科学家发现地球的双胞胎 - 金星几乎没有水的原因

研究人员发现，由于氢原子逃逸到太空中的"解离重组"过程，金星失去的水比以前想象的要多得多。科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家们发现了金星--地球滚烫且不适合居住的邻居--是如何变得如此干燥的。

由于水以氢原子的形式流失到太空中，金星如今十分干燥。在主要的流失过程中，HCO+ 离子与电子重新结合，产生速度极快的氢原子（橙色），这些氢原子利用 CO 分子（蓝色）作为发射台逃逸。资料来源：Aurore Simonnet / 科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室

这项新研究填补了研究人员所谓的"金星上水的故事"中的一大空白。研究小组利用计算机模拟发现，金星大气中的氢原子通过一种被称为"解离重组"的过程呼啸着进入太空，导致金星每天流失的水量大约是之前估计的两倍。

研究小组于 5 月 6 日在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。这些结果有助于解释银河系中许多行星上的水是如何形成的。

大气与空间物理实验室（LASP）的研究科学家、新论文的共同第一作者埃林-坎吉（Eryn Cangi）说："水对于生命来说真的很重要。我们需要了解宇宙中支持液态水的条件，这些条件可能产生了今天金星非常干燥的状态。"

她补充说，金星确实很干。如果把地球上所有的水像涂果酱一样涂在地球上，只会得到一个大约 3 公里（1.9 英里）深的液体层。如果在金星上做同样的事情，由于所有的水都被困在空气中，最终只有3厘米（1.2英寸）深，勉强够把脚趾弄湿。

这项研究的共同第一作者、LASP 的研究科学家迈克尔-查芬（Michael Chaffin）说："金星的水量比地球少 10 万倍，尽管它的大小和质量基本相同。"

在目前的研究中，研究人员使用计算机模型将金星理解为一个巨大的化学实验室，放大金星漩涡状大气中发生的各种反应。研究小组报告说，金星大气层中一种名为 HCO+（由氢、碳和氧各一个原子组成的离子）的分子可能是金星逸出水的罪魁祸首。

对于这项研究的共同第一作者坎吉来说，这些发现揭示了新的线索，即为什么金星可能曾经看起来与地球几乎一模一样，但今天却面目全非。

坎吉于 2023 年在中大博尔德分校获得了天体物理和行星科学博士学位，她说："我们正试图弄清每颗行星上发生了哪些微小的变化，促使它们进入这些截然不同的状态。"

她指出，金星在历史上并不总是像现在这样的沙漠状态。科学家猜测，数十亿年前，在金星形成的过程中，金星获得了与地球差不多多的水。不知何时，灾难降临了。金星大气层中的二氧化碳云团引发了太阳系中最强大的温室效应，最终使地表温度升高到华氏 900 度。在这个过程中，金星的水全部蒸发成了蒸汽，大部分飘散到了太空中。

但这种古老的蒸发无法解释金星为什么会像今天这样干燥，也无法解释它是如何不断向太空流失水分的。

"打个比方，如果我把水瓶里的水倒掉。还会剩下几滴水，"Chaffin 说。"然而，在金星上，几乎所有剩余的水滴也都消失了。根据这项新研究，罪魁祸首就是难以捉摸的 HCO+。"

查芬和坎吉解释说，在行星高层大气中，水与二氧化碳混合形成这种分子。在之前的研究中，研究人员报告说，HCO+ 可能是导致火星失去大量水分的原因。

金星上的工作原理如下：大气中不断产生 HCO+，但单个离子存活时间不长。大气层中的电子会发现这些离子，并重新结合，将离子一分为二。在这个过程中，氢原子被拉走，甚至可能完全逃逸到太空中--夺走了金星水的两个组成部分之一。

在新的研究中，研究小组计算出，解释金星干燥状态的唯一方法是金星大气中的 HCO+ 含量超过预期。研究小组的发现有一个转折点。科学家们从未在金星周围观测到过 HCO+。Chaffin和Cangi认为，这是因为他们从未有过合适的仪器进行观测。

近几十年来，已经有数十次任务访问了火星，但前往距离太阳第二颗行星的航天器却少得多。没有一个航天器携带的仪器能够探测到 HCO+，而 HCO+ 正是研究小组新发现的逃逸路线的动力。

Chaffin说："这项工作令人惊讶的结论之一是，HCO+实际上应该是金星大气中最丰富的离子之一。"

然而近年来，越来越多的科学家将目光投向了金星。例如，美国国家航空航天局（NASA）计划进行的金星深层大气惰性气体、化学和成像调查（DAVINCI）任务，将把一个探测器穿过金星的大气层，一直投放到金星表面。它计划在本十年末发射。

DAVINCI 也无法探测到 HCO+，但研究人员希望，未来的任务可能会揭示金星上水的另一个关键部分。

"前往金星的任务并不多，但新计划的任务将利用数十年的集体经验和人们对金星的浓厚兴趣，探索行星大气、进化和宜居性的极端情况。"

编译来源：ScitechDaily