阿西莫夫：大氣的改變

【譯者之言：和地球有著許多相似之處的金星到底是什么樣子？讓阿西莫夫先生帶著我們，瀏覽一下人類一步一步獲得有關金星知識的歷史?！?/p>

幾個星期以前，在寫這篇短文的時候，我正好在麻省理工學院，出席六個人的頒獎儀式。這六個人都由其他重量級的人物進行了介紹。十二人評審小組包括了三名諾貝爾獎獲得者，其中最著名的也許是萊納斯·鮑林（Linus Pauling）——兩屆諾貝爾獎的獲得者（化學獎和和平獎），已經(jīng)八十七歲。他是來介紹他的老師赫爾曼F·馬克（Herman F. Mark）——其中的一位獲獎者，更是九十四歲高齡。

能看到這兩位老人滿面笑容，相互寒暄的情景，真是讓人愉快。我也試圖在想象赫爾曼·馬克在這么多年之后被他的小學生介紹時的那種感受。

順便說一下，我也是其中的獲獎人之一，我還在第二天晚上作了一個專題演講。我并不覺得自己與其他獲獎者是一個級別的，但我維護了科幻小說的榮譽，他們還為我頒發(fā)了一件十分漂亮的獎品。

在頒獎儀式之前，我們在波士頓科學博物館出席了晚宴，并從那里由豪華轎車車隊送到麻省理工學院大禮堂。這是一個漆黑、細雨朦朧的夜晚，又是在波士頓/劍橋——一個特別容易讓人迷糊的地方。

因此，不可避免的是，我們的豪華轎車迷路了。轎車嘗試了查爾斯河兩岸，并幾次駛?cè)腭R薩諸塞大街。一切似乎都無望了。我親愛的妻子珍妮特，對所有人都有著超乎尋常的信任，她指著窗外說道：“問問那個人?！?/p>

盡管我反對說，這樣的事局外人是幫不了什么忙的，但我們還是照她說的做了。結果那個人也不知道，盡管他顯然還是個麻省理工學院的學生。接下來我們又問了許多其他人，還是沒有一個知道大禮堂在哪里。實際上，大多數(shù)人似乎還不太理解我們所說的英語。

最后，我們遇到了一名警察，他使用對講機，最終叫來了一輛警車，載上我們，最終將我們送到了要去的地方。我們遲到了二十分鐘，珍妮特當初興奮的建議沒有得到實現(xiàn)。她設想的是，在我們到達時，一起手挽手進入大廳，給人留下更加矚目的印象。

但你是否知道，人們在科學探索的道路上也容易迷失方向，尤其是當你一開始就走上了錯誤的軌道。

例如，1798年，法國天文學家和數(shù)學家皮埃爾·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）提出了“星云假說”。他假設太陽系起源于巨大的塵埃和氣體云（星云），星云緩慢旋轉(zhuǎn)，并在其自身引力的作用下凝聚。根據(jù)角動量守恒定律，在凝聚過程中轉(zhuǎn)速會加快。

最后，轉(zhuǎn)速快到足以讓赤道隆起發(fā)生分離，并最終凝聚成一顆行星。此后，又產(chǎn)生另一個隆起，然后是下一個，如此反復。

盡管還不夠詳細，但這是一個精明的假設，并且在十九世紀廣受歡迎。它還形成了這樣的概念，即行星離太陽越遠，它的年齡就越大。 因此，火星一定要比地球年齡大數(shù)百萬年，而地球相應又要比金星年齡大數(shù)百萬年。

這樣就很容易讓我們相信，火星上居住有一群智慧生物，它們的腦力和能力都遠勝于我們，因為它們進化的時間比我們要長得多。而金星則相反，它被想象為一個年輕的世界，還處于相當于地球的中生代——一個充滿了沼澤、叢林、恐龍和其他戲劇性古老生命形式的世界。

對火星和金星的觀察似乎也支持了這個觀點?；鹦菗碛斜?，因此火星上一定有水，但是看到它的紅色，我們自然又會懷疑其大部分為沙漠?？紤]到其較小的尺寸和較弱的引力，億萬年來它可能已經(jīng)失去了其大部分的水。由于這個原因，當1877年出現(xiàn)關于火星運河的說法時，人們很容易想象，一群超級智慧生物正在努力將水從冰帽引到火星沙漠地帶，并且還在計劃入侵并接管水資源豐富的地球。

另一方面，金星有著濃密和永久的云層，這似乎暗示它一定是一個水的世界。一些人甚至想象，它可能全部被海洋覆蓋，根本就沒有陸地。實際上，這也正是我在我的小說《幸運的星星和金星的海洋》（Doubleday, 1954）中所描述的金星的圖畫。

到那個時候，拉普拉斯最初的想法由于完全不充分，早就被否定了。1944年，德國天文學家卡爾·弗里德里?！ゑT·魏茨薩克（Carl Friedrich von Weizsacker）提出了更細致、更有用的星云假說版本，在該版本中，所有的行星都在大致相同的時間形成。我們現(xiàn)在十分確定，火星、地球和金星的年齡都是相同的，當然也不再有任何理由去想象更古老的火星和更年輕的金星。

但科幻小說作家們還在繼續(xù)這樣幻象。老的習慣很難被打破，畢竟一群發(fā)達而邪惡的火星人以及原始的，騎著恐龍的金星人太富有戲劇性了，讓人不忍放棄。

即使到了二十世紀五十年代中期，我們對行星特征的詳細情況仍然幾乎一無所知，這實際上也鼓勵了上面這些幻象。 在1957年出版的《令人震驚的科幻小說》中，我寫了一篇題為《包裹著大氣的行星》的短文，文中我敘述了許多關于氣體和行星引力以及大氣類型的，非常精準的東西，但我還是小心翼翼地不去提及金星一個字，因為有關金星的大氣，我們當時還完全不了解。

但是，在這篇短文發(fā)表一年之后，一切都發(fā)生了改變。發(fā)生了什么情況呢？

除了處于絕對零度的物體（實際沒有絕對零度的物體），所有物體如果被溫度比它低的環(huán)境所包圍，都會發(fā)出電磁輻射。溫度越高，輻射的波長就越短。在溫度達到大約600℃的時候，一些發(fā)出的輻射波長會短到成為紅光，而該物體就會被稱為“紅熱”。

如果溫度繼續(xù)升高，就會出現(xiàn)波長越來越短的光線。物體會變成橙熱、黃熱、白熱以及藍白熱。如果溫度足夠的高，多數(shù)的輻射將會以看不見的紫外線出現(xiàn)。

通過分析太陽光中波長的分布以及暗線的性質(zhì)（可以告訴我們不同的原子可以被電離到什么程度），我們就能夠知道太陽的表面有多熱。只要我們能研究其光譜，我們還能夠知道任何恒星的表面溫度。

但是對于那些發(fā)熱不足以發(fā)出可觀察到的光線的物體，又是什么情況呢？在這種情況下，它們會發(fā)出紅外輻射，其波長比紅光的波長要長。紅外線不會影響我們的視網(wǎng)膜，因此我們看不見它，但我們的皮膚可以吸收它，我們的熱敏神經(jīng)可以感受到它。因此，在你將手放到火爐上的熱容器附近時，你就能會在觸摸到它之前感覺到它的熱度。

如果一個物體能夠進一步冷卻下來，它會輻射越來越長的波長，直到你再怎么都不能感覺到它，但是輻射依然還是存在的。超出紅外線的是波長更長的微波，摸上去很冷的物體也會發(fā)出微波。如果我們能探測到來自遙遠物體的微波，根據(jù)其數(shù)量和波長，我們就能知道該物體的溫度。

第二次世界大戰(zhàn)之后，得益于利用微波的雷達技術的發(fā)展，天文學家們建造了能夠探測和聚集少量微波輻射的大型“射電望遠鏡”，這如同普通光學望遠鏡探測和聚集少量光線一樣。

1958年，在康奈爾H·梅耶（Cornell H Mayer）的領導下，一群美國天文學家利用了一臺足以探測到金星黑暗側(cè)發(fā)出的微波輻射的射電望遠鏡。

他們預期的輻射是多高呢？

這部分取決于金星旋轉(zhuǎn)有多快，但是在1958年人們對金星的旋轉(zhuǎn)周期還是一無所知。人們看不到金星上云層移動的特征，也完全看不到云層下面的固體表面。

一些天文學家認為金星的一側(cè)永遠朝向太陽。如果是這樣的話，黑暗的一側(cè)將永遠處于黑暗中，并且可能非常寒冷。不可否認，來自陽光照射一側(cè)的風會給黑暗側(cè)帶來一些熱量，但也許并不多（正如地球上的南極洲在冬季的幾個月一樣）。所以，來自黑暗側(cè)的微波輻射應該可能非常小。

另一方面，一些天文學家認為，金星與地球和火星一樣，自轉(zhuǎn)周期也是24小時左右。在這種情況下，黑暗側(cè)可能也有大量的微波發(fā)射，因為黑暗側(cè)幾個小時前也曾經(jīng)暴露在太陽光下。這樣，微波輻射可能會指示出與地球大致類似的溫度，因為盡管金星更加靠近太陽，但接收到的多數(shù)太陽光可能已被其云層反射掉了。

我們繼續(xù)前面話題，梅耶探測了來自金星的微波輻射，但他并沒有得到所預期的結果。他既沒有得到非常低的溫度，顯示金星黑暗側(cè)永遠不見陽光，也沒有得到與地球類似的溫度，更沒得到居于兩者之間的溫度。

相反，他探測到了泛濫的微波輻射，顯示溫度至少在300℃，比水的沸點高了大約200℃。這確實讓人震驚。誰也沒有預料到金星會這么熱。

但是金星為什么會這么熱呢？它的云層應該是會將其冷卻下來的呀！還有就是，水星距離太陽比金星更近，并且還沒有云層反射太陽光，也根本沒有任何大氣，但是金星似乎比水星更熱。

也許，金星大氣的作用實際上是在加熱金星，而不是在冷卻金星。

總之，太陽輻射以波長短到足以形成光線的形式到達行星表面。它被行星吸收，從而加熱行星表面。夜晚，被加熱的表面又向空曠的太空輻射，但是與太陽不同，行星并不會熱到足以輻射光線。它輻射的是紅外線。

地球的大氣幾乎完全由氧氣、氮氣和氬氣組成，它們對于光線和紅外線都是透明的。就它們而言，白天，光線穿過它們到達地球表面。夜晚，紅外線又通過它們離開地球表面，兩種情況互不干擾，并維持一定的均衡溫度。

但是，二氧化碳和水蒸氣對于光線是透明的，而對于紅外線則不完全如此。這意味著，白天，光線毫不費勁地到達地球表面，而夜晚，表面輻射的紅外線卻受到一定程度的阻擋。因此平均溫度會升高一點。正是地球大氣中的少量二氧化碳和水蒸氣使得地球能維持一個較為適宜的溫度，總體上比較適合人類居住。

這被稱為“溫室效應”，因為它經(jīng)常被拿來與溫室相比，溫室中玻璃允許光線進入，但會阻擋紅外線形成，這樣溫室中，即使在冬季也會很溫暖。（實際上，許多人指出這并不是因為玻璃阻擋了紅外線，而是因為它阻擋了加熱的空氣本身的逃逸，這樣它就阻擋了對流而不是紅外線。但是，要改變這個習慣說法是很難得。）

那么，假設金星的大氣并非我們想象的那種類型。只要我們的頭腦中還根深蒂固地存有中生代金星的畫面，我們一定會假設其大氣基本與地球一樣。但情況并非如此。

假設金星擁有一種不同地球的大氣——改變的大氣。假設金星的大氣富含二氧化碳以及水蒸氣，這樣就可能存在有足夠的溫室效應，將其海洋溫度明顯地升高，讓更多的水蒸氣進入大氣，從而加劇溫室效應，溫度就會進一步升高，這樣就會從石灰石中焙烤出二氧化碳，溫度也會升得更高。最終，海洋會沸騰，直到最后金星變得極端的熱，完全、徹底的干燥。這就是“失控的溫室效應”的結果。

這一觀點得到了包括卡爾·薩根（Carl Sagan）和詹姆斯·波拉克（James Pollack）在內(nèi)的許多天文學家的強烈支持。

然而，還是有一些天文學家仍然不愿放棄金星多水的畫面。他們質(zhì)疑，大量的微波輻射可能根本就不是表面炙熱的結果，而僅僅是金星上層大氣中的放電現(xiàn)象。我們最近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，木星帶有強大的磁場，并會產(chǎn)生非表面炙熱引起的微波輻射。為什么金星就不能如此呢？

是否存什么有關微波輻射的特征，可以用來區(qū)分這兩種可能性呢？

首先，微波輻射在3厘米及以上較長的波長中特別強，而在3厘米以下的波長處則迅速下降。為什么會這樣呢？

薩根是這樣解釋的：如果微波是由金星非常炙熱的表面引起的，這些微波必須先穿過金星的大氣，進入太空，再到達地球上的探測儀器。金星的大氣可能吸收了短波長的微波，而讓較長波長的微波穿過。

對于另一種說法，如果微波在大氣的高處產(chǎn)生，它們就不用穿過大量的物質(zhì)即可進入太空。因此，對于這種說法，不同于大氣吸收，還必須找到一些理由來解釋短波長處輻射的下降。但是并沒有什么好的理由。

當然，如果天文學家們贊成大氣吸收的說法，則會產(chǎn)生一些困難。要達到這樣的吸收程度，金星的大氣的密度應該達到地球大氣密度的大約一百倍。但事實可能就是如此。

區(qū)分這兩種觀點還有一種更好的辦法?？紤]微波來自金星圓盤的中心，它們將直接穿過大氣，進入太空，并到達地球。但是，設想微波在金星圓盤的邊緣或者“臨邊”發(fā)出，要到達地球，它們則必須以傾斜的角度穿過大氣，因此也就必須穿過更厚的氣體層。這就加大了吸收程度，通過的微波也就會更少。

結果是，在任何方向上，在從金星圓盤中心向臨邊移動時，吸收的微波會穩(wěn)定增加 （太陽的大氣吸收了它發(fā)出的一些光線，所以太陽存在臨邊昏暗效應。因此，這是一個眾所周知的現(xiàn)象）。

但是，假設微波產(chǎn)生于金星上層大氣，即金星的電離層（如果存在的話），則從中心或臨邊都說不上存在吸收，因為在電離層之上氣體的影響會很小。然而，正如從地球上看到的那樣，電離層在臨邊處比在中心更厚，因為在臨邊處，是以傾斜的角度看到的。這樣，我們從臨邊探測到的無線電波就會比從中心探測到的要稍微多一些，會存在“無線電臨邊增亮”的情況。

簡而言之，如果臨邊比中心昏暗，就意味著炙熱的表面；如果臨邊更明亮，則意味著炙熱的電離層和可能較冷的表面。但是，從地球上看去，金星幾乎只是一個光點，天文學家無法確定哪些微波來自中心，哪些微波來自臨邊。（四分之一世紀后的今天，我們有足夠先進的儀器能夠勝任這項工作。）

1962年8月27日，美國發(fā)射了金星探測器，水手2號。探測器計劃通過金星附近，并在此過程中進行各種測量工作。 1962年11月14日，水手2號掠過了金星，最近距離在云層之上34，831公里（21，648英里）。在這個距離上，金星圓盤是在地球上看到的月亮寬度的大約三十五倍。

水手2號測量了穿過金星圓盤的1.9厘米波長的微波強度。結果是準確無誤的。確實存在無線電臨邊昏暗現(xiàn)象。這是對金星表面十分炙熱這一說法的巨大支持。

此外，水手2號根本沒有探測到任何磁場。由于磁場對于電離層微波的活動或多或少是必要的，這又進一步弱化了微波輻射是金星上層大氣現(xiàn)象這一說法。

最后，水手2號對金星的微波輻射密度進行了比在地球上更精確的測定，結果是金星甚至比想象中的更加炙熱。其表面溫度不是300℃，而是400℃。

后來，又有更多復雜的探測器掠過金星，而蘇聯(lián)在一系列的嘗試中，還將進入艙扔進了金星的大氣。

到了二十世紀六十年代末，我們已經(jīng)很清楚金星的溫度不是400℃，而更可能高達480℃。此外，金星大氣確實像微波吸收說法所顯示的那么稠密。其密度大約是地球大氣的一百倍。而且，與失控的溫室效應概念一致，金星大氣中大約95%為二氧化碳，其余為氮氣。

（考慮到金星大氣的密度，其所含的氮氣的數(shù)量也許是地球大氣所含氮氣的五倍，但由于二氧化碳的數(shù)量遠遠大于它，使得它相比之下只是少數(shù)成分。）

所有這一切都已經(jīng)夠可怕的了，但金星的云又是怎么回事呢？自打發(fā)現(xiàn)金星的云層以來，天文學家一直假設這些云由水組成，如同地球上的云一樣。在金星仍然可能如此，因為失控的溫室效應讓所有的地表水都進入上部大氣，成為永久的云，并在此之上進入太空。

但從1973年開始，天文學家發(fā)現(xiàn)，光譜數(shù)據(jù)顯示金星的云似乎并非是純的水，而是相當濃的硫酸溶液。二十世紀七十年代末期，進入金星大氣的探測器支持了這一結論，并發(fā)現(xiàn)金星大氣中的二氧化硫比水蒸氣更多。二氧化硫又加劇了溫室效應。

這樣我們就清楚了，金星擁有巨大的氣壓，很高的溫度，完全無法呼吸的大氣，以及高處的硫酸云。薩根感慨道，金星更像是人們想象中的人間地獄。

一方面，金星比一些人想象的要好一些。濃密的云層畢竟阻擋了大量的陽光，讓金星表面被永恒的黑夜所覆蓋。實際上，當蘇聯(lián)最早將物體送到金星的表面時，它們都帶有探照燈，以便能夠進行拍照。

然而，落到金星上的太陽光有大約2.5%穿過云層，到達金星的表面，使得無需人工幫助即可進行拍照。實際上，抵達金星的太陽光強度大約是抵達地球的兩倍，這意味著，金星被照亮的程度為地球上晴天的二十分之一。這是地球上月圓夜亮度的十億倍以上，因此金星至少是明亮的地獄，而不是黑暗籠罩的地獄。

這里還有一些別的問題。金星為什么沒有磁場呢？

地球的直徑為12,756公里（7,926英里），而金星的直徑為12,140公里（7，544英里）。地球總體密度為水的5.5倍，而金星為水的5.2倍。

尺寸和密度的相似性使得我們確信，如果地球擁有一顆液態(tài)鐵芯（情況似乎就是這樣的）的話，那么金星一定也擁有一顆。（順便說一下，在其它三顆類地天體中，水星的密度為5.4；火星的密度為4.0；月球的密度為3.3。這樣，水星應該也擁有一顆液態(tài)鐵芯，而火星和月亮沒有。）

目前的知道是，地球擁有磁場，是因為地球相對較快的轉(zhuǎn)動在導電液態(tài)鐵芯中建立起了渦旋。月球和火星沒有液態(tài)鐵芯，應該就沒有磁場，探測器已顯示它們確實沒有。

水星帶有一顆液態(tài)鐵芯，但是其自轉(zhuǎn)周期較長——1,407小時，而地球為24小時。不過這顯然還是允許水星得到一個較弱的磁場。

剩下就是金星了。金星是否擁有與地球一樣強的磁場——或強一些——或弱一些，這取決于其自轉(zhuǎn)周期，而正如我在本文前面所說的，直到二十世紀六十年代，人們對金星轉(zhuǎn)動的速度都還是一無所知。

有人猜測是24小時左右的某個值，如果金星以這個時間繞其軸旋轉(zhuǎn)，那它繞太陽旋轉(zhuǎn)一周需要用5,400小時。

假設將一束微波射向金星。它將穿過云層（就當不存在一樣）并被金星的固體表面反射。如果金星表面是靜止不動的，入射波束將不會受到影響；反射波束將會以發(fā)射時同樣的波長返回。而如果金星的表面是移動的（就像它繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的時候一樣），波束的波長將會發(fā)生一點變化，而這一變化可以在返回的波束中被探測到。金星移動的速度越快，波長的變化就越快。

1961年5月10日，一束微波被射向了金星，結果絕對讓人大吃一驚。正當水手2號向金星進發(fā)時，羅蘭 L·卡彭特（Roland L Carpenter）和理查德 M·戈爾德斯坦（Richard M Goldstein）宣布了結果。

金星繞其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動甚至比其繞太陽旋轉(zhuǎn)都要慢。據(jù)我們所知，這方面在太陽系中是很獨特的。

金星在243天（5,832小時）中繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。如果用行星赤道上的一點在行星轉(zhuǎn)動時的運動速度來衡量的話，我們可以將金星與其他行星加以比較。

地球赤道上的一個點的移動速度為每小時1,037英里。水星赤道上的一個點的移動速度為每小時6.7英里。而金星赤道上的一個點的移動速度為每小時4.0英里。更生動地表達則是，地球的移動像噴氣式飛機；水星的移動像是在跑；而金星的移動則像是在走。

如果水星只有一個非常弱的磁場的話，那么一點都不會讓人驚訝的是，旋轉(zhuǎn)更慢的金星在其液體鐵芯中建立起渦旋的可能性非常小，以致于其磁場無法被檢測到。

正如我所說的，當水手2號抵達金星時，它未能探測到磁場，而這本身也支持了金星繞其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動非常緩慢的觀點。

分別的時刻，讓我再說一下，還有一點使得金星顯得更加奇特——這顆行星是在“錯誤的”方向上旋轉(zhuǎn)，不像太陽、水星、地球、月球、火星、木星、土星和海王星都是自西向東旋轉(zhuǎn)，金星是自東向西旋轉(zhuǎn)的。

為什么會這樣呢？我們現(xiàn)在還不知道——但我們也并不想去解決每一個問題，對吧？過去的三十年，我們已經(jīng)了解了夠多的有關金星的情況（我們甚至已通過微波波束繪制了其表面地圖），我們當然也想留下一些問題，讓未來的天文學家去忙活，去從中獲得快樂。

（作者：艾薩克.阿西莫夫（Isaac Asimov），譯者：勁松）