廣告作在前邊，12月27號晚上19:30，徐家匯圖書館三樓報(bào)告廳，我有一場文明夜課的講座，標(biāo)題是“遠(yuǎn)古的地球什么樣？”。有興趣的小伙伴，可以來聽。

對了，我們的文明火種科學(xué)思維營又要開始招募了，這不又要放寒假了嘛。開營的時間是2025年的2月5~9號，地點(diǎn)是在北京，這個營特別適合9~13歲的孩子，您要想給孩子報(bào)名，可以到科學(xué)聲音的微信公號回復(fù)”火種營“或者是”科學(xué)營“都可以看到報(bào)名入口。當(dāng)然啦，您在科學(xué)有故事公號回復(fù)也可以。

好啦，廣告做完啦，咱們還是書接上文。上文書講到水手10號通過特殊的軌道3次掠過水星，拍攝了大量的照片，而且還發(fā)送回了大量的數(shù)據(jù)記錄。我們?nèi)祟惖谝淮魏途嚯x太陽最近的水星有了一個親密的接觸。要知道，水星太靠近太陽了。探測器從地球飛進(jìn)內(nèi)太陽系是一個勢能減少，動能增加的過程，因?yàn)橐獪p速就太難了，所以這一次水手10號還專門利用路過金星的機(jī)會實(shí)現(xiàn)了拐彎和減速。這個軌道設(shè)計(jì)的十分巧妙。

水手10號拍攝的水星

不過呢，水手10號僅僅掃描了水星表面的45%，還有大片地區(qū)沒有掃到。而且分辨率也不行。一個像素對應(yīng)著地表的20公里見方。精細(xì)掃描的圖像，一個像素代表140米見方。測量的其他數(shù)據(jù)，精確度也不算高，但是在當(dāng)時來講，也已經(jīng)很可貴了。最起碼確定了幾點(diǎn)，首先就是水星的密度大得嚇人。這說明水星有一個非常大的鐵質(zhì)內(nèi)核。

我們內(nèi)太陽系有4顆巖石行星。地球是最大的一個，密度達(dá)到5.51克/立方厘米，排第二的就是水星，密度達(dá)到5.43，接下來是金星，密度是5.24，火星就小的可憐，只有3.93。地球上密度最大的巖石是榴輝巖密度大概是在3.6~3.9之間。大理石的密度只有2.5左右，和玻璃差不多。所以石頭看上去很重，其實(shí)密度并不算大。

所以啊，這些星球的密度普遍比石頭大，這就說明，巖石星球的核心具有密度更大的鐵鎳成分，這樣就辦平均密度給拉大了。金星只比地球小一點(diǎn)，直徑是地球的95%，如果等比例縮放，總質(zhì)量應(yīng)該是地球的85%，但是金星的總質(zhì)量只有地球的81.5%，所以金星比地球的密度略略小了一點(diǎn)。這是為啥呢？道理很簡單，地球的引力大，因此就有能力把自己的這個球捏得更“瓷實(shí)”一點(diǎn)，密度也就大了一點(diǎn)。

水星的內(nèi)核顯得非常大

水星比火星還小，密度卻比火星大得多，這就顯得有些奇怪了，這說明水星擁有一顆大得出奇的鐵鎳內(nèi)核，這個巨大的核心占了總質(zhì)量的60%，跟月亮差不多大，外邊再包上一層700公里厚的巖石層。這就是水星的基本結(jié)構(gòu)。

上一次我們也講過，水星的磁場非常弱，大約是地球的1%，但是水星的磁場卻是一個比較標(biāo)準(zhǔn)的偶極場，也就像條形磁鐵一樣，擁有比較對稱的南北極。這么規(guī)范的磁場，必然是由于內(nèi)核還能像發(fā)電機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)，這說明水星的內(nèi)核必然含有液態(tài)分層。

我們知道行星的內(nèi)核都是一個高溫高壓的世界，高壓傾向于把內(nèi)核變成固體，高溫傾向于把物質(zhì)熔融成液體。在地下高溫高壓的環(huán)境，究竟是那種因素占了上風(fēng)，那就不一定了。所以行星的內(nèi)核往往是分層的，水星內(nèi)核也不例外。內(nèi)核的外部是熔融狀態(tài)，但是內(nèi)部就是固態(tài)了。

正因?yàn)樗堑膬?nèi)核大得不成比例，因此才有人懷疑，水星是一顆更大行星的內(nèi)核，后來在撞擊之下，巖石外殼被炸飛了，最后是一層薄薄的碎渣子包裹在鐵鎳核心之上，才形成了如此薄皮兒大餡兒的水星。不過呢，這個猜想也有問題。如果當(dāng)年巖石外殼被炸飛了，和現(xiàn)在水星表面的巖石成分對不上。

原行星盤

當(dāng)然啦，最新的研究提出了一個新的設(shè)想，太陽系形成的時候，來自于一大團(tuán)的塵埃和云氣，在引力作用下開始收縮。中間凝聚出一個巨大的氣球，這就是太陽。周圍繞著旋轉(zhuǎn)的塵埃和氣體形成了各種行星。這個過程，物質(zhì)也是分層的，越是靠近太陽，密度大的塵埃顆粒就越多，揮發(fā)性的物質(zhì)就越少。所以在靠近太陽系的地方形成了巖石行星。但是這個過程之中，我們不能忽視太陽磁場的作用。磁場也會吸引含磁性的鐵鎳礦物，把這些物質(zhì)聚集到太陽附近。越是靠近太陽，這些物質(zhì)就越多。因此水星形成那么重的一個內(nèi)核也是理所應(yīng)當(dāng)?shù)摹?/span>

當(dāng)然啦，要驗(yàn)證這個理論，就必須找到另外一個太陽系，看看靠近它們那個太陽的是不是也有密度很大的巖石行星存在。這些事兒，只能留給科學(xué)家去處理了。現(xiàn)在也還沒有定論。

既然水星的內(nèi)核如此之大，而且時至今日依然還有活力，還沒有冷凝，想來在水星歷史上，火山爆發(fā)是很多的。但是水手10號發(fā)現(xiàn)水星表面坑坑洼洼的，既然經(jīng)常火山爆發(fā)，為啥看不到巖漿溢流造成的大面積平原呢？這讓科學(xué)家門困惑不解。后來才發(fā)現(xiàn)，這是一場誤會，純粹是因?yàn)榉直媛时容^差，照片比較糙，很多平原看不出來。日后信使號探測器發(fā)回來高清晰度照片，就會發(fā)現(xiàn)水星上巖漿平原其實(shí)比比皆是。

穿過環(huán)形山的懸崖必定是撞擊以后產(chǎn)生的

當(dāng)然，水星按理說沒有多少板塊運(yùn)動，但是水星表面有長長的條紋，這些條紋甚至可以長達(dá)幾百公里，有的是懸崖，有的是深溝，有的是一條鼓起來的山脊。圓形的火山口很好理解，就是火山噴發(fā)造成的額，隕石坑也很好理解，就是隕石砸的。這些溝溝坎坎是怎么來的呢？

所以，科學(xué)家們推測，這些溝溝坎坎都是因?yàn)樗窃谑湛s，導(dǎo)致表皮上出現(xiàn)了皺紋。按照水手10號發(fā)送回來的數(shù)據(jù)，水星一邊冷卻一邊收縮，直徑起碼少了2公里多。根據(jù)后來觀測的數(shù)據(jù)，哪里是2公里多啊，水星的直徑起碼縮小了11公里，難怪表面有那么多皺紋呢。

水星表面的溫差很大，曬太陽那一面溫度甚至可以飆升到450度，背面可以冷到零下212度。按理說，水星表面是不可能存在水的，但是，水星南北極有些隕石坑的坑底永遠(yuǎn)也曬不到太陽，所以有可能存在水冰。反正科學(xué)家用雷達(dá)波探測水星的南北極，發(fā)現(xiàn)了很強(qiáng)的回波信號，到在這些隕石坑的底部有些啥，我們現(xiàn)在也不知道，但是這個現(xiàn)象很不尋常。

對了，說到雷達(dá)波，科學(xué)家們還用雷達(dá)波探測到了水星的自轉(zhuǎn)速度，因?yàn)槔走_(dá)波信號被水星旋轉(zhuǎn)的表面所反射，造成多普勒頻移，從這個信號就可以計(jì)算出水星的轉(zhuǎn)速。過去大家認(rèn)為，水星應(yīng)該被太陽潮汐鎖定了，也就是一個面永遠(yuǎn)朝著太陽。自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期應(yīng)該保持一致，是88天。但是科學(xué)家們通過對雷達(dá)波的研究，發(fā)信啊水星的自轉(zhuǎn)周期是59天，而不是88天。也就是說，水星的自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期呈現(xiàn)3:2鎖定。自轉(zhuǎn)3圈，公轉(zhuǎn)2圈。

雷達(dá)回波和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

我們地球自轉(zhuǎn)一圈只要一天，水星卻需要59天，而且自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相差不大，因此水星上的日出日落可不是自轉(zhuǎn)一圈的時間，而是足足88個地球日。而且水星的軌道偏心率也很大，這種特性也就造成了非常極端的現(xiàn)象。比如你就站在卡路里盆地之中，太陽剛從盆地邊上爬上來的時候，看上去不算大。盡管如此，也比地球上看大兩倍多了。

然后呢，太陽就會逐漸的變大，運(yùn)行逐漸變慢，中午時分，太陽就停留在了卡路里盆地的正上方，幾乎停住不動了。運(yùn)行速度極慢，這時候的太陽幾乎有臉盆那么大，卡路里盆地的溫度越來越高，甚至可以達(dá)到420度以上。巖石縫隙里甚至?xí)俺鰳O少量含有鉀和鈉的氣體。然后呢，太陽逐漸越來越斜，也越來越小，最后逐漸落山了，卡路里盆地突然陷入一片黑暗。

水星上沒有大氣層，也就不存在什么晚霞余暉，要黑就是突然變黑的。從日出到日落，足足88個地球日。水星的自轉(zhuǎn)軸差不多垂直于自己的軌道面，因此水星幾乎沒有什么四季交替，陽光直射點(diǎn)幾乎不會南北移動，總是停在赤道附近?？防锱璧匾?yàn)榍『每偸窃陉柟庵鄙潼c(diǎn)上，也因此變成了一個極端暴熱的地方，大家知道為啥叫卡路里盆地了吧，卡路里不就是熱量的意思嘛。

卡路里盆地的直徑達(dá)到1500公里

總之水星是一顆非常奇特的行星。人類拜訪水星的機(jī)會非常少，所以這么多年來，進(jìn)展也不是太大。

好啦，我們還是扯回來，蘇聯(lián)人在火星探測器遭遇到一連串麻煩的情況之下，還是把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了金星探測上。你別說，蘇聯(lián)人在金星探測上成功率還是蠻高的。1975年6月份，蘇聯(lián)接連發(fā)射了金星9號和10號探測器。到了10月22號，金星9號發(fā)動機(jī)制動點(diǎn)火成功。進(jìn)入了環(huán)繞金星運(yùn)行的軌道，繞一圈需要48.3個小時。由此，金星9號成了第一個進(jìn)入環(huán)繞金星運(yùn)行的探測器。

金星9號軌道器上邊裝了照相機(jī)，拍了7張金星云層的紫外圖像。前前后后一共拍了17張照片，分辨率達(dá)到了6.5公里。探測器上的其他儀器還研究了云層的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)金星的云層起碼分3層。距表面50公里以下為下層，除了有二氧化碳和水蒸氣外，還有氫氟酸。距星面50～100公里高度就是最濃密的云層了，也最亮，主要由硫酸液滴組成，還有少量鹽酸、氫氟酸和氟硫酸等等，反正都不是好惹的玩意兒，把你的衣服燒幾個大洞是沒問題的。距星面100～500公里就是上層稀薄大氣了，在太陽風(fēng)、宇宙射線這些高能帶電粒子的作用下被氣體被電離而形成電離層。

所以，金星大氣也是有電離層的，金星幾乎沒有磁場，但是太陽風(fēng)帶電粒子和金星的電離層相互作用，居然也搞出了一個離子尾。這一點(diǎn)倒是比較奇特。

金星9號的著陸器落地過程

金星9號還釋放了一個著陸器，這一次著陸器也沒有掉鏈子，這個著陸器以20~30度的角度一頭扎進(jìn)了金星大氣，著陸器大開了3個直徑2.8米的小降落傘，進(jìn)過20分鐘的氣動減速，著陸器就把降落傘給扔了。著陸器本來是個球形，現(xiàn)在把外殼拋棄了。內(nèi)部的探測器下面伸出幾個支架，這是用來緩沖用的。頂上有一個圓形的寬邊草帽一樣的結(jié)構(gòu)，用這個東西來減速就足夠了。

因?yàn)榻鹦谴髿庾銐虺砻?，探測器的落地速度也不算快，當(dāng)然啦，這個著陸器為了拍照光線好，必須在金星的亮面著陸，但是地球上恰好看不見，無線電信號就必須靠軌道器來轉(zhuǎn)播。從進(jìn)入大氣層到著陸以后的所有數(shù)據(jù)都要發(fā)給金星9號軌道器。軌道器把這些都錄到磁帶上，等飛到能看見地球的位置，再用無線電信號發(fā)送回地球。

金星9號傳回了第一張金星表面照片

在著陸器落地以后，在高溫高壓環(huán)境下，探測器足足撐了53分鐘，探測器內(nèi)部的溫度飆升到了60度，儀器停止工作，這家伙已經(jīng)算是夠堅(jiān)挺的了。探測器從金星表面發(fā)送回了第一張表面照片，本來應(yīng)該是360度全景，但是因?yàn)橛幸粋€攝像管蓋子沒打開，所以只拍下來180度，盡管如此，也已經(jīng)是人類的一次突破了。

從照片上看，著陸器落在了一個斜坡上，整個有探測器傾斜了15~20度。周圍有很多大石頭，測一測這些石頭的密度，大概是2.8克/立方厘米。應(yīng)該說玄武巖。而且著陸器上的放射性探測器也檢測到了石頭的放射性，沒錯，應(yīng)該就是玄武巖啦。玄武巖在太陽系已經(jīng)司空見慣，到處都有這東西。這些巖石看上去沒有什么歲月的滄桑，應(yīng)該都很新的。這說明，降落地點(diǎn)是一個地質(zhì)活躍的山地。

金星9號著陸器的藝術(shù)繪畫

3天以后，金星10號也到了。這個探測器也很順利。軌道器進(jìn)入了環(huán)繞金星的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道，同時釋放了著陸器，著陸器降落在了距離金星9號著陸器2200公里的地方，周圍也都是大石頭，這個著陸器足足堅(jiān)持了65分鐘，360度的全景相機(jī)也是有一個鏡頭蓋沒打開，只能拍180度的照片?？磥磉@個一批相機(jī)品控有問題，都有缺陷，而且還是同一個缺陷。

蘇聯(lián)人根據(jù)上次金星8號的經(jīng)驗(yàn)，陽光大部分都被云層反射了，能夠照射到地面的，只有5~10%，所以蘇聯(lián)人在著陸器上安裝了照明燈，蘇聯(lián)人想的還是挺周到的。不過呢，這一次太陽角度比較高，光照還算充足，也就是說不開燈也能拍清楚。

金星10號著陸發(fā)回的照片

不管怎么說把，蘇聯(lián)人終于搶在美國人之前，把探測器扔到了另一顆行星的表面。蘇聯(lián)人探測金星總是比探測火星做得更好。有可能是因?yàn)榻鹦怯谐砻艿拇髿?，減速比較省事。如果是像月亮這樣，完全沒大氣，索性從頭到尾都用火箭反推，那倒也簡單。

火星就太麻煩了，盡管火星大氣稀薄，你也依然不能當(dāng)它不存在。但是你要說它頂用吧，它是真的不頂用。反正是降落傘和反推火箭全都要用。這兩者之間的銜接問題就很麻煩，容易出幺蛾子。

金星9號和10號的軌道器還聯(lián)合對金星表面進(jìn)行了雷達(dá)掃描。只有靠雷達(dá)才能穿透層層迷霧，看透金星表面的各種地形。但是這只是實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，掃描范圍并不大，但是分辨率還不錯，跟地球雷達(dá)衛(wèi)星的掃描精確度差不多。這兩個探測器對金星上一個寬200公里，長1200公里的區(qū)域進(jìn)行了一維掃描。金星10號還對5個小區(qū)域進(jìn)行了2維掃描，可以形成長條狀的雷達(dá)圖像，金星的地形起伏可以看得清清楚楚。這就為日后解開金星溫室效應(yīng)為什么失控這個迷提供了線索。

3個月后，因?yàn)闊o線電故障，這兩個探測器就和地球失去了聯(lián)系。金星9號和10號的任務(wù)就此結(jié)束。

水手10號拍攝的金星

金星和地球的早期階段，應(yīng)該是很類似的。在40億年前的太古宙，地球大氣層之中的二氧化碳含量是現(xiàn)在的10~2500倍，甲烷的含量是現(xiàn)在的100~1000倍。氮?dú)獗痊F(xiàn)在略少一點(diǎn)，氧氣幾乎是沒有的。那個時代的地球大氣成分和今天的金星很相似。

即便是到現(xiàn)在，真要把地球和金星上的二氧化碳總量做個對比，也依然是差不多的。只是金星很多二氧化碳在大氣之中，地球上的碳元素更多的是以碳酸鹽的形式變成了固體，不在大氣之中。

我們再推測一步，為啥地球很金星的二氧化碳數(shù)量差不多呢？因?yàn)榈厍虮緛砭透鹦遣畈欢啻蟆＿@些二氧化碳是當(dāng)初行星形成的時候，從太陽系原始材料庫里面分配來的，周圍大環(huán)境幾乎是一致的。

那么，為啥地球上就有藍(lán)天白云，金星上到處都是硫酸云呢？這個差異是怎么造成的呢？我們下回再說。