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国家空间科学中心|可能存在外星生命的金星，大气中主要有点啥？

【国家空间科学中心|可能存在外星生命的金星，大气中主要有点啥？】＂
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作者：王铮
中国科学院国家空间科学中心
空间天气学国家重点实验室
最近 ， 根据新闻报道 ， 一个由麻省理工学院（MIT） ， 曼彻斯特大学（UoM）和卡迪夫大学（CardiffUniversity）人员组成的研究团队 ， 借助位于智利ALMA阵列和夏威夷的麦克斯韦望远镜 ， 在金星的大气层中发现了磷化氢（PH3） ， 许多天体生物学家将磷化氢视为“生物标志” ， 也就是说这里可能存在着生命的迹象 。
根据新闻中的介绍 ， 磷化氢本身有一条独特的“吸收谱线” ， 可以让射电望远镜在波长约1毫米的情况下分辨出来 。 这种气体主要在金星中纬度地区上空大约50-60公里的高度观测得到 ， 其浓度很小（每10亿个大气分子中只有10-20个） ， 但其存在意义重大——“磷化氢”主要由三个氢原子和一个磷原子组成 ， 在地球上只有两种方式形成 ， 一种是在工业生产过程中人为产生 ， 另一种则产生于动物和微生物身上某种生理机制 ， 像是在獾的内脏、企鹅的粪便或其他动物的肠道中 ， 就存在磷化氢 。
国家空间科学中心|可能存在外星生命的金星，大气中主要有点啥？
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日本拂晓号金星探测器拍摄到的金星大气的伪彩色图像（JAXA/图 ， https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/12473852074/1000）
然而 ， 金星上至今没有观察到生物 ， 更没有工厂 ， 怎么会有“磷化氢”的存在？这也是为什么报道中称这一发现表明“可能存在着生命的迹象” 。 不过科学家们目前仍保持异议的态度 ， 谁也不能保证它们不是来自其他过程 。
金星很早就被观测发现有厚重的大气 ， 但这颗星球远在地球数千万公里之外 ， 去一趟非常不容易 ， 其中含量很低的成分确实非常难测量 。 那么 ， 就我们目前所知 ， 金星大气主要的成分有哪些呢？
有很多方法可以分析遥远金星的大气 ， 比如从地球上分析看到的途径金星大气的光的谱线 ， 或者用探测器飞到附近实际测量 ， 等等 。 金星不发光 ， 所谓的与金星有关的光可能是其背后的太阳/星星发出来的 。 根据计算 ， 金星的大气层中96.5%都是二氧化碳 ， 氮只占大约3.5% ， 其他的微量气体微乎其微 。 地球大气层可是有78%是氮 。 不过 ， 金星的大气层太浓太厚了 ， 计算下来 ， 金星大气中氮的总含量依然是地球大气中含量的约4倍 。
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金星大气成分比例示意图（来源：https://bkimg.cdn.bcebos.com/pic/f703738da9773912423aa7a4f8198618377ae2d3?x-bce-process=image/watermark,image_d2F0ZXIvYmFpa2U4MA==,g_7,xp_5,yp_5）
金星的大气层内包含少量的让人感兴趣的化合物 ， 其中包含一些以氢为主的化合物 ， 例如氯化氢和氟化氢 。 其他还有一氧化碳、水蒸气和氧分子等等 。 氢原子在金星大气层中的数量相对较少 ， 因此理论上大量的氢被认为消失在太空中 ， 而剩余的氢绝大多数形成硫酸（H2SO4）和硫化氢（H2S） 。
金星大气层中大量的二氧化碳和水蒸汽、二氧化硫等气体造成金星表面剧烈的温室效应 ， 吸收了大量来自太阳的辐射能 ， 使金星表面温度大约有500℃ 。
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金星表面的艺术图（来源：https://fineartamerica.com/featured/artwork-of-lava-flows-on-the-surface-of-venus-ludek-pesek.html）
构成金星大气的固然是这些气体 ， 但从微观角度讲 ， 我们还应该认识到金星大气中大量存在的物质状态——等离子体 。
在太阳辐射的作用下 ， 金星大气层中的分子可以分解成带电的电子和离子 ， 这些带电粒子的正负电荷相等 ， 混合在一起 ， 称为等离子体；这个化中性为带电的过程称为电离 ， 相应的等离子体富集区域称为电离层（与我们地球是相似的） 。 金星的电离层位于距离金星表面约120到300千米高处 。
金星的电离层总共可分为3层：120到130千米高的v1层、140到160千米高的v2层和200到250千米高的v3层 。 根据研究提出 ， 有可能在接近180千米高处还有另一层 。 最大电子单位密度是在接近日下点的v2层中 ， 达到3×1011m3 。 电离层的上部界线（电离层顶）位于距离金星表面的高度约220到375千米处 ， 并且分隔“诱发磁层”内的等离子体和来自行星的等离子体 。 v1和v2层中的离子主要是O2+ ， 而v3层则是O+ 。
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氧原子被光线电离的过程
（来源：https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11447826601/1000）
对于观测到的电离层 ， 气体分子强烈电离的状态只在金星昼间出现 ， 在夜间电子的浓度几乎是0 。 这种现象的原因在于太阳辐射作用下大气可以发生电离 ， 但也无时无刻不在发生离子和电子碰撞后的重新结合（复合） ， 只不过白天电离比复合作用更强 ， 但夜间没有阳光的电离 ， 只会任由复合作用“消灭”等离子体 。 这与我们熟悉的地球上的植物存在光合作用和呼吸作用是相似的 ， 白天光合作用强于呼吸作用 ， 植物整体上吸入二氧化碳、释放氧气 ， 但夜间只有呼吸作用的消耗 ， 是吸入氧气、释放二氧化碳 。 金星大气中的等离子体的产生和消失过程也可与之类比 。


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