金星如何变成地狱？23.4万模拟揭示四种路径|地幔|太阳系|星系|模拟|系外行星|金星

金星如何成地狱？模拟揭示四种可能演化路径

金星的全球表面视图。图片来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室

金星正日益成为我们研究系外行星的切入点，因为像詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）和计划中的宜居世界天文台（HWO）这样的任务开始对其他恒星周围的岩质系外行星进行特征描述。了解金星和地球演化的差异——两者最终结果截然不同——是理解我们观测到的究竟是类地行星还是像金星那样的地狱般景观的关键。华盛顿大学的RodolfoGarcia及其同事撰写的一篇论文（已在arXiv上以预印本形式发布）模拟了金星作为太阳系一部分的45亿年演化过程，试图理解其中的一些差异。

为了进行这项模拟，他们使用了一款名为VPLanet的开源软件，该软件允许他们改变行星形成的大量初始条件以及这个不断变化的世界的物理参数。Garcia先生和他的合著者们在虚拟行星实验室（VPL）工作期间，通常会使用这款软件研究行星演化，因此他们熟悉这些模型的运作方式，包括针对系外行星的模型。

在这个特定案例中，他们运行了234000次时长为45亿年的模拟，这些模拟基于一个主要假设——金星一直处于停滞盖层构造体制，这意味着其地壳从未像地球那样分裂成移动的板块。该模型本身结合了行星的内部、岩石圈（即地壳）和大气，作者选择了三个约束条件来模拟现代金星的环境。

弗雷泽制作了一整段关于金星板块构造及其重要作用的图片。

首先，大气二氧化碳的分压必须约为92巴；其次，大气水的分压必须约为3毫巴；第三，行星的磁矩必须小于地球磁矩的十万分之一——这是完全没有活跃核心发电机的一个替代指标。在他们运行的23400次模拟中，只有808次（即0。35％）成功复现了这些结果。

那些成功的模拟可以被分解为四种不同的演化路径。到目前为止，最常见的是常规情景。在这种情况下，地幔和地核会随着时间的推移平稳冷却，这也是先前模型通常预测会发生的情况。大约72％的成功模拟运行属于这一类别。

另一种成功的路径（约占有效模型的18％）显示金星正在经历磁层消亡。在这些场景中，该行星地幔失去大量水分，导致脱水硬化现象。这进而降低了地幔的粘度，使构造板块的停滞盖层增厚。这阻碍了行星的内部热流，使得核心中的熔融岩石量降至1％以下。

弗雷泽探讨了为什么金星是一个如此值得探索的有趣行星。

10％的情景中，内核从未完全发育成熟。在这些模型里，驱动行星活跃发电机的固态内核从未超过核心总尺寸的80％——有些情况下甚至根本没有形成固态内核。最后一种情景包含一种罕见情况：行星在最初的5亿年里经历了剧烈的、振荡式的内部温度和属性波动，之后才稳定到当前状态。

根据该论文，行星的一些参数对于模拟是否能成功再现金星当前的环境起着关键作用。其中最关键的参数包括其初始地幔水含量、地幔粘度、脱水硬化强度、火山喷发效率以及地核的熔点。

那些场景和参数听起来可能都像是通往地狱的不同路径，但这项研究最有趣的部分或许是它的预测。根据该论文，在所有成功的模型中，金星都在其内部深处保留了大量的水——至少相当于地球上一整个海洋的水量。他们预测金星仍然具有地质活动性，只是活跃程度比其他一些模型预测的要低。

弗雷泽讨论了金星探索的未来。

一个可能很快被证实的预测是，金星在其早期生命中曾有过磁场。在88％的成功模拟中，情况确实如此，而且该磁场的残余可能被锁定在金星表面的岩石中。一个被派去扫描表面的探测器或许能够捕捉到该信号，并确定金星是否曾经有过活跃的地核。

幸运的是，有三项任务正准备探索我们的姊妹行星。未来几年内，金星将迎来三项任务的访问——DAVINCI和VERITAS均由美国国家航空航天局（NASA）牵头，EnVision则由欧洲空间局（ESA）管理。这些任务计划穿透浓密云层，绘制行星表面地图，并对大气进行采样以测量同位素比值。如果按计划推进，它们将能够开始验证本文中的一些预测，从而让我们更好地了解地球最近的邻居金星的历史与地球有何巨大差异。

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