【科普花园】《新世纪飞天梦》连载(29)放飞梦想,奔向深空(之一)
编者按:《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂,以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实,展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程,说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能,还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意,他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的,有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗?”等框图形式在文中给出。
放飞梦想,奔向深空(之一)
林烈
在新世纪里,我们载人飞行器的主要探测目标首先是月球,然后是我们的近邻——火星,而对于太阳系中其它星球的研究主要还是靠无人探测器。在过去的几十年里,人类已对太阳系中那些遥远的星球作了一些初步的探测,在新世纪里我们还将发射更多探测器,对它们进行深入的研究。下面我们将介绍以往的一些探测活动以及这些星球的简要情况。
8.1 灼热的星球
水星是离太阳最近的一颗行星。由于它紧挨着光芒四射的太阳,在地球上观察它很不容易。通常我们只能在日出或日落时才能短暂地看到它。我国古代,人们称它为“晨星”或“昏星”。它的体积不大,比月球大不了多少。水星和我们的地球一样,也是一颗固体星球。它的表面布满了大大小小的陨石坑,这说明在水星几十亿年的历史长河中,曾经遭到过无数陨石的撞击,可以说它是历经磨难、遍体鳞伤。水星的直径为4878千米,自转周期为58.6个地球日,所以水星上的一天大约相当于我们地球上的三个月。而它的公转周期仅为87.9天,比我们地球上的一年要短得多。水星离太阳很近,它在白天的表面温度可以高达摄氏400多度。由于水星上的大气层非常稀薄,所以一到晚上,气温就会骤降到零下150度。水星有一个微弱的磁场。
上世纪七十年代,美国发射了“水手10号”探测器,对水星进行过一些探测,拍摄了数千张有关水星的照片。2004年8月,美国又发射了“信使号”探测器前去探访水星,经过6年多的漫长飞行,于2011年3月到达水星附近。“信使号”每12个小时就围绕水星飞行一周,对水星的地表进行了详细的测绘,同时还研究了水星的地质构成、磁环境、大气层以及其它一些特征。“信使号”得到的大量数据,对科学家研究太阳系内行星的成因提供了非常重要的第一手资料。
截止到2012年底,“信使号”已经拍摄了近10万幅的照片,同时还对水星进行了详细的测量。根据“信使号”得到的引力数据,科学家推测,水星可能拥有一个巨大的铁核,它大约占到水星半径的85%,而地幔和地壳部分只占15%。如果这种情况属实,那么这就意味着水星大约含有2万亿亿吨铁,这可是一个名副其实的太空大铁矿。此外,“信使号”探测器在水星表面还发现了一个直径达1350千米的巨型盆地。这样大的盆地,在太阳系的行星家族中也是绝无仅有的。科学家认为,这是一个由直径达100千米的小行星撞击以后留下的痕迹,这个大坑已被命名为卡诺里盆地。
尽管水星白天的表面温度可以高达摄氏400度以上,但在水星两极的陨石坑中,由于有一些地方终年照不到阳光,这些地区的温度可能会降至摄氏零下200度。“信使号”在探测过程中,发现水星北极的陨石坑中有大面积的水冰,估计较薄的冰层也有一米多厚,有些地方可能厚达数十米。
2015年4月30日,“信使号”在燃料耗尽并基本完成了对水星的探测任务以后,以撞击水星的“壮烈”方式,结束了它已经被一再延长的工作使命,在水星的北极附近留下了一个相当于篮球场大小的撞击坑。
总的来说,我们现在对水星的探测和研究还远远不够。关于水星,我们仍有许多谜团还未解开。不过,现在我们可以确定的是,在水星这样一个环境恶劣的星球上,不太可能存在生命。
在探访了水星以后,下一站要去探访的是夜空中闪耀着白色光芒的金星。
2017年7月初,英国理论物理学家霍金在接受媒体采访时,曾经对美国总统特朗普退出《巴黎气候协定》提出了批评,认为他这种不负责任的做法,会导致地球不可逆转的气候变化,将使地球逐渐变成另一颗金星。那么,霍金为什么要这么说呢?金星究竟是一颗怎样的星球呢?
在人类进入航天时代以前,人们曾经对金星产生过许多美好的幻想。
长期以来,我们中国人一直将金星称为启明星或长庚星,因为它总是在日出或日落时候才出现在天空中。金星是天空中除了太阳和月亮外,最为明亮的一个天体。这颗闪耀着白色光芒的星星在我国最早的诗歌集《诗经》中就有记载,在《小雅·大东》中曾有这样的诗句“东有启明,西有长庚。”古罗马人也赋予了它一个美丽的名字“维纳斯”——爱与美的女神。
金星的大小、质量及密度都和我们的地球差不多。早期的天文观察就已经发现,金星也有一个厚厚的大气层。因此科学家曾经设想,金星也许和我们地球一样,也是一个生机勃勃的星球。但是由于它离太阳比地球近一点,因此,金星的地表温度肯定会比地球高,那么,它可能就是一颗热带星球,那里到处都是热带雨林,在森林和海洋中生活着各种各样的动物,或许还有我们人类的表亲——“金星人”。无疑,在以前人们的心目中,它也和火星一样,是我们地球人梦想能够找到自己同类的天体。
当人类进入了航天时代以后,科学家就迫不及待地向金星发射了各种各样的探测器,希望能够一睹它的真容,揭开关于它的谜团。在这方面,前苏联人捷足先登。从1961年至1984年的二十多年时间里,苏联人向金星发射了18个各种各样的探测器,有的成功地降落到了金星的表面。美国人在这方面也不甘落后,上世纪九十年代,他们发射了“麦哲伦号”探测器,取得了可喜的成绩。2005年欧洲空天局发射了“金星快车”探测器,也获得了不少有用的数据和图片。
通过这些探测器发回来的数据和图片,让我们初步了解了金星的现状。金星的实际情况和我们原来的想象完全不同。金星地表的大气压强大约为地球上的100倍,大气中96%是二氧化碳,地表温度高达摄氏470度,金星的表面除了岩石和尘埃外,没有一滴水,当然也没有我们想象中的森林、湖泊,没有飞禽、走兽,更没有“金星人”。
实际上,在太阳系中,金星、地球和火星都位于比较适合各种生命生存的宜居带,那么,为什么金星的情况和我们地球会有那么大的差别呢?其罪魁祸首应该是金星大气层中那浓度高达96%的温室气体——二氧化碳。这就是为什么世界上那么多国家,急于要达成全球性控制温室气体排放的原因。霍金之所以对美国退出《巴黎气候协定》提出那么严厉的批评,原因也在于此。
像地球、金星等星球,在形成的早期都是没有大气层的,它们的大气层是在形成以后的地质活动过程中产生的。特别是在早期大量火山喷发的过程中,从地壳中释放出了大量的二氧化碳和水蒸气,这些气体进入天空后形成了大气层。早期地球大气层的主要成分也是二氧化碳和水蒸气。要知道这两种气体可都是强烈的温室气体,如果它们一直是地球大气层中的主要成分,那么地球上的生态环境就不会是今天的模样了。但是在以后的几十亿年时光里,地球的大气层通过自然循环,逐步改变了其中的成分。科学家经过长期研究以后,大致搞清楚了这个自然循环过程:大气层中的水蒸气在凝结成雨水降落到地面的过程中,溶入了大气中的二氧化碳,形成了酸雨,这些酸雨降落到地面后,侵蚀了地表的岩石,形成了某些碳酸盐,这些含有碳酸盐的雨水排入海洋后,最后会沉积在洋底,形成碳酸盐岩,如地球上常见的石灰岩。经过几十亿年的漫长过程,大气中大量的二氧化碳就被固化在岩石中了。与此同时,地球上大片的绿色植物也功不可没,它们吸收了大量的二氧化碳,并释放出了氧气。通过这些自然循环过程,才逐步形成了现在的大气层,地球才有了一个适合各种生命生存的生物圈。
而金星和我们地球相比,它存在一个致命的缺陷,那就是它没有一个和地球一样的磁场。别小看这个磁场,它在地球大气层形成过程中可发挥了巨大的作用。它就像一把巨大的保护伞,为我们地球挡住了各种强烈宇宙射线的攻击。如果没有磁场,那么,当这些宇宙射线照射到大气层时,它会分解水蒸气,使水蒸气裂解为氢气和氧气。而氢气由于它的比重很小,它会不断上升,最后消失在太空中,留下来的氧气会和地表的其它成分化合成各种氧化物。长此以往,大气层中的水蒸气就会丧失殆尽,地面上也就不会有江河湖海了。大气中的二氧化碳没有大量的水体可供其溶入,我们上文中提到的这个自然循环过程也就不会存在。这样,它就只能留在大气层中,成为不断加热地表的罪魁祸首。过高的地表温度,又没有了水,没有了江河湖海,那里还会有生命呢?
那么,金星为什么没有一个和地球一样的磁场呢?科学家进行了各种分析和研究。首先科学家发现金星的自转速度特别慢,它自转一周大约需要243个地球日,而且它不同于其它行星,它的自转方向和公转方向相反。我们知道星球磁场的形成,要求这个星球的内部有一个熔融的鉄核,并且这个星球还要有一个足够快的自转速度。金星过于缓慢的自转速度使它无法获得一个较强的磁场。科学家一直在寻找金星反常的自转方向和自转速度过于缓慢的原因。现在已有了一种较合理的解释,那就是在金星形成的早期,它遭到了一个巨大天体的猛烈撞击。由于这次猛烈的撞击,不但减缓了它的自转速度,甚至还改变了它自转的方向。
金星本来应该是和我们地球类似的姐妹星球,但它却走上了和我们地球完全不同的道路。科学家为我们描述的金星这段令人感慨的经历是否属实呢?可能还需要今后继续探索和研究。不过金星的表面不太可能存在生命这一点是可以肯定的。当然我们绝不希望地球也变成另一个金星,那么,我们有什么理由不好好地保护我们的地球呢!如果我们人类不加控制地向大气中排放二氧化碳,那么,随着大气中二氧化碳含量的增加,地球表面的温度将逐步上升,而温度的上升将促使海水的大量蒸发,大气中水蒸气的含量就会增加。我们知道水蒸气也是一种温室气体,这就进一步促使地表温度的上升,如此反复下去,地球表面的温度就会上升到我们人类无法忍受的地步。因此,控制温室气体排放是关系到我们人类命运的大事,如果不从我们这一代做起,将会祸及子孙后代。
虽然金星上没有生命,但它还有许多秘密等待着我们去探索。在新世纪里,金星肯定也是我们人类要去探访的目的地之一。
(未完待续)