科学家实验室里复制金星环境

2010-8-08 12:33 来源: 新浪科技
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在模拟金星环境下样品的热红外照片

模拟金星环境下存放二氧化碳样品的容器

  北京时间8月8日消息,据国外媒体报道,科学家正努力在实验室里复制金星上的环境,以便更好的解读从这颗行星获取的地表和大气数据。对于金星环境演化过程的研究将有助于外空生物学家更好地理解地球的气候系统,以及岩石行星的可居住性。

  科学家通过分析行星光谱,可以获取有关这一行星大气和表面的信息。光谱是不同物质对于光线反射或吸收程度的不同。通过分析这些不同,科学家可以反推出每一种光谱特征代表的是何种物质或环境。然而,当科学家们对金星的光谱金星分析时却遇到了麻烦——金星是太阳系中温度最高的行星,这严重影响了数据的解读。

  金星和地球常常被誉为太阳系里的双胞胎,因为他们质量、大小,甚至位置都最为接近。但是金星这颗距离太阳第二近的大行星显然和地球走了完全不同的演化道路。如今,金星地表炙热难耐,温度高达480摄氏度,而其表面压力也高达90倍地球大气压强。这样恶劣的环境让科学家了解其低空大气和地表信息的努力困难重重。

  “遥感,尤其是红外线观测,使我们得以穿透云层,看到大气的最深处以及金星表面,”哈肯·思维汉姆(Hakan Svedhem)说,他是欧空局金星快车探测器的项目科学家。“在地球上,我们了解大气中的吸收线,因此我们可以进行相应的计算。然而金星上的极端高温高压让观测变得非常复杂。我们不清楚这样的环境会对光谱线造成何种影响,在这种情况下,我们不可能精确地解译这些光谱数据。”

  为了突破这一数据分析瓶颈,来自欧洲几个国家的科学家聚集到一起。他们计划在实验室重现金星上的极端环境,并就其对光谱数据产生的影响进行分析。这些数据来自欧空局金星快车探测器搭载的设备,比如可见光与红外线热成像分光计(VIRTIS)。

  在位于德国柏林的行星辐射实验室内,研究人员赫尔伯特(Joern Helbert)和他的同事们试着将岩石和尘埃加热至500摄氏度。随着温度上升,这些物体开始发光,开始是在红外波段,接着是在可见光波段。因为不同物质在不同波段的辐射强度不同,这些差异可以被用来辨别行星表面不同的岩石类别。

  “高温改变了物质内部结构,因此一些变得更亮,另一些则变得更暗,”赫尔伯特说。“我们研究这一课题已有三年时间,我们使用一种特质的装置,将样品在一个不锈钢容器内加热。这让我们得以迅速加热样品并稳定地保持这样的温度。我们已经在实验室对玄武岩、赤铁矿和花岗岩的光谱进行了分析,我们可以用这些数据与VIRTIS的数据进行比对。”

  有了这些新的实验室数据,赫尔伯特的小组希望得以了解金星上的矿物分布以及地质历史的信息,包括近10亿年以来不断发生的岩浆喷涌现象,岩浆的大量涌出导致金星的整个地表被不断的改观。

  对一个以二氧化碳为主的大气层的理解是另一个挑战。金星的低空大气可能是一个焖烧锅,温度甚至高于家用壁炉的两倍。而金星地表反射的光线则必须经过这层致密而超高温的气体层才能抵达金星快车上的观测设备。

  二氧化碳困住了绝大部分来自地面的红外辐射,这造成了失控的温室效应。但是其光学机理仍然没有被完全理解,尤其是在某些波段,金星大气层几乎是透明的。科学家们希望理解大气层是如何吸收来自地面的辐射的,以及在哪些波段对金星低空大气和表面金星观测是最清晰的。只有这样,科学家们才有可能真正理解获取的光谱数据并正确解译,也才能揭示更多金星浓密大气覆盖下表面的细节和秘密。

  为了弥补认识上的不足,一个由古塞皮·皮塞欧尼(Giuseppe Piccioni)率领的小组正试图在实验室模拟金星的大气层。他是金星快车VIRTIS设备的首席科学家。他们的研究在位于意大利首都罗马的国家天体物理研究院进行,内容包括研究在接近金星那样的高温高压下,二氧化碳光谱线的变化。

  “我们使用精心设计可以抵挡超高温的容器装入二氧化碳,” 皮塞欧尼说。“然后我们使用精度很高的光谱仪进行测量,以期获得这种气体的吸收线数据。”

  这种极度枯燥的实验室工作目前仍在进行,但一旦他们锁定了光谱中清晰的窗口波段,那么科学家们将第一次有能力描绘出金星低层大气中温度和气体的三维分布模型。

  这一实验的突破将带来解决一系列重大问题的希望,使我们更好地理解金星大气的动力机制和组分。包括金星上神秘的4天环流(指金星大气中的超高速风现象,比金星自转速度快60倍以上,4天绕全球一圈)、极地漩涡以及水汽和其他微量组分的分布情况。

  这些研究的进展,已经在7月18~25日于德国不莱梅举办的国际空间研究委员会(COSPAR)会议上进行了介绍。