明的假设，并且在十九世纪广受欢迎。它还形成了这样的概念，即行星离太阳越远，它的年龄就越大。 因此，火星一定要比地球年龄大数百万年，而地球相应又要比金星年龄大数百万年。

这样就很容易让我们相信，火星上居住有一群智慧生物，它们的脑力和能力都远胜于我们，因为它们进化的时间比我们要长得多。而金星则相反，它被想象为一个年轻的世界，还处于相当于地球的中生代——一个充满了沼泽、丛林、恐龙和其他戏剧性古老生命形式的世界。

对火星和金星的观察似乎也支持了这个观点。火星拥有冰帽，因此火星上一定有水，但是看到它的红色，我们自然又会怀疑其大部分为沙漠。考虑到其较小的尺寸和较弱的引力，亿万年来它可能已经失去了其大部分的水。由于这个原因，当1877年出现关于火星运河的说法时，人们很容易想象，一群超级智慧生物正在努力将水从冰帽引到火星沙漠地带，并且还在计划入侵并接管水资源丰富的地球。

另一方面，金星有着浓密和永久的云层，这似乎暗示它一定是一个水的世界。一些人甚至想象，它可能全部被海洋覆盖，根本就没有陆地。实际上，这也正是我在我的小说《幸运的星星和金星的海洋》（Doubleday, 1954）中所描述的金星的图画。

到那个时候，拉普拉斯最初的想法由于完全不充分，早就被否定了。1944年，德国天文学家卡尔·弗里德里希·冯·魏茨萨克（Carl Friedrich von Weizsacker）提出了更细致、更有用的星云假说版本，在该版本中，所有的行星都在大致相同的时间形成。我们现在十分确定，火星、地球和金星的年龄都是相同的，当然也不再有任何理由去想象更古老的火星和更年轻的金星。

但科幻小说作家们还在继续这样幻象。老的习惯很难被打破，毕竟一群发达而邪恶的火星人以及原始的，骑着恐龙的金星人太富有戏剧性了，让人不忍放弃。

即使到了二十世纪五十年代中期，我们对行星特征的详细情况仍然几乎一无所知，这实际上也鼓励了上面这些幻象。 在1957年出版的《令人震惊的科幻小说》中，我写了一篇题为《包裹着大气的行星》的短文，文中我叙述了许多关于气体和行星引力以及大气类型的，非常精准的东西，但我还是小心翼翼地不去提及金星一个字，因为有关金星的大气，我们当时还完全不了解。

但是，在这篇短文发表一年之后，一切都发生了改变。发生了什么情况呢？

除了处于绝对零度的物体（实际没有绝对零度的物体），所有物体如果被温度比它低的环境所包围，都会发出电磁辐射。温度越高，辐射的波长就越短。在温度达到大约600℃的时候，一些发出的辐射波长会短到成为红光，而该物体就会被称为“红热”。

如果温度继续升高，就会出现波长越来越短的光线。物体会变成橙热、黄热、白热以及蓝白热。如果温度足够的高，多数的辐射将会以看不见的紫外线出现。

通过分析太阳光中波长的分布以及暗线的性质（可以告诉我们不同的原子可以被电离到什么程度），我们就能够知道太阳的表面有多热。只要我们能研究其光谱，我们还能够知道任何恒星的表面温度。

但是对于那些发热不足以发出可观察到的光线的物体，又是什么情况呢？在这种情况下，它们会发出红外辐射，其波长比红光的波长要长。红外线不会影响我们的视网膜，因此我们看不见它，但我们的皮肤可以吸收它，我们的热敏神经可以感受到它。因此，在你将手放到火炉上的热容器附近时，你就能会在触摸到它之前感觉到它的热度。

如果一个物体能够进一步冷却下来，它会辐射越来越长的波长，直到你再怎么都不能感觉到它，但是辐射依然还是存在的。超出红外线的是波长更长的微波，摸上去很冷的物体也会发出微波。如果我们能探测到来自遥远物体的微波，根据其数量和波长，我们就能知道该物体的温度。

第二次世界大战之后，得益于利用微波的雷达技术的发展，天文学家们建造了能够探测和聚集少量微波辐射的大型“射电望远镜”，这如同普通光学望远镜探测和聚集少量光线一样。

1958年，在康奈尔H·梅耶（Cornell H Mayer）的领导下，一群美国天文学家利用了一台足以探测到金星黑暗侧发出的微波辐射的射电望远镜。

他们预期的辐射是多高呢？

这部分取决于金星旋转有多快，但是在1958年人们对金星的旋转周期还是一无所知。人们看不到金星上云层移动的特征，也完全看不到云层下面的固体表面。

一些天文学家认为金星的一侧永远朝向太阳。如果是这样的话，黑暗的一侧将永远处于黑暗中，并且可能非常寒冷。不可否认，来自阳光照射一侧的风会给黑暗侧带来一些热量，但也许并不多（正如地球上的南极洲在冬季的几个月一样）。所以，来自黑暗侧的微波辐射应该可能非常小。

另一方面，一些天文学家认为，金星与地球和火星一样，自转周期也是24小时左右。在这种情况下，黑暗侧可能也有大量的微波发射，因为黑暗侧几个小时前也曾经暴露在太阳光下。这样，微波辐射可能会指示出与地球大致类似的温度，因为尽管金星更加靠近太阳，但接收到的多数太阳光可能已被其云层反射掉了。

我们继续前面话题，梅耶探测了来自金星的微波辐射，但他并没有得到所预期的结果。他既没有得到非常低的温度，显示金星黑暗侧永远不见阳光，也没有得到与地球类似的温度，更没得到居于两者之间的温度。

相反，他探测到了泛滥的微波辐射，显示温度至少在300℃，比水的沸点高了大约200℃。这确实让人震惊。谁也没有预料到金星会这么热。

但是金星为什么会这么热呢？它的云层应该是会将其冷却下来的呀！还有就是，水星距离太阳比金星更近，并且还没有云层反射太阳光，也根本没有任何大气，但是金星似乎比水星更热。

也许，金星大气的作用实际上是在加热金星，而不是在冷却金星。

总之，太阳辐射以波长短到足以形成光线的形式到达行星表面。它被行星吸收，从而加热行星表面。夜晚，被加热的表面又向空旷的太空辐射，但是与太阳不同，行星并不会热到足以辐射光线。它辐射的是红外线。

地球的大气几乎完全由氧气、氮气和氩气组成，它们对于光线和红外线都是透明的。就它们而言，白天，光线穿过它们到达地球表面。夜晚，红外线又通过它们离开地球表面，两种情况互不干扰，并维持一定的均衡温度。

但是，二氧化碳和水蒸气对于光线是透明的，而对于红外线则不完全如此。这意味着，白天，光线毫不费劲地到达地球表面，而夜晚，表面辐射的红外线却受到一定程度的阻挡。因此平均温度会升高一点。正是地球大气中的少量二氧化碳和水蒸气使得地球能维持一个较为适宜的温度，总体上比较适合人类居住。

这被称为“温室效应”，因为它经常被拿来与温室相比，温室中玻璃允许光线进入，但会阻挡红外线形成，这样温室中，即使在冬季也会很温暖。（实际上，许多人指出这并不是因为玻璃阻挡了红外线，而是因为它阻挡了加热的空气本身的逃逸，这样它就阻挡了对流而不是红外线。但是，要改变这个习惯说法是很难得。）

那么，假设金星的大气并非我们想象的那种类型。只要我们的头脑中还根深蒂固地存有中生代金星的画面，我们一定会假设其大气基本与地球一样。但情况并非如此。

假设金星拥有一种不同地球的大气——改变的大气。假设金星的大气富含二氧化碳以及水蒸气，这样就可能存在有足够的温室效应，将其海洋温度明显地升高，让更多的水蒸气进入大气，从而加剧温室效应，温度就会进一步升高，这样就会从石灰石中焙烤出二氧化碳，温度也会升得更高。最终，海洋会沸腾，直到最后金星变得极端的热，完全、彻底的干燥。这就是“失控的温室效应”的结果。

这一观点得到了包括卡尔·萨根（Carl Sagan）和詹姆斯·波拉克（James Pollack）在内的许多天文学家的强烈支持。

然而，还是有一些天文学家仍然不愿放弃金星多水的画面。他们质疑，大量的微波辐射可能根本就不是表面炙热的结果，而仅仅是金星上层大气中的放电现象。我们最近已经发现，木星带有强大的磁场，并会产生非表面炙热引起的微波辐射。为什么金星就不能如此呢？

是否存什么有关微波辐射的特征，可以用来区分这两种可能性呢？

首先，微波辐射在3厘米及以上较长的波长中特别强，而在3厘米以下的波长处则迅速下降。为什么会这样呢？

萨根是这样解释的：如果微波是由金星非常炙热的表面引起的，这些微波必须先穿过金星的大气，进入太空，再到达地球上的探测仪器。金星的大气可能吸收了短波长的微波，而让较长波长的微波穿过。

对于另一种说法，如果微波在大气的高处产生，它们就不用穿过大量的物质即可进入太空。因此，对于这种说法，不同于大气吸收，还必须找到一些理由来解释短波长处辐射的下降。但是并没有什么好的理由。

当然，如果天文学家们赞成大气吸收的说法，则会产生一些困难。要达到这样的吸收程度，金星的大气的密度应该达到地球大气密度的大约一百倍。但事实可能就是如此。

区分这两种观点还有一种更好的办法。考虑微波来自金星圆盘的中心，它们将直接穿过大气，进入太空，并到达地球。但是，设想微波在金星圆盘的边缘或者“临边”发出，要到达地球，它们则必须以倾斜的角度穿过大气，因此也就必须穿过更厚的气体层。这就加大了吸收程度，通过的微波也就会更少。

结果是，在任何方向上，在从金星圆盘中心向临边移动时，吸收的微波会稳定增加 （太阳的大气吸收了它发出的一些光线，所以太阳存在临边昏暗效应。因此，这是一个众所周知的现象）。

但是，假设微波产生于金星上层大气，即金星的电离层（如果存在的话），则从中心或临边都说不上存在吸收，因为在电离层之上气体的影响会很小。然而，正如从地球上看到的那样，电离层在临边处比在中心更厚，因为在临边处，是以倾斜的角度看到的。这样，我们从临边探测到的无线电波就会比从中心探测到的要稍微多一些，会存在“无线电临边增亮”的情况。

简而言之，如果临边比中心昏暗，就意味着炙热的表面；如果临边更明亮，则意味着炙热的电离层和可能较冷的表面。但是，从地球上看去，金星几乎只是一个光点，天文学家无法确定哪些微波来自中心，哪些微波来自临边。（四分之一世纪后的今天，我们有足够先进的仪器能够胜任这项工作。）

1962年8月27日，美国发射了金星探测器，水手2号。探测器计划通过金星附近，并在此过程中进行各种测量工作。 1962年11月14日，水手2号掠过了金星，最近距离在云层之上34，831公里（21，648英里）。在这个距离上，金星圆盘是在地球上看到的月亮宽度的大约三十五倍。

水手2号测量了穿过金星圆盘的1.9厘米波长的微波强度。结果是准确无误的。确实存在无线电临边昏暗现象。这是对金星表面十分炙热这一说法的巨大支持。

此外，水手2号根本没有探测到任何磁场。由于磁场对于电离层微波的活动或多或少是必要的，这又进一步弱化了微波辐射是金星上层大气现象这一说法。

最后，水手2号对金星的微波辐射密度进行了比在地球上更精确的测定，结果是金星甚至比想象中的更加炙热。其表面温度不是300℃，而是400℃。

后来，又有更多复杂的探测器掠过金星，而苏联在一系列的尝试中，还将进入舱扔进了金星的大气。

到了二十世纪六十年代末，我们已经很清楚金星的温度不是400℃，而更可能高达480℃。此外，金星大气确实像微波吸收说法所显示的那么稠密。其密度大约是地球大气的一百倍。而且，与失控的温室效应概念一致，金星大气中大约95%为二氧化碳，其余为氮气。

（考虑到金星大气的密度，其所含的氮气的数量也许是地球大气所含氮气的五倍，但由于二氧化碳的数量远远大于它，使得它相比之下只是少数成分。）

所有这一切都已经够可怕的了，但金星的云又是怎么回事呢？自打发现金星的云层以来，天文学家一直假设这些云由水组成，如同地球上的云一样。在金星仍然可能如此，因为失控的温室效应让所有的地表水都进入上部大气，成为永久的云，并在此之上进入太空。

但从1973年开始，天文学家发现，光谱数据显示金星的云似乎并非是纯的水，而是相当浓的硫酸溶液。二十世纪七十年代末期，进入金星大气的探测器支持了这一结论，并发现金星大气中的二氧化硫比水蒸气更多。二氧化硫又加剧了温室效应。

这样我们就清楚了，金星拥有巨大的气压，很高的温度，完全无法呼吸的大气，以及高处的硫酸云。萨根感慨道，金星更像是人们想象中的人间地狱。

一方面，金星比一些人想象的要好一些。浓密的云层毕竟阻挡了大量的阳光，让金星表面被永恒的黑夜所覆盖。实际上，当苏联最早将物体送到金星的表面时，它们都带有探照灯，以便能够进行拍照。

然而，落到金星上的太阳光有大约2.5%穿过云层，到达金星的表面，使得无需人工帮助即可进行拍照。实际上，抵达金星的太阳光强度大约是抵达地球的两倍，这意味着，金星被照亮的程度为地球上晴天的二十分之一。这是地球上月圆夜亮度的十亿倍以上，因此金星至少是明亮的地狱，而不是黑暗笼罩的地狱。

这里还有一些别的问题。金星为什么没有磁场呢？

地球的直径为12,756公里（7,926英里），而金星的直径为12,140公里（7，544英里）。地球总体密度为水的5.5倍，而金星为水的5.2倍。

尺寸和密度的相似性使得我们确信，如果地球拥有一颗液态铁芯（情况似乎就是这样的）的话，那么金星一定也拥有一颗。（顺便说一下，在其它三颗类地天体中，水星的密度为5.4；火星的密度为4.0；月球的密度为3.3。这样，水星应该也拥有一颗液态铁芯，而火星和月亮没有。）

目前的知道是，地球拥有磁场，是因为地球相对较快的转动在导电液态铁芯中建立起了涡旋。月球和火星没有液态铁芯，应该就没有磁场，探测器已显示它们确实没有。

水星带有一颗液态铁芯，但是其自转周期较长——1,407小时，而地球为24小时。不过这显然还是允许水星得到一个较弱的磁场。

剩下就是金星了。金星是否拥有与地球一样强的磁场——或强一些——或弱一些，这取决于其自转周期，而正如我在本文前面所说的，直到二十世纪六十年代，人们对金星转动的速度都还是一无所知。

有人猜测是24小时左右的某个值，如果金星以这个时间绕其轴旋转，那它绕太阳旋转一周需要用5,400小时。

假设将一束微波射向金星。它将穿过云层（就当不存在一样）并被金星的固体表面反射。如果金星表面是静止不动的，入射波束将不会受到影响；反射波束将会以发射时同样的波长返回。而如果金星的表面是移动的（就像它绕其转轴旋转的时候一样），波束的波长将会发生一点变化，而这一变化可以在返回的波束中被探测到。金星移动的速度越快，波长的变化就越快。

1961年5月10日，一束微波被射向了金星，结果绝对让人大吃一惊。正当水手2号向金星进发时，罗兰 L·卡彭特（Roland L Carpenter）和理查德 M·戈尔德斯坦（Richard M Goldstein）宣布了结果。

金星绕其转轴的转动甚至比其绕太阳旋转都要慢。据我们所知，这方面在太阳系中是很独特的。

金星在243天（5,832小时）中绕其转轴旋转。如果用行星赤道上的一点在行星转动时的运动速度来衡量的话，我们可以将金星与其他行星加以比较。

地球赤道上的一个点的移动速度为每小时1,037英里。水星赤道上的一个点的移动速度为每小时6.7英里。而金星赤道上的一个点的移动速度为每小时4.0英里。更生动地表达则是，地球的移动像喷气式飞机；水星的移动像是在跑；而金星的移动则像是在走。

如果水星只有一个非常弱的磁场的话，那么一点都不会让人惊讶的是，旋转更慢的金星在其液体铁芯中建立起涡旋的可能性非常小，以致于其磁场无法被检测到。

正如我所说的，当水手2号抵达金星时，它未能探测到磁场，而这本身也支持了金星绕其转轴转动非常缓慢的观点。

分别的时刻，让我再说一下，还有一点使得金星显得更加奇特——这颗行星是在“错误的”方向上旋转，不像太阳、水星、地球、月球、火星、木星、土星和海王星都是自西向东旋转，金星是自东向西旋转的。

为什么会这样呢？我们现在还不知道——但我们也并不想去解决每一个问题，对吧？过去的三十年，我们已经了解了够多的有关金星的情况（我们甚至已通过微波波束绘制了其表面地图），我们当然也想留下一些问题，让未来的天文学家去忙活，去从中获得快乐。

（作者：艾萨克.阿西莫夫（Isaac Asimov），译者：劲松）

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