01.01 星辰大海之旅(22)——金星(下)


星辰大海之旅(22)——金星(下)

金星

前面我們瞭解了金星,離太陽的第二顆。其軌道接近圓,且在地球軌道之內,故早晚可見。它沒有衛星,沒有磁場。金星的夜空,最亮的“星星”是地球。金星的表面溫度很高,十分乾旱,不存在液態水。大氣中幾乎是二氧化碳,沒有氧氣,大氣壓是地球的90倍。公轉週期約225天,比地球的小。金星自東向西自轉,因此,在金星上看,太陽西升東落。金星自轉速度很慢,週期為243天。由於潮汐鎖定,金星始終以同一個面對著地球。

金星的密度為5.24,僅次於地球和水星,居第三。硅化合物組成金星的薄,硅氧鐵鎂等的化合物組成金星的。金星的半徑6073千米,而它的鐵鎳合金組成的半徑約為3100千米。金星有高地和低地,而平原最多,環形山是一串串的。火山噴發遍佈金星表面。金星表面大多覆蓋著火山岩。金星上的岩石異常堅硬,因而山脈、懸崖峭壁更陡峭。它有一條行星中最大的峽谷,長1200千米,從南向北穿過赤道。

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星辰大海之旅(22)——金星(下)

金星

一、火山分佈

金星上可謂火山密佈,是太陽系中擁有火山數量最多的行星。已發現的大型火山和火山特徵有1600多處。此外還有無數的小火山,沒有人計算過它們的數量,估計總數超過10萬,甚至100萬。

金星火山造型各異。除了較普遍的盾狀火山,還有很多複雜的火山特徵,和特殊的火山構造。目前尚未發現活火山。大部分火山早已熄滅,但仍不排除小部分依然活躍的可能性。

金星與地球有許多共同處。它們大小、體積接近。金星也是太陽系中離地球最近的行星,也被雲層和厚厚的大氣層所包圍。同地球一樣,金星的地表年齡也非常年輕,約5億年左右。

金星與地球也存在很多不同點。金星的大氣成分多為二氧化碳,因此它的地表具有強烈的溫室效應,其大氣壓大約是地球的90倍

,這差不多相當於地球海面下一公里處的水壓。

金星地表沒有水,空氣中也沒有水份存在,其雲層的主要成分是硫酸,而且較地球雲層的高度高得多。由於大氣高壓,金星上的風速也相應緩慢。這就是說,金星地表既不會受到風的影響,也沒有雨水的沖刷。因此,金星的火山特徵能夠清晰地保持很長一段時間。

金星沒有板塊構造,沒有線性的火山鏈,沒有明顯的板塊消亡地帶。儘管金星上峽谷縱橫,但沒有哪一條看起來類似地球的海溝。

跡象表明,金星火山的噴發形式也較為單一。大部分金星火山噴發時,只是流出的熔岩流,沒有劇烈爆發、噴射火山灰的跡象,甚至熔岩也不似地球熔岩那般泥濘粘質。這種現象不難理解。由於大氣高壓爆炸性的火山噴發,熔岩中需要有大量的氣體成分。在地球上,促使熔岩劇烈噴發的主要氣體是水氣,而金星上缺乏水分子。另外,地球上絕大部分粘質熔岩流和火山灰噴發都發生在板塊消亡地帶。因此,缺乏板塊消亡帶也大大減少了金星火山猛烈爆發的幾率。

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盾狀火山

大型盾狀火山

【盾狀火山】:盾狀火山是具有寬闊頂面和緩坡度側翼(盾狀)的大型火山。由於火山擠出的產物主要為低粘滯性的玄武岩岩漿。 夏威夷島(大島)是典型的盾狀火山。大島是由5個連續年齡的火山連接而成。其中的 Mauna Loa火山是最大的,從海底到山頂有9090米。

金星有150多處大型盾狀火山。這些盾狀直徑多在100公里至600公里之間,高度約有0.3~5公里。其中最大的一座直徑700公里,高度5.5公里。比起地球上的盾狀火山,金星火山顯得更加平坦。

火星盾狀火山與地球上的盾狀火山有相似之處。它們大都被長長的呈放射狀的熔岩流所覆蓋,坡度平緩。大部分火山中心有噴射孔。據猜測,這些盾狀是由玄武岩構成的,類似夏威夷的火山。

金星上的盾狀火山分佈零散,並不象地球上的火山鏈。這說明金星沒有活躍的板塊構造。

小型盾狀火山

金星約有10萬個直徑小於20公里的小型盾狀火山。這些火山通常成串分佈,被稱為盾狀地帶。已被科學家在地圖上標出的盾狀地帶,超過550個,多數直徑在100~200公里之間。盾狀地帶分佈廣泛,主要出現在低窪平原或低地的丘陵處。科學家發現,許多盾狀地帶已經被更新的熔岩平原覆蓋,

因此他們推測,盾狀地帶的年齡非常古老,可能形成於火山活動初期。

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二、大氣環境

金星的天空是橙黃色的。金星上也有雷電,曾經記錄到的最大一次閃電持續了15分鐘。金星的大氣主要由二氧化碳組成,並含有少量的氮氣。金星的大氣壓強非常大,為地球的92倍

,相當於地球海洋中1千米深度時的壓強。大量二氧化碳的存在使得溫室效應在金星上大規模地進行著。如果沒有這樣的溫室效應,溫度會下降400℃。

在近赤道的低地,金星的表面極限溫度可高達500℃,這使得金星的表面溫度甚至高於水星,雖然它離太陽的距離要比水星的大兩倍,並且得到的陽光只有水星的四分之一。儘管金星的自轉很慢(金星的“一天”比金星的“一年”還要長,赤道地帶的旋轉速度只有每小時6.5千米),但是由於熱慣性和濃密大氣的對流,晝夜溫差並不大。大氣上層的風只要4天就能繞金星一週來均勻地傳遞熱量。

【氣體或者液體熱慣性】:比如海洋的熱慣性就很大,體現為改變其溫度需要很長的時間。

金星濃厚的雲層把大部分陽光都反射回了太空,所以金星表面接受到的太陽光比較少大部分陽光都不能直接到達金星表面。金星熱輻射反射率大約是60%,可見光反射率就更大

。雖然金星比地球離太陽的距離要近,它表面所得光照卻比地球少。如果沒有溫室效應作用,金星表面溫度就會和地球很接近。人們常常會想當然的認為金星的濃密雲層能夠吸收更多的熱量,事實上相反,如果沒有這些雲層,溫度會更高。大氣中二氧化碳的大量存在所造成的溫室效應才是吸收更多熱量的真正原因。

在雲層頂端,金星有著每小時350千米的大風,而表面卻風平浪靜,每小時不會超過數千米。然而大氣濃密,就算是非常緩慢的風也會具有巨大的力量來克服前進的阻力。金星的雲層主要是有二氧化硫和硫酸組成,完全覆蓋整個金星表面。這讓地球觀測者難以透過這層屏障來觀測金星表面。這些雲層頂端的溫度大約為-45℃。觀測數據表明,金星表面的溫度是464℃。雲層頂端的溫度是金星上最低的,而表面溫度卻從不低於400℃。

金星表面為什麼溫度很高?溫室效應還有什麼後果?

金星表面的溫度很高,是因為金星上強烈的溫室效應。溫室效應是指透射陽光的密閉空間由於缺乏與外界熱交換而形成的保溫效應。金星上的溫室效應強得令人瞠目結舌,原因在於金星的大氣密度是地球大氣的100倍,且大氣97%以上是“保溫氣體”——二氧化碳;同時,

金星大氣中還有一層厚達20~30千米的由濃硫酸組成的濃雲。二氧化碳和濃雲只許太陽光通過,卻不讓熱量透過雲層散發到宇宙空間。被封閉起來的太陽輻射,使金星表面變得越來越熱。溫室效應使金星表面溫度高達465至485℃,且基本上沒有地區、季節、晝夜的差別它還造成金星上的氣壓很高,約為地球的90倍。濃厚的金星雲層使金星上的白晝朦朧不清,這裡沒有我們熟悉的藍天、白雲,天空是橙黃色的雲層頂端有強風,大約每小時350千米,但表面風速卻很慢,每小時幾千米不到。十分有趣的是,金星上空會像地球上空一樣,出現閃電和雷暴

金星的大氣壓力為90個標準大氣壓(相當於地球海洋深1千米處的壓力),大氣大多由二氧化碳組成,也有幾層由硫酸組成的厚數千米的雲層。這些雲層擋住了我們對金星表面的觀察,使得它看來非常模糊。這稠密的大氣也產生了溫室效應,使金星表面溫度高達400度,超過了740開(足以使鉛條熔化)。金星表面自然比水星表面熱,雖然金星比水星離太陽要遠兩倍。

金星大氣層主要為二氧化碳,佔約96%,以及氮3%。在高度50至 70 公里的上空,懸浮著濃密的厚雲,把大氣分割為上下兩層。云為濃硫酸液滴組成,其中還摻雜著硫粒子,所以呈現黃色。在氣候良好的地球上,很難想像在太陽系中竟然有這樣瘋狂的世界。

金星接近地表大氣時速較為緩慢,只有每小時數公里,但上層時速卻可達數百公里,金星自轉速度如此的緩慢,243個地球日才轉一圈,但卻有如此快速轉動的上層大氣,至今仍是個令人不解的謎團。

在照片中我們可以觀察到金星表面的雲層呈現倒V型的形狀,這種雲系統稱為帶狀風系統。這種帶狀風其實是太陽照射所造成的對流

當地球或金星雲層形成時,太陽貯存在空氣中的能量可以在非常強大的放電中被釋放出來。隨著雲粒子發生碰撞,電荷從大粒子轉移到小粒子,大粒子下降,小粒子上升。電荷的分離導致了雷擊。這對行星大氣層是個很重要的過程,因為它使大氣層一小部分的溫度和壓力提升到一個很高的值,使分子可以形成,而在標準大氣的溫度和壓力下,這本來是不會出現的。因此,有些科學家據此推測,

閃電可能有助於地球上生命的出現

比較兩個行星電磁波生成的異同,由此發現,金星上的磁信號比較強,但是日間的閃電似乎比夜間普遍,而在太陽光穿透金星大氣層中最強的較低緯度地區,閃電發生頻率則更高。

三、衛星

人們曾經認為金星有一個衛星(即金衛一),名叫尼斯。它的首次發現是由意大利出生的法國天文學家喬凡尼·多美尼科·卡西尼在1672年完成的。天文學家對尼斯的零星觀察一直持續到1982年,但是這些觀察之後受到了懷疑,實際上是其它昏暗的星體在巧合的時間出現在了恰好的位置上,所以認為金星沒有衛星。金衛一是否存在是一個謎,但我們現在認為,金星沒有衛星。還有人說水星原先可能是它的衛星。

星辰大海之旅(22)——金星(下)

金星凌日

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金星在太陽系中

四、星體天文現象

金星凌日

金星軌道在地球軌道內側,某些特殊時刻,地球、金星、太陽會在一條直線上,這時從地球上可以看到金星就像一個小黑點一樣在太陽表面緩慢移動,天文學稱之為“金星凌日”。 已發生的金星凌日

有:2004年6月8日,2012年6月6日。2012年6月6日上演的“金星凌日”是直到2117年以前所能看到的最後一次,凌日時間長達6小時,我國大部分地區處於最佳觀測地區。未來的凌日2117年12月11日。

地內行星是指太陽系中軌道位於地球軌道之內的行星。地內行星包括:水星,金星。從地球上看,它們相對於太陽的動態位置,往返於東大距——下合——西大距——上合——東大距之間(見圖)。在上下合附近不可見,越遠離上下合越容易被看到。在大距時比較適合觀測。下合前後有順行、逆行、留的變化,其他時期均為順行。

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地內行星示意圖

由於水星、金星是位於地球繞日公轉軌道以內的“地內行星”。因此,當金星運行到太陽和地球之間時,我們可以看到在太陽表面有一個小黑點慢慢穿過,這種天象稱之為“金星凌日”。天文學中,往往把相隔時間最短的兩次“金星凌日”現象分為一組。這種現象的出現規律通常是8年、121.5年,8年、105.5年,以此循環。據天文學家測算,這一組金星凌日的時間為2004年6月8日和2012年6月6日。這主要是由於金星圍繞太陽運轉13圈後,正好與圍繞太陽運轉8圈的地球再次互相靠近,並處於地球與太陽之間,這段時間相當於地球上的8年

公元17世紀,著名的英國天文學家哈雷曾經提出,金星凌日時,在地球上兩個不同地點同時測定金星穿越太陽表面所需的時間,由此算出太陽的視差,可以得出準確的日地距離。可惜,哈雷本人活了86歲,從未遇上過“金星凌日”。在哈雷提出他的觀測方法後,曾出現過4次金星凌日,每一次都受到科學家的極大重視。

日地距離,又稱太陽距離

,指的是日心到地心的直線長度。由於地球繞太陽運行的軌道是個橢圓,太陽位於一個焦點上,所以這個距離是時刻變化著的。其長度大小約為1,4959,7870千米。日地距離又是是天文學上的長度單位,曾以地球-太陽的平均距離定義,現已改為其絕對距離1495,9787,0700米。在天文上把這個長度確定為1AU,即一個天文單位。

1761年5月26日金星凌日時,俄羅斯天文學家羅蒙諾索夫,就一舉發現了金星大氣。19世紀,天文學家通過金星凌日蒐集到大量數據,成功地測量出日地距離1.496億千米(稱為一個天文單位)。當今的天文學家們,要比哈雷幸運得多,可以用很多先進的科學手段,去進一步研究地球的近鄰金星了!

人們用10倍以上倍率的望遠鏡即可清楚地看到金星的圓形輪廓,40-100倍率左右的望遠鏡觀測效果最佳。雖然觀測這次“金星凌日”難度不算很大,但天文專家提醒,在觀看時,千萬不能直接用肉眼、普通的望遠鏡或是照相機觀測,而要戴上合適的濾光鏡,同時觀測時間也不能過長,以免被強烈的陽光灼傷眼睛。

星辰大海之旅(22)——金星(下)

金星凌日(中國2012-06-06)

金星凌日觀測指導

金星凌日雖然說用肉眼也許也能看到,但效果總不會太好。如果有望遠鏡,就可以獲得更好的效果。天氣好,還可以看到由於金星濃厚的大氣折射成的光圈,景象猶為壯觀。如果當天日面上黑子較多,還可能出現金星掩太陽黑子的現象,使凌日的過程更加有趣。

在我國的大部分地區,凌日大多從13點左右開始。整個凌日過程將持續6個小時。太陽向西方地平線緩緩沉去,金星就要移出日面了。在出凌時,也要像入凌一樣把兩個切點位置標出。在我國,有很大一部分地區都很難看到完整的出凌,但帶凌的日沒也是一個很好的景觀。如果太陽的光被霧氣消減得過多,可以利用目視觀測。隨著天色暗下來,觀測活動也接近了尾聲。

入凌和出凌

金星入凌和出凌時,細心的觀察者可能會發現所謂的“黑滴”現象。實際上,當我們對著光亮,將兩個手指逐漸靠近,當很接近的時候,可以發現儘管手指還沒有接觸,就能夠看到上下手指之間有陰影把它們聯繫了起來,像是手指間有水滴一樣,這就是所謂的“黑滴”現象。

在凌始內切和凌終內切時,即太陽邊緣和內行星邊緣互相靠得很近即將接觸時,會發現有非常細的絲將兩個邊緣連接,這就是凌日時的黑滴現象。成因是我們大氣層的視寧度、光的衍射以及望遠鏡“極限分辨率”的等多種作用造成的視輪邊緣的模糊。除此之外,在入凌和出凌階段,有時候金星視面邊緣會鑲上一絲極細的“暈環”或“光環”。這個“暈環”是由於金星大氣層頂部反射、散射陽光形成的。

視寧度指望遠鏡顯示圖像的清晰度。它取決於大氣湍流活動程度。肉眼所見星體的閃爍,一般認為是高層大氣湍流引起。望遠鏡清晰度不佳往往是低層大氣湍流所致。各層大氣湍流使大氣中產生密度不同的不穩定區域,使光線不能順利地直接通過並保持強度不變。

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金星凌日

五、相關文化

金星在我國古代稱為太白,早上出現在東方時又叫啟明、曉星、明星,傍晚出現在西方時也叫長庚、黃昏星。由於它非常明亮,最能引起富於想象力的中國古人的幻想,因此我國有關它的傳說也特別多。

在我國古典小說中,多次出現太白金星的傳奇故事,可見他的人氣之旺。在膾炙人口的《西遊記》中,太白金星就是個多次和孫悟空打交道的好老頭。

在與金星相關的眾多傳說中,最具有傳奇色彩的應該算是關於唐代大詩人李白的故事了。傳說李白的出生不同尋常,乃是他的母親夢見太白金星落入懷中而生,因此取名李白,字太白。長大後的李白也確有幾分“仙氣”,他漫遊天下,學道學劍,好酒任俠,笑傲王侯。他的詩,想象力“欲上青天攬明月”,氣勢如“黃河之水天上來”,無人能及。李白在當朝就享有“詩仙”的美名,後來更被人們尊為“詩中之仙”。

2019-1-10

星辰大海之旅(22)——金星(下)

金星

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金星

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水手10號拍攝的金星

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地球自轉方向示意圖

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金星

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金星

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金星

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金星

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