10億年前金星還存在液態水,現在變成地獄,木星或是罪魁禍首

天空之城 2020/10/14 檢舉 我要评论

金星一直以來吸引了很多關注,儘管主要是在科學界,因為上一部關於金星的好萊塢電影是在20世紀60年代上映。這在一定程度上是因為金星與地球的巨大差異,以及這種差異可能對系外行星研究意味著什麼。如果能更好地瞭解金星形成期間發生的事情,如何成為現在這樣地獄般的狀態,我們或許就能更好地理解是什麼真正構成了其他恒星周圍的宜居地帶。

這幾年,許多行星科學家都把重點放在金星的形成和大氣演化上。現在,一篇新的研究論文提出,就在10億年前,金星表面可能存在液態水,而導致水消失的一個因素可能是不太可能的罪魁禍首木星。有線索表明,木星實際上是從內太陽系遷移到目前的軌道上。像大釘子理論或尼斯模型這樣的理論,顯示了這種遷移的潛在路徑。加州大學河濱分校行星科學家斯蒂芬·凱恩(Stephen Kane)博士和合著者感興趣的是:這種遷移可能對金星產生了什麼影響。

因此,他們模擬了早期太陽系形成期間數十萬條木星的遷移路徑。有很多模擬場景,其中金星或其他類地行星被拋出太陽系,這些運行被丟棄。不過,金星軌道受到嚴重影響的情況也不勝枚舉。軌道的一種度量被稱為偏心度,它本質上是軌道的橢圓度。一些木星遷移模型產生金星的偏心率比其實際軌道大44倍。這一點很重要,因為金星目前的軌道是極圓的,偏心率很低。如果木星在早期太陽系中遷移模型導致金星有很高的偏心率,那麼這種偏心率去了哪裡呢?

木星遷移造成的影響

這個問題最耐人尋味的答案是它受到了液態水的抑制,液態水可以在很長一段時間內抑制軌道偏心率,因為它在行星表面的運動通過一種稱為潮汐消散的過程將其推入更規則的模式。潮汐消散的一個有趣的結果是,它可能會導致行星上的溫室氣體失控,然而,研究人員計算出,在年輕的金星上,情況最有可能並非如此。研究還排除了溫室效應失控的另一個潛在來源:照射到金星上的陽光。

但是模型顯示,雖然在金星高度橢圓形軌道的情況下,最大照射射太陽光會顯著增加,但它本身可能不足以造成溫室世界。然而,高度軌道偏心率對液態水有另一種影響,它們會讓它消失。這是一個分兩步走的過程:首先,高度偏心軌道會導致顯著的季節性變化,當金星離恒星較遠時,會將水凍結成雪或冰層,或者當行星離恒星更近時,會將水蒸發成雲。雖然這顆行星距離恒星很近,但它也受到顯著增加紫外光的影響。

這種紫外光具有分解水分子的附加作用,只留下元素氫和氧。然後,較輕的氫可以很容易地被太陽風從行星大氣層中剝離,永遠不會重新組合成水。蒸發到大氣中的水蒸氣,實際上是一種比現在金星大氣中存在的二氧化碳更有效的溫室氣體。在它被從紫外線和太陽風的組合中剝離出來之前,它可能已經在地球上造成了一個被稱為「潮濕溫室」的時期。這也可能是金星大氣中二氧化碳上升的原因,因為降水是碳酸鹽-矽酸鹽迴圈的關鍵組成部分。

地球的潛在影響

碳酸鹽-矽酸鹽迴圈使二氧化碳被困在地球構造板塊中。對於這些提出的金星演化理論,還有一些額外的問題。例如,如果金星上有如此多的水,那麼當氧氣從水分子中剝離時,所有的氧氣都去了哪裡呢?凱恩博士也是一個科學團隊成員,該團隊希望在不久的將來將著陸器送到金星上,以測試自由基氧可能與之結合的表面是否存在氧化物,從而回答這個問題,除了水之外,金星軌道偏心率減弱還有其他潛在原因。

一個潛在的影響是地球本身。為了測試情況是否如此,研究人員希望更多地瞭解所謂的米蘭科維奇週期,這是地球軌道參數週期性變化的模型。如果地球對金星有抑制作用,那麼從金星軌道模式中移除的動能就會被地球吸收。地球軌道能量的這種戲劇性變化,將在動量轉移發生的那個紀元周圍以完全扭曲的米蘭科維奇週期表現出來。雖然到目前為止還沒有任何資料支援這一理論,但未來的古氣候研究可能會闡明地球本身是否帶走了金星的一些偏心。

但是,對於這種偏心的最初原因,目前最好的估計仍然是木星的遷移。如果木星這顆氣體巨星的遷移碰巧將金星推入了它所遭受的溫室失控狀態,這對我們可能發現的任何圍繞其他恒星運行的金星類似物都有重大影響。隨著人類探測這些系外行星的儀器變得更加精確,我們很可能會發現更多像金星這樣的行星。瞭解太陽系中這類行星的唯一模型到底發生了什麼,對於理解恒星的宜居地帶變得更加重要。

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