2022年11月27日 星期日

姊妹行星的金星與地球命運為何分歧?火山活動可能是關鍵

金星最高火山Maat Mons的電腦模擬圖©NASA/JPL

現在的金星宛如炙熱的地獄,溫度高達464°C以上,足以融化鉛和探測器,這也就是為何只有1970年代,前蘇聯的幾架金星系列(Venera)探測器曾登陸並短暫運作。

但根據研究推測,古代的金星非常不同,其大氣層與古代的地球相似,表面可能有大量的水,甚至可能曾經存在過簡單的生命,但目前還沒有足夠的證據來證明或反駁這一點。

NASA 戈達德太空中心 Michael J. Way 博士的一項研究顯示,長期大規模的火山噴發可能使金星徹底改變的原因之一,而在同樣劇烈的火山活動下,地球非常僥倖地成為適居星球。這項研究以「大規模火山活動和陸地世界的熱寂」 (Large-scale Volcanism and the Heat Death of Terrestrial Worlds發表於《行星》期刊 (The Planetary Journal)。

從大型火成岩區(Large Igneous Provinces, LIPs)形成的時間與數量來看,地球在過去五億年中,可能經歷過持續數十萬年甚至數百萬年的長期火山噴發。一個 LIPs 可以沉積超過400,000立方公里的岩石,足以在整個臺灣上疊一座喜馬拉雅山,而地球上已知有許多LIPs,與氣候變化和大規模滅絕的時期吻合。

金星也經歷了大規模火山爆發,形成現代的大氣層以及極端溫度和壓力,在僅僅一百萬年裡,強烈的火山爆發就造成了失控的溫室效應,大氣阻止了熱量輻射至太空,在無法冷卻的狀況下,達到極端的高溫,就像一個關閉了所有通風口的溫室。

金星的溫室效應因缺乏板塊結構而更嚴重,而地球的板塊構造可以週期性地打開地幔,使內部熱量到達表面,也能使大氣中的二氧化碳透過風化和隱沒進入岩石層。

論文中表示,地球已經歷了五次大滅絕,每次滅絕都與火山活動的增加有關(部分學者認為第六次大滅絕已經開始,源於人類活動)。6,600萬年前的希克蘇魯伯(Chicxulub)撞擊事件是導致恐龍滅絕的二疊紀-三疊紀大滅絕主要原因,但火山活動扮演了重要角色,而且一直是各次滅絕事件的主要驅動力。

但地球的火山活動卻沒有造成失控的溫室效應,生命也能在每次大滅絕後重新恢復,地球為何與金星如此不同呢?推測可能與火山噴發的規模有關。金星表面80%被凝固的火山岩覆蓋,大氣中的硫也是火山活動的明確證據,表面隕石坑比預期少,應該是過去幾億年中被活躍的火山活動所掩覆。

雖然地球倖免於金星的命運,但研究發現,地球只是僥倖地勉強過關。要連結地球歷史上的火山活動、撞擊和滅絕歷史非常困難,因為火山口會被地質作用抹去,科學家發現能創造 LIPs 的岩漿事件在地質時間尺度上通常很短暫,持續時間不到500萬年,也可能是幾千萬年內的一系列脈衝。雖然它們把大量的岩石推到地表,但它們排放到大氣中的化學物質是推動滅絕的原因。

大量的二氧化碳使地球的大氣層急劇升溫,而二氧化硫(SO2)則會加劇升溫。硫化氫(H2S)和一氧化碳(CO)等有毒化合物雖然也來自火山爆發,但數量很少。

地球的火山活動與金星相似,因為這兩顆行星的大小和內部構造非常相近,都是太陽系內部的岩質行星,有「姐妹行星」之稱。

在研究中,科學家根據已知的地球火山活動和 LIPs的情況,隨機模擬地球火山爆發的歷史,結果發現 LIPs 相距時間可能小於10-100萬年,比影響陸地環境持續的時間短。這表示 LIPs 事件會重疊,當地球還在清除從前一個事件所釋放到大氣中的二氧化碳時,另一起事件就釋放出更多的二氧化碳,這些夠多的事件串在一起,就會發生失控的溫室效應。

另一個重要關鍵是變異性,連續的 LIPs 是否彼此有因果關係?如果 LIPs 發生率變快,就會增加重疊或同時發生的可能性,更有助於產生失控的溫室效應。這就得從地球上持續時間最長的 LIPs 來評估了,若持續時間越長,與下一次事件重疊的可能性也越大。

研究發現,地球歷史記錄中最大的 LIP 與下一次類似規模(面積)事件重疊的機率大約是30%。但我們缺少金星的相關數據,不過在合理推想下,金星很可能是遭遇了重疊的 LIPs,導致其失控的溫室效應。

不過即將上路的金星探測任務將帶來我們所需要的數據。金星 VERITAS真相號,金星輻射率、無線電科學、InSAR、地形學和光譜學任務)是 NASA 正在開發的一個金星軌道任務,發射日期尚未確定,預計將以三年的時間,以雷達和近紅外光對金星表面進行高解析度成像和分析。可望為科學家提供有關撞擊、火山活動、和地質化學等詳細資訊。

另一個 DAVINCIDeep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging)金星深層大氣惰性氣體、化學和成像調查任務,也是 NASA 的金星探測任務,它配備了大氣探測器和軌道器,以瞭解金星大氣層及其表面的詳細資訊,尤其是金星上水的歷史,包括它消失的時間、以及金星氣候如何隨時間改變等,提供更多的線索。

DAVINCI 和 VERITAS 都將在2020年代末發射,其中 DAVINCI 將率先發射。

此外 ESA 也在規劃一項名為 EnVision 的金星軌道飛行任務,將於 2030年代初期發射。EnVision 也將研究金星大氣層,但它將更深入探測其內部結構。

地球在過去數十億年裡一直維持宜居條件,而金星則截然不同,如果金星曾出現過古老而簡單的生命,也早已消失。而 VERITAS、DAVINCI 和 EnVision 任務,可望讓我們對造成金星與地球命運分歧的真正原因有進一步的了解。

The Planetary Science Journal, 3:92 (11pp), 2022

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