金星表面風(fēng)的秘密：山區(qū)溫差幾乎不變

長(zhǎng)期以來(lái)，被厚厚云層籠罩的金星表面一直是太陽(yáng)系中最神秘、最難以直接觀測(cè)的環(huán)境之一，只有少數(shù)幾次著陸任務(wù)在極端高溫高壓下短暫傳回有限數(shù)據(jù)。如今，一項(xiàng)由索邦大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的新研究表明，即便在這樣數(shù)據(jù)稀少的條件下，科學(xué)家依然可以通過(guò)精細(xì)建模，從零散觀測(cè)中提煉出關(guān)于近地表風(fēng)場(chǎng)、溫度變化和沙塵輸運(yùn)的重要規(guī)律。

論文第一作者、索邦大學(xué)的Maxence Lefèvre帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，基于以往金星任務(wù)的測(cè)量結(jié)果，構(gòu)建了一個(gè)聚焦近地表風(fēng)和沙塵運(yùn)動(dòng)的區(qū)域性數(shù)值模型，目標(biāo)是為即將到來(lái)的新一代金星探測(cè)任務(wù)提供更貼近真實(shí)環(huán)境的“氣象預(yù)報(bào)”。研究將金星表面劃分為不同區(qū)域，區(qū)分高地（山地）與低地（平原）、熱帶與極區(qū)，逐一分析各自的溫度變化幅度、風(fēng)向風(fēng)速模式以及由此引發(fā)的揚(yáng)塵能力，而不再把整顆行星視作均一環(huán)境。

歷史數(shù)據(jù)來(lái)自曾成功在金星著陸的“金星號(hào)”（Venera）系列探測(cè)器，其觀測(cè)顯示，金星表面近地風(fēng)速大約只有每秒1米，遠(yuǎn)低于地球約20米/秒、甚至火星局部可達(dá)40米/秒的典型風(fēng)速。但由于金星大氣極其稠密，要將如此厚重的大氣加速到這些風(fēng)速本身就需要巨大能量，因此即便風(fēng)速數(shù)值不高，對(duì)地表溫度分布和沙塵懸浮的影響依舊顯著。

研究指出，金星的一晝一夜約相當(dāng)于地球的117天，這種超長(zhǎng)晝夜循環(huán)會(huì)在大氣中觸發(fā)劇烈但區(qū)域差異明顯的變化。在低緯度熱帶，高地地區(qū)白天時(shí)受太陽(yáng)加熱，近地風(fēng)沿山坡向上吹，被稱為“上坡風(fēng)”（技術(shù)術(shù)語(yǔ)為“順坡風(fēng)”或“anabatic風(fēng)”）；夜間地表通過(guò)紅外輻射冷卻后，冷空氣沿坡向下流動(dòng)，形成“下坡風(fēng)”（“katabatic風(fēng)”）。

這類晝夜風(fēng)向反轉(zhuǎn)不僅重塑局地風(fēng)場(chǎng)，還直接影響地表溫度起伏。論文計(jì)算顯示，高地受下坡風(fēng)導(dǎo)致的絕熱壓縮增溫影響，晝夜溫差被“鎖定”在不到1開爾文之內(nèi)，大幅抵消了夜間地表冷卻效應(yīng)；相比之下，缺乏類似調(diào)節(jié)機(jī)制的低地地區(qū)，晝夜溫差可達(dá)到約4開爾文。這意味著，在金星山地，風(fēng)場(chǎng)在某種程度上充當(dāng)了“溫度穩(wěn)壓器”。

在靠近兩極的地區(qū)，模式又有所不同：那里近地風(fēng)場(chǎng)全年幾乎持續(xù)呈下坡流動(dòng)形態(tài)，長(zhǎng)期與極區(qū)持續(xù)的紅外散熱相互“對(duì)沖”，形成另一種形態(tài)的溫度穩(wěn)定機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)指出，由于包括歐洲“EnVision”和美國(guó)“VERITAS”在內(nèi)的一批未來(lái)金星軌道探測(cè)任務(wù)都將重點(diǎn)觀測(cè)極區(qū)，這一新模型為理解極區(qū)氣候與表面特征提供了關(guān)鍵背景。

更直接與著陸任務(wù)相關(guān)的是名為“DaVINCI”的NASA金星大氣與表面探測(cè)任務(wù)。根據(jù)目前規(guī)劃，其著陸艙將在名為“阿爾法高地”（Alpha Regio）的高地高原附近下降，這一區(qū)域位于赤道附近、地形起伏明顯。新研究結(jié)果顯示，阿爾法高地約45%的地表面積存在足以揚(yáng)起粒徑約75微米“細(xì)沙”的風(fēng)速，這意味著DaVINCI探測(cè)器在接近與著陸階段，很可能遭遇持續(xù)的細(xì)顆粒揚(yáng)塵環(huán)境，其強(qiáng)度還會(huì)隨當(dāng)?shù)貢円怪芷诎l(fā)生變化。這一發(fā)現(xiàn)被視為對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器防護(hù)以及下降時(shí)序方案的重要預(yù)警。

為實(shí)現(xiàn)這些分析，科研團(tuán)隊(duì)采用了一種新的區(qū)域模擬方法，不再嘗試將金星表面作為一個(gè)整體統(tǒng)一建模，而是將不同地形、不同緯度劃分為多個(gè)可獨(dú)立求解的“氣象單元”，分別計(jì)算其風(fēng)場(chǎng)、溫度與揚(yáng)塵特征。論文也坦言，目前模型仍有提升空間，例如可進(jìn)一步根據(jù)不同地表材料的反照率和熱慣量，引入更細(xì)致的熱物性參數(shù)，或更精確地刻畫金星大氣中以二氧化碳為主的氣體在不同溫度下的紅外吸收特性。

不過(guò)，研究人員強(qiáng)調(diào)，在未來(lái)幾批著陸與環(huán)繞任務(wù)真正抵達(dá)金星之前，科學(xué)界還有時(shí)間對(duì)模型進(jìn)行迭代和校正。隨著DaVINCI等任務(wù)開展實(shí)地測(cè)量，這些區(qū)域風(fēng)場(chǎng)模擬將成為解讀新數(shù)據(jù)的重要參照，也有助于解釋探測(cè)器著陸點(diǎn)附近可能出現(xiàn)的異常溫度讀數(shù)和沙塵特征。相關(guān)成果以“The effect of near-surface winds on surface temperature and dust transport on Venus”為題，已發(fā)表于《地球物理研究期刊：行星》子刊。