金星之谜

金星可以说是太阳系中最糟糕的地方了。一层厚厚的二氧化碳覆盖着这颗行星，使得其表面承受着巨大的压力。硫酸雨从病态的黄色天空中落下，但却从未到达被熔岩侵蚀的地面上。金星的温度高得足以融化铅；因此，在下落的过程中，这些酸雨就已经蒸发了。

这个星球的极端恶劣环境是行星科学中最令人困惑的谜团之一。金星和地球是在同一时间形成的，由相同的地质物质构成，在太阳系中几乎相同的位置上形成。它们的大小甚至也是一样的。那么为什么金星变成了一个地狱般的地方，而地球却成了一个充满生机的家园呢？

在科学界，有一种常见的观点认为金星只是稍微领先一步而已——它代表了所有大型岩石行星（包括地球）的最终状态。这一假设认为，这些行星最终会失去在其地质结构中储存导致全球变暖的温室气体的能力。当这些气体在大气中积累时，整个星球就会进入一种失控的温室效应状态——就像金星那极其炎热的气候一样。“多年来，我们总是听说金星可以预示地球的未来，”加州大学河滨分校的行星天体物理学家斯蒂芬·凯恩（Stephen Kane）说道。

这段文字描述了一张宣传卡片，上面写着“《我们是如何认识地球的》”以及这个系列的相关内容。但是，那个长期以来的假设真的正确吗？在数亿年甚至数十亿年后，地球的气候会不会像金星一样，从一个温和的世界变成一个灾难性的温室星球呢？Kane和他的同事们一直在努力寻找答案。金星和地球经常被称为“双胞胎”，其中金星被认为是那颗“坏”的那个。在他们的项目“重聚的双胞胎”中，科学家们开发了一个结合了太阳物理学、火山学、板块构造学和气候科学的数字模型来模拟地球。他们不断地将这个模型推向极端，尝试各种可能的方法来破坏它，让它变成像金星那样的状态。

（翻译说明：由于原文包含专业的科学术语和技术概念，如“digital model”、“plate tectonics”等，在翻译时进行了适当的解释和简化，以确保读者能够理解其含义。同时，采用了中文常见的表达方式，例如将“long-held assumption”译为“长期以来的假设”，并将长句拆分成更易读的短句结构。）

正如保罗·伯恩（Paul Byrne）所说，他是一位位于圣路易斯华盛顿大学的行星科学家，并没有直接参与这个项目：“除了探究距离太阳第二近的这颗岩石上究竟出了什么问题之外，这项研究还涉及到一个与我们生活更为密切的问题：‘地球还能在多长时间内适合人类居住？’”

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最近的新闻通讯（会在新标签页中打开）
地球和金星并排展示：
金星的直径是地球的95%，质量是地球的81.5%。

NASA（美国国家航空航天局）
一个关于行星的谜题
要预测地球的未来，就需要了解金星的过去。很久以前，金星可能与现在的地球并没有太大的不同。通过航天器的探测和望远镜的观测，我们发现金星的大气中存在一种罕见且密度较大的水——这表明金星上曾经有过大量的水。

总结：
NASA正在研究金星的过去，以帮助我们预测地球的未来。通过对金星大气的分析，科学家们发现了这种特殊的水的存在，从而推断出金星上曾经有丰富的水资源。

研究人员对于这些水是如何存在于那里的争论不休。有一种可能性是，年轻金星上的水分形成了蒸汽，这些蒸汽漂浮在覆盖这颗新生行星表面的岩浆海洋之上。这种水蒸气是一种强效的温室气体，会导致金星在其诞生后不久就进入一个酷热的温室状态。另一种可能是，金星最初的全球性岩浆海洋可能冷却并迅速固化成地壳，足以让液态水（甚至可能有相当于整个海洋的水量）在上面流动。如果这是真的，那么那些水最终去哪里了呢？

在2020年，迈克尔·韦（Michael Way），一位在美国宇航局戈达德太空研究所（NASA’s Goddard Institute for Space Studies）工作的行星科学家和气候模型专家，在纽约研究了金星海洋可能蒸发的两种可能性。

太阳为什么会变得越来越亮？

我们的恒星在核心燃烧氢元素，将其转化为氦元素。随着氦取代了氢的位置，核心变得更为致密，从而增加了恒星内部的压力。这也导致内部温度上升。这意味着，尽管核心中的氢核数量减少了，但它们现在的运动速度足够快，足以增加形成氦的碰撞机会。因此，随着时间的推移，由于内部温度持续升高，太阳辐射出的阳光也就越来越多。自45亿年前诞生以来，它的亮度已经增加了48%。

第一个假设指向太阳。随着太阳老化，燃烧掉其内部的氢燃料，它会释放出越来越多的阳光，使得附近的行星——包括金星（它比我们离太阳更近）——受到越来越强烈的光照。行星科学家估计，在太阳系诞生大约十亿年后，逐渐变亮的太阳已经能够有效地将金星上的所有液态水蒸发掉。水蒸气随后会充斥金星的大气层，可能导致全球性的剧烈升温；而火山释放的二氧化碳可能会进一步加剧这种升温现象。这两种因素的共同作用可能使金星进入一种失控的温室效应状态。

这是一个很好的故事。但是根据韦（Way）的模型，太阳通过蒸发金星的海洋来破坏金星的理论存在一些问题。金星自转非常缓慢，一天相当于116个地球日，几乎有四个月的时间。如果这颗行星的白昼面最初拥有液态海洋，那么水的蒸发会形成厚厚的云层。这些巨大的、持续存在的白昼云层会反射阳光，使金星的温度保持较低水平，从而避免温室效应失控和全球变暖的恶性循环。

Way认为，金星毁灭的更合理的嫌疑人是一种具有破坏性的火山活动。在地球自身的历史中，也曾出现过某些地区持续喷发岩浆的现象，这种现象被称为“大型火成岩省”（Large Igneous Provinces，简称LIPs），这些事件持续时间长达数十万年甚至数百万年。每次这样的事件都会向大气中释放大量的二氧化碳，使得整个地球在短时间内变得极其炎热。2.52亿年前发生的这样一次大规模火山喷发引发了地球上记录中最严重的一次物种大灭绝，几乎导致地球上的所有生物都消失殆尽。

在20世纪90年代初，麦哲伦号宇宙飞船拍摄到了金星荒凉的表面。

NASA（美国国家航空航天局）

幸运的是，对于生命来说，在每次“LIP事件”之后，地球都会逐渐将多余的二氧化碳吸收到地壳深处，从而使行星的温度再次降下来。地球是通过一个叫做“俯冲作用”的过程来实现这一点的：当构造板块相互碰撞时，其中一个板块会下沉到另一个板块下方，从而将富含溶解二氧化碳的海水带到深渊中。这些碳会在下地幔中被封存很长时间；其中的一部分最终会通过火山活动重新释放到大气中。简而言之，这就是地球全球温度调节的机制。

地球气候如何自然变化（以及为什么现在的情况不同）
一片延伸到远处的冰盖。
气候科学
地球气候如何自然变化（以及为什么现在的情况不同）
2020年7月21日

当金星上还有水的时候，它可能也拥有类似地球的板块构造系统，包括重要的俯冲带。但是这种地质活动并没有在行星范围内广泛分布或达到足够的规模，因此无法阻止金星被“烧毁”——尤其是如果同时发生了多次大规模的岩浆喷发事件（LIPs）。Way的模型表明，如果多次这样的事件同时发生，它们会向金星的大气中释放大量二氧化碳，导致地球温度急剧上升，使得大部分液态水蒸发到空中，进一步加速了升温过程。由于没有了海洋来吸收这些二氧化碳，这些气体就无法被重新循环利用。此外，水对于板块构造活动至关重要：它能够降低岩石的熔点，使地壳板块更容易发生弯曲和断裂。因此，当金星表面不再有水时，重要的俯冲带就会停止运作，从而无法将二氧化碳封存起来。

其他科学家也倾向于同意韦的评估：仅靠太阳本身，是无法导致金星变成今天这个糟糕的状态的。“我真的认为需要多次剧烈的火山爆发……才能造成这样的结果，”瑞士伯尔尼大学的行星科学家安娜·古勒彻（Anna Gülcher）说道。

How to Break the World

While studying Venus and its deadly greenhouse effect, Kane developed a fascinating idea: What if the same process that caused such devastating consequences on Venus could also lead to the destruction of Earth? He wondered whether it would be possible to stop the carbon cycle on Earth completely.

He asked himself, “What if we tried to shut down the entire carbon cycle on Earth?”

为了找出答案，他和他的团队制造了一台能够摧毁虚拟世界的机器。“每个人都喜欢末日或世界毁灭的场景，只要这个场景发生在50亿年后的未来。”他说。

一个坐在地球仪旁边的男人
行星天体物理学家斯蒂芬·凯恩（Stephen Kane）一直在研究地球的未来是否会类似于金星现在的状况。

Stephen Kane的授权下：
第一步是将他们的地球模型快进大约35亿年，直到太阳和行星都已经有80亿年的历史。到那时，太阳会比现在更加明亮，地球的大气层将接收到与金星在只有10亿岁时的相同强度的高温星光。据认为，在那个时候，金星可能正处于一个临界点：要么变得温和且充满水汽，要么被烤焦变硬。80亿岁的太阳也将把地球推向类似的气候临界状态。

根据该团队的模型预测，大约35亿年后，地球上的海洋可能会开始蒸发，并在大气中形成具有温室效应的水蒸气。这种情况可能会导致地球上主要的俯冲带消失，因为没有水的话，就不再会有地壳板块的俯冲现象（此外，二氧化碳溶解在水中的量也会减少）。斯坦福大学的Michelle Hill（Reuniting Twins项目的成员）表示：“我们正在失去将二氧化碳重新吸收回地球地幔的能力，因此这些二氧化碳会不断在地球上积累。”

如果主要的俯冲带停止活动，那么地球的构造板块将不再相互碰撞和移动。相反，它们会形成一个几乎连为一体的岩石外壳，包裹着炽热的地幔。在一段时间内，地幔的温度会升高，因为这个外壳会将其中放射性衰变化合物产生的热量封闭在里面。随着热量在地壳内部不断积累，在凯恩（Kane）的模拟中，地球上的火山活动会增加，并持续大约1500万年。

在这段被称为“停滞盖层期”的时间里，更多的二氧化碳被释放到大气中。然而，这种剧烈的碳排放现象只是暂时性的。地幔逐渐冷却，地壳变厚，最终几乎完全阻止了任何大规模的火山喷发活动。

所以，在那层静止的盖子形成1500万年后，地球将达到一个新的平衡状态。偶尔仍会有一些火山活动发生。（同样地，科学家们也发现了令人信服的证据，证明金星在今天仍然有活跃的火山活动。）但凯恩解释说，这些零星的喷发预计不会向大气中释放大量的碳。

在那个时刻，团队的模拟程序停止了运行。他们构建的未来地球模型与金星有多相似呢？

2012年，夏威夷的基拉韦厄火山喷发了玄武岩熔岩。在地球历史上，偶尔会出现大规模的玄武岩流，这些流动会引发全球变暖和物种大灭绝。一些科学家怀疑，类似规模的巨大熔岩喷发也可能对金星产生了影响（即导致金星表面被烧焦）。

USGS（美国地质调查局）
没有地方比金星更适合居住了……

如果地球的大规模俯冲作用在大约35亿年后停止，导致地球无法继续通过地壳运动来封存碳元素，Kane和他的团队进行的模拟表明，大气中的二氧化碳浓度将上升0.1到0.8巴之间。（作为参考，目前海平面的总气压为1巴，其中约0.04%，即0.042巴，来自二氧化碳。）即使在最好的情况下，也就是二氧化碳浓度仅上升0.1巴的情况下，地球的表面温度也会超过100摄氏度（212华氏度）。当二氧化碳浓度上升到0.8巴时，同样的情况会发生，只不过升温的速度会快得多。

无论哪种情况，地球的表面都会变得极其炎热，几乎达到沸腾的程度。凯恩表示：“地球将会进入一种‘失控的温室效应’状态。地表温度将高到无法存在任何水，所有的水都会蒸发掉。”地球上的一切生物都将无法存活。

尽管如此，地球永远不会达到金星目前的那种状态。“那只会是比金星稍好一点的版本罢了，”凯恩说。

金星的大气压力为93巴，其中96.5%是二氧化碳。无论凯恩和他的同事们如何努力，他们的“末日机器”也无法将地球的环境条件提升到那个水平。“对此我感到很惊讶，”他说。由于地幔被一层静止的岩层封闭着，火山活动大大减少，这比他想象中更好地保护了地球，使地球免受类似金星那样的高温炙烤。

独立的科学家们赞扬了“重聚双胞胎”项目，因为它挑战了之前的假设，并显著推动了关于岩石行星最终状态的讨论。

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韦说：“我喜欢他们的想法”，并补充道，该团队对未来地球的设想“听起来并不不合理。”

“最终你会得到一个热得无法忍受的世界，”华盛顿大学的行星科学家伯恩说道。不过，他说，这个世界的温度可能没有金星那么高，这倒是一个有趣的现象。

（翻译说明：将原文的学术语言和专业的术语转化为通俗易懂的表达方式，同时保持原意的准确传达。）

Kane的团队承认，他们的模型没有考虑到类似LIP（Large Igneous Provinces）规模的巨型喷发事件。这些事件在未来任何时候都可能向大气中释放大量的碳。Kane表示，如果地球不幸同时发生多次这样的喷发事件（不过随着地幔冷却和活动减缓，这种情况发生的概率会降低），那么地球的状况可能会更接近金星，而不是他们模型预测的那样。

不确定性无处不在。但如果凯恩的团队大致上是正确的，那么这表明金星有着一段极其悲惨的历史。某种事件——也许是熔岩的泛滥——将那颗行星烧得面目全非。而地球到目前为止还未能自我毁灭。希望这种情况能在未来很长一段时间里继续保持下去。