探寻金星奇特的大气圈究竟是如何形成的

赵菊初

前苏联和美国从1961年开始多次用探测器成功造访金星以后，我们对金星奇特的大气圈已有了深入详细的了解。探测发现^[1]，金星大气圈与地球截然不同，它主要由96%的二氧化碳及3%的氮组成，其大气压约为地球标准大气压的92倍；还有很多其它发现。虽说金星空间探测硕果累累，但仍然有许多待解之谜^[1]；譬如说，金星上确曾有过海吗?金星上的温室效应是在什么时候、怎样发生的?至今也未发现有什么假说对此作出解释。笔者以下先对金星与地球的相同与不同之处进行剖析及提出疑问，然后从中找出蛛丝马迹来破解这一困扰人们半个多世纪的世界性难题。

1.      金星与地球相同与不同之处简介

    金星与地球一样都属于类地行星，二者的成分、密度、直径及质量都相差无几，有时也被人们叫做地球的“姐妹星”。二者的公转轨道半径也相差不多，金星离太阳较近，其公转轨道半径约为地球的0.723倍；但二者的自转状态却有非常大的差别，金星的自转周期为243天，而且为逆转，地球的自转方向为顺转，周期为1天，即24小时；金星表面温度约在465~485之间，地球表面温度约在-40~40之间。金星上的火山可谓星罗密布，是太阳系中拥有火山数量最多的行星；估计其总数超过10万个，但到目前为止尚未发现活火山；而地球上的火山少得多，但仍有很多活火山。金星地表土壤的年龄非常年轻，约为5亿年左右。已发现金星上环形山（即陨星坑）总共约有900个，但其形状极不规则，而且痕迹都非常年轻；估计其年龄也不会大于其地表的年龄，即5 亿年。

2.      金星大气圈与地球截然不同之处简介

如前所述，金星大气圈主要由96%的二氧化碳及3%氮气与少量硫酸组成，其大气压可达92标准大气压；但其中几乎观测不到氧气及水汽的存在  。地球大气圈的主要成分为：氮78%、氧21%、氩0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%，此外还有水蒸汽和尘埃等；这与金星大气圈截然不同。

3.      对金星异常现象的剖析

     金星与地球相比，最大异常现象是： 没有海洋，只有极干旱的陆地；其大气中二氧化碳气的含量之多与地球有天壤之别； 其大气中氧气及水汽含量之低与地球有天壤之别； 其地表土壤与环形山（即陨星坑）的年龄与地球上的煤碳、石油的生成年龄非常接近，即都不大于5亿年。现根据上述4种异常情况提出以下很难解释清的疑问；以便下一步从中寻找蛛丝马迹来破解上述难题。

3.1    金星上是否曾有过海洋？

这是目前仍未弄清的重大问题之一；前苏联虽有科学家推测^[1]，大约40亿年前金星上有过汪洋大海；但因其证据不足，此问题至今没有定论。由于这个问题至关重要，故必需继续进行深入研究。

3.2    金星大气二氧化碳中大量的碳元素从何而来？

为此，需先计算金星大气含碳量的多少，再与地球的含碳量对比，才能发现解释这个疑问的难度。

已知标准大气压约等于在地球上10m水柱的压力。那么金星大气压应相当于900m水柱的压力。但由于压力来自于水柱的重力，重力则应等于质量乘以所处地区的重力加速度，而金星上的重力加速度仅为8.78m/s²，而地球的重力加速度达9.8m/s²；按此折算，在金星地面上，1厘米平方，即相当于指甲盖大小的面积上要受到100kg水柱的重力。这说明在金星上，断面积为1厘米平方空气柱的质量应等于100kg。已知金星大气几乎全部由二氧化碳组成，那么按二氧化碳中氧和碳的分子量来估算，上述空气柱中碳的质量应占27kg。已知各种煤碳的最大密度不超过1.80g/cm³；按此推算可知，金星大气中的碳元素若全部析出，并转变成密度最大的煤，它平均铺在金星表面上，其厚度至少应达150m。

已经探明，在太阳原始星云中，除氢和氦以外，氧和碳是最丰富的两种元素；照理金星捕获上述那么多碳是完全可能的，但笔者通过论证发现情况并非如此。笔者在题为【对行星质量、成分及密度差异起因的定量新解释(2016-02-08) 】的博文中，计算出了用以衡量各种太阳星云物质在演化时向外迁移速度的A/B值（见该文的表3），并证明该值愈大，它向外迁移的速度也愈大。对二氧化碳来说该值等于1.15，明显大于冰物质（包括甲烷、水及氨）的0.9左右，更远大于氢、氦0.47左右；故它向外迁移的速度也会比前者快，比后者更快；按此类推，大部分二氧化碳应该已迁移到海王星轨道区域以外去了。对惰性所体氖来说，其A/B值等于1.134，与二氧化碳很接近，故也会迁移到海王星轨道区域以外，从而可解释氖在原始太阳星云中的含量本来与铁相差不多，为什这么现在变成了罕见的稀有气体。由此可见，按A/B值大小来判断物质向外迁移的情况与类木行星的成分分布情况完全吻合。例如，已知木星和土星含氢与氦的比率高达98%，而天王星及海王星的主成分是分子量较大的冰物质，而所含氢与氦的比率都不超过10%，在类木行星中却很少发现本应广泛存在二氧化碳气。以上情况说明，在类地行星轨道区域，存在大量二氧化碳的可能性很小。因此金星要从星云中直接获取大量二氧化碳是很困难的，甚至是完全不可能的。更何况，金星若能获取那么多碳元素，地球照理应该获取更多才对；然而地球大气中二氧化碳的含量仅为0.03%，即使将埋藏在地下的煤、石油等含碳物质中的碳元素全部分离出来，也远达不到金星那么多的含碳量。那么，就要出现一个巨大的疑问，那就是金星上如此之多的二氧化碳从何而来？

3.3     金星上的氧气与水汽到哪里去了？

据报道^[1]，金星大气中所含氧气及水汽极少；现有的解释是，因为水汽在太阳风的攻击下分解成了氢和氧，然后，氢因原子量很小而逃逸到太空去了，而氧元素因与地壳中物质化合，故在金星大气中没有氧气；但这种解释是经不起理论及观测结果检验的。据报道 ^[3]，在地壳中，形成岩石的矿物质中约95%是硅酸盐，其主要结构单元是四面体的[SiO44-]；其中含氧基团在岩石发生风化碎裂时，通常仍能以不变的原形进入地球化学循环，即随水流迁移到海洋，进入海底沉积物，甚至重新返回陆地，因此，地壳中存在的氧可看成是化学惰性。另据探测发现^[4]，金星表面物质的性质类似硅酸盐土壤；其表面以下100km厚的地层中主要成分是硅酸盐和碳酸盐；这说明金星表层成分与地球基本相同，故参考文献[1]认为其氧气与地壳岩石化合而消失的说法是与上述事实背道而驰的。照理金星原来的含水量应与地球相差不太多，因此，所分解出的海量氧气都被岩石吸收也是无法想象的；更何况，我们发现当温度升高时，岩石中所含气体会释放出来，而不是吸收气体。理论分析还证明^[5]，气体分子平均热运动速度与其分子量的平方根成反比；那么，由于氧的分子量比氮大，所以它比氮更难逃逸；但金星大气中氮的含量占3%，由此可算出，其含量约为地球氮气总含量的4倍；所以氧气的去向绝不可能用逃逸掉了来解解。虽然还有一种假说认为^[6]，金星上的水分之所以极少，是因为它电离后的氢离子及氧离子被太阳风吹走了；还有一种观点与此相反的假说认为^[7]，地球上的水是太阳风“吹”出来的，但测算表明，在地球45亿年生命史中，太阳风吹来的水不超过67.5亿吨，与现今地球表面的水总量1.4×10¹⁰亿吨相比，不及其1亿分之1。因此，太阳风即使能吹走金星上的水，恐怕也很难吹走其总水量的1亿分之1；那么也就无法解释其水与氧气的去向。

3.4     金星土壤与陨星坑的年龄为何与地球上煤碳与石油生成的年龄很接近？

如前所述，金星地表土壤及900多个陨星坑的年龄都非常年轻，都不大于5亿年。这与地球上煤碳及石油生成年龄的上限值很接近。此外，笔者在分别题为【按最新观测成果进一步判断火外星爆炸的确凿时间(2017-05-07) 】、【探寻陷入绝境的煤炭及石油成因难题破解的新思路(2017-01-02)】、【从更多月球异常现象进一步追溯其起源的奥秘 (2016-12-20)】、【从火星的大量异常现象追溯其不寻常的来历 (2016-09-03)】、【对小行星及彗星起源的探讨与论 (2016-02-28)】的5篇博文的论述中，列举大量理论和观测证据说明在4~5亿年前太阳系发生过一次惊天动地的大事件，那就是火星与木星轨道之间的一颗大行星因核聚变反应而爆炸；其爆炸时间与金星土壤与陨星坑形成的年龄及地球上煤碳及石油生成年龄等一系列重大天文事件发生的时间基本吻合，这显然不能说都是偶然的巧合。那么，就需要解释金星和地球都同样获得大量碳元素为何其大气圈却截然不同？

4.      对金星奇特大气圈形成原因的探讨

为此需先从金星上是否曾有过海洋谈起。

4.1     探讨金星是否曾有过海洋

地球上水的总量达1.4×10¹⁰亿吨，铺在地球表面上的平均厚度可达2千米以上，故地球堪称是一个水球。但金星表面几乎不存在水，在其大气中所含水汽也极少；这是一种极为反常的情况。我们知道，在太阳原始星云中，氢的含量最多，其次是氦，氧的含量占第3位；因此，用以构成水的氢与氧是其中最丰富的元素，故在行星形成时，星云中的水也应该比较丰富；所以地球成为一个水球并不奇怪。水星、火星及月球上之所以极度缺水，是由于种种复杂的原因使它丧失了保持水的能力而使水逃逸掉了；笔者在题为【行星及卫星大气圈保存机理的定量解释 (2016-03-10)】的博文中对其机理过详细论述，这里不再赘述。金星也应该和地球一样具有保持水的能力，因为按参考文献[5]的（11.11）式可知，气体分子的平均热运动速率与其分子量的平方根成反比，已知氮的分子量比氧小，故在同样温度条件下其热运动速率应比氧大，它应该比氧更容易逃逸；但金星大气中氮的总含量多达地球的4倍，这足以证明由水分解而来的氧不可能从金星逃逸。因此，质量与地球相差不多的金星应该完全与地球一样具有捕获与保持大量水的能力。但不能据此判断金星曾有过海洋，因为金星的自转速度极慢，其白昼接近60天，所接受的阳光辐射强度又比地球约大1倍，故足以使水升温达到沸点以上而全部蒸发成为水蒸汽，从而使金星上不可能出现海洋，而只会出现主要由水蒸汽组成的大气圈。计算表明，水蒸气在温室效应中所起的作用在95.4%以上，而二氧化碳的作用只占4%。这说明水蒸汽比二氧化碳具有更强烈的温室效应；所以金星当时地面温度可能达到300以上，从而使金星不可能出现海洋。

4.2    金星碳元素来源的探讨

笔者在题为【地球电离层动力粘度的计算及论证  (2014-06-27)】的博文中发现，气体分子在电离后，因离子直径比分子小很多个数量级，故按参考文献[5]的（11.40）式算出的动力粘度将增大很多个数量级；另在题为【行星自转状态形成机理的新解释(2016-02-25)】的博文中证明，金星在形成时只要其周围部分星云气体分子产生电离，就会因其粘度大幅增加而使星云之间的角动量转移量迅猛增大，从而可解释金星为何逆向自转。以上情况使笔者联想到，上述由高温水蒸汽组成的金星大气圈，有可能在强烈阳光辐射下部分电离成氢和氧离子，最终会使金星大气中富含氧气。那么，只要有充足的碳元素的输入，它就可能转变成主要由二氧化碳组成的大气圈。但前面的计算表明，所需输入的固态碳元素铺在金星表面上的平均厚度至少应达150m；如此之多的碳元素从何而来就是一个很难解答的问题。好在笔者在题为【探寻陷入绝境的煤炭及石油成因难题破解的新思路(2017-01-02)】的博文中，已列举大量证据说明地球上的煤碳和石油等化石能源很可来自一颗大行星爆炸的产物；如果设想金星所需碳元素也来自这种产物，则所遇困难即可迎刃而解。笔者在有关博文中算出，这颗被笔者命名为“火外星”的质量约为地球的3倍，这与按木星摄动所进行的电算结果的上限值完全吻合；笔者在题为【行星及卫星大气圈保存机理的定量解释 (2016-03-10 23)】的博文中证明，火外星质量若达到地球的3倍，就有保持大量氢气的能力。那么，保持大量在太阳系中大量存在的甲烷就更不成问题了。现已发现土卫六上存在巨大的液态甲烷湖泊，还发现甲烷是构成天王星与海王星的主要成分之一；所以火外星上有可能也含有大量甲烷。已知一般氢气中约含有0.02%的氘，照理火外星上的氢气也不能例外；已知氘产生核聚变的燃点比氢低很多，而计算又表明，只要这样微量的氘产生核聚变反应所释放的能量，就足以将整个火外星抛到无穷远处。因此，当火外星爆炸后，就会残留大量极高温度的氢气；因它是很好的还原剂，故与残留二氧化碳等碳的氧化物相遇时就会将其还原为碳，与残留的甲烷直接接触时就可能加氢而成为石油的成分，未直接接触的甲烷就会在其高温影响下分解成碳和氢。那么，在爆区域除残留大量爆炸固体碎块而成为小行星以外，还会在残留弥漫气体中存在大量碳元素及石油的成分。现在发现占总数75%的C型小行星之所以反光率极低而颜色偏黑，就是因为其表面吸附了一层碳元素的缘故；这也是爆炸区存在大量碳元素的有力证据。这些碳元素及石油等成分会逐渐凝聚成团块而成为绕太阳公转的小行星。但因它的密度比一般石质小行星小得多，故受爆炸区残留弥漫气体的阻力和相对制动作用也会大很多；因此，它会逐渐缩小公转轨道半径。当它接近地球公转轨道区域时，就可能被捕获而最终转变成地球的煤碳和石油等矿藏；对这种观点，笔者在有关博文中曾列举大量证据加以验证，这里就不必赘述了。当它接近金星轨道区域时，就会被金星捕获而成为如前所述金星所需大量碳元素的来源。观测已发现金星土壤的年龄都小于5亿年，所发现的900多个陨星坑也很年轻；这说明金星捕获大量碳元素的时间也与火外星爆炸时间及地球煤碳与石油形的时间大体相吻合。但金星吸积的碳元素应达150m的厚度，而地壳表层中碳元素总量估计连金星的十分之一都不可能达到；对这种矛盾可作如下解释。如前所述，碳与石油等吸积成的团块是因受残留弥漫气体阻力才逐渐缩小公转轨道半径的，但因残留弥漫气体的浓度会在爆炸轨道区域达最大值，离该轨道区域愈远其浓度会愈低，又因残留弥漫气体会不断扩散及在太阳风的驱赶作用下，会随时间的消逝而变得愈来愈稀薄，所以，这种团块接近地球轨道区域时，弥漫气体尚比较浓密，故会以较快速度越过地球轨道区域而使地球捕捉到它的机会较小；当这种团块接近金星轨道区域时，弥漫气体的密度会变得愈来愈稀薄，它就会以很慢的速度越过金星轨道区域，从而使金星捕获这种团块的机会大幅增加。

4.3    探寻金星氧气与水汽的去向

当上述团块落入金星富含氧气与水汽的高温大气圈底部时，其中的碳元素及石油中所含约87%的碳元素，会很快与氧化合成二氧化碳，还会在强烈阳光辐射的帮助下，逐渐从高温水蒸汽中夺取氧也化合成二氧化碳气。从而可解释金星上大量氧气与水汽的去向。计算表明，金星上主要由二氧化碳组成的大气圈中，氧气的质量约占总质量的73%，它原来与氢化合成的水铺在金星表面上的平均厚度可接近800m，约为地球总水量的3分之1；这应在合理的范围之内。

4.4     金星与地球同样获得大量碳元素为何其大气圈截然不同的机理探讨

金星奇特大气圈形成的机理在前面已作过详细论述和解释，这里不再赘述。以下只对地球大气圈的成因进行论述。

地球上水的来源还存在多种不同观点，但地球上存在大量的液态水已为既成事实，这里就不讨论其来源了。由于液态水的存在，地球上出现了浩瀚的海洋与大量湖泊，故当上述含碳团块落入地球海洋或湖泊中时，就会与空气隔离而避免氧化及分解；然后会逐渐被沉积物覆盖而进一步得到保护。随后该处地壳会逐渐下沉使上部沉积物不断增厚，从而使含煤及石油的团块埋入达几千米深的地下。该处地壳之所以下沉的机理，笔者在很多篇博文中作过论述；现简要将其机理介绍于下。

笔者在很多博文中通过理论计算并列举大量事实，证明地下存在遍及全球的熔岩层，还证明熔岩层吸收的潮汐能与其厚度的3次方成反比，还证明其厚度随上部散失的热量减小而增大、随散失的热量增大而减小。由于上述含碳团块在常温时，其煤的导热系数约为0.26W/mK、石油的导温系数约为0.14 W/mK，不及花岗岩（2.6 W/mK）及其它各种岩石的10分之1，故其下部熔岩层因散失的热量大幅减少而会使其厚度明显增大。这时，熔岩层顶面会向上拱，而使地壳部分岩石被熔岩置换。笔者在题为【从地球体积变化规律探寻各种地质活动的成因(2016-07-19)】的博文中，通过论证还发现，地下熔岩层大约每隔几十万年会因吸收来自外核的热能而使其温度与熔点只差一步之遥的整个软流层大部分熔化；这时，会增大上述熔岩上拱的程度。如该博文所述，随后外核积蓄的能量释放完毕，熔岩层因失去能量供应而会逐渐冷却凝固，最终会恢复到原来的厚度。那么，上述上拱并置换原有岩石的熔岩也会凝固，但由于凝固时其密度要增大7~10%，从而使其密度比原有熔岩大得多，故该处地壳必然会通过地壳均衡作用而下沉。又因上述过程是每隔几十万年周而复始进行的，故在几亿年的漫长时间内，就足以使从天而降的煤碳及石油沉降到几千米的深处。因此，二者无法与大气中的氧气接触而化合成二氧化碳，从而使地球大气圈得以保持现在与金星截然不同的状态。否则，地球的大气圈就会与金星相差不多，气温至少会上升到100以上；还会形成恶性循环，使地球上的水全部变成水蒸汽，进一步增大温室效应。那么，地球上今天生命活动的繁荣景象就不可能出现。

5．结语         

李克强总理在去年一次国务院常务会议上语重心长地指出，人类的重大科学发现都不是“计划”出来的。这是从科学发展史中总结出的必然规律，笔者对此有深刻的亲身体验。自己在近半个世纪的业余科学探索中，预先没有、也不可能提出什么计划，开始只是凭着兴趣和好奇心对一些至今尚未弄清的科学难题进行试探性的研究。谁知在研究一个问题觉得有所收获后，又发现解决另一问题的线索和思路，于是又转向另一问题的研究，对另一问的研究觉得有所进展后，又发现解决新问题的线索和思路，于是……，这样周而复始，在近半个世纪里撰写了有关博文近60篇；其中存在着很多偶然及碰运气的因素，根本谈不上有什么预先的计划。本文之所以能对金星大气圈成因提出一些有一定事实依据的新颖设想，完全得益于几十年探索所获得以往尚未认清的规律和知识，而不是凭空计划出来的。因此，我们要从中吸取教训，不要再违反人类认识自然的规律去按计划耗费大量人力物力对某些科学理论难题进行徒劳无功的突击研究；而应该创造宽松的科学探索环境、防止科学发言权及其成果评价权的垄断、提倡科学自由探索、建立科研成果评价准则及体系、鼓励不同科学观点展开自由和公平的争论，等等。那么，我国被长期压抑的原始科学理论创新能力，就会立即爆发与显现出来。

在本文的撰写过程中，还发现两个解决和验证其它科学研究的线索和思路。笔者已年逾耄耋，对这些问题的继续探索已心有余而力不足了，故在下面提出来供科学探索爱好者及有关部门参考。

观测发现^[8]，金星上火山星罗密布，是太阳系中拥有火山数量最多的行星。已发现的大型火山和火山特征有1600多处；估计总数超过10万个，甚至100万个；但至今尚未发现活火山的活动。还发现大部分金星火山喷发时，只是流出的熔岩流没有剧烈爆发及喷射火山灰的迹象。以上情况说明，金星过去的火山活动比地球更为广泛与频繁，其火山喷出的气体却比地球稀少，故不能形成猛烈的喷发；但其火山活动现在已接近尾声，已很少发现火山活动了。其地震活动也应存在类似的变化趋势，只是我们无法观测到它活动的遗迹。我们还未发现金星上有板块活动。以上情况也暗示，金星内部气体已几乎全部排出，才致使其火山及地震停止活动；这也暗示，火山与地震活动可能与地下排气量有关而与板块活动无关。金星之所以能比地球提前将全部气体排出，是因为金星表面温度比地球高得多，使其内部温度也远高于地球；实验已发现，各种物质温度升高时对气体的溶解度会随之降低，从而促使及加快气体的排出。这也证明，耿庆国教授根据经验和统计对地震成因所提出的“旱震说”是有一定道理的，该假说认为，长期干旱地区有促成大地震发生的可能；这是因为长期干旱会使地面平均温度稍微升高，从而使地下岩石温度也稍微升高，并促使其排气量增大而引发大地震。这与笔者在参考文献[9]中的观点是大体相同的；只是干旱使地温升高的程度很有限，据此预报地震的可靠性不是太高；但这个假说还是有可取之处，值得作进一步研究。

观测已发现，金星上900多个陨星坑的年龄都非常年轻，都不大于5亿年；这为笔者提出的火外星在4亿多年前爆炸的设想提供了又一旁证。如笔者在有关博文所述，已发现火星、月球及地球上几乎所有数陨星坑的年龄，都被天文学家估计在3至8亿年之间，至今未见谁提出异议及反证；现在又发现金星的900多个陨星坑形成的年龄也恰好与上述判断相符。已知陨星坑几乎都是小行星撞击而形成的，那么就要出现一个巨大的疑问，那就是在8亿年前太阳系中为何不存在小行星？它为何不撞击别的星体？对这两个问题，恐怕穷尽人类已有知识都无法作出合理解答。笔者在参考文献[10]中，列举8种证据说明火外星大约是在4.4亿年前爆炸的，在参考文献[11]中，对火外星产生核聚变反应而爆炸的原因及机理，提出了完全符合现有物理定律及知识体系的解释；这恰好对上述无解的难题作出了意想不到的圆满解释。以上情况也暗示，在火外星爆炸之前太阳系可能从未发生过星体碰撞事件。以金星为例，现在都普遍认为，它之所以逆向自转是与别的星体碰撞出来的；可是，它的公转轨道偏心率是8大行星中最小的，仅为0.0068，远小于那些认为未碰撞过的行星；可以证明，要出现这种情况其碰撞条件是非常苛刻的，其发生的可能性几乎趋近于零。笔者在题为【行星自转状态形成机理的新解释(2016-02-25)】的博文中证明，金星在形成时只要其周围部分星云气体分子产生电离，就会因其粘度大幅增加而使星云之间的角动量更为充分地进行转移与交换，就可圆满解释金星为何逆向自转；那么同时也能圆满解释其公转轨道偏心率为何最小。以上所述矛盾与线索，值得我们关注及进行更深入的研究与验证。

参考文献

[1] 白晓兔，金星，360百科，2013-06-27；最近更新：2018-02-24

[2]  chenglizhi921，石油，360百科，2012-10-19；最近更新：2018-03-17

[3]  创建者：452360317，氧循环，百度百科，最近更新：2017-04-09

[4]  创建者：勇子向前冲，金星地质，百度百科，最近更新：2015-07-26

[5]  钱学森，物理力学讲义，科学出版社，1962（P298）

[6]  askjhx，金星大气层，百度百科，最近更新：2017-10-08

[7]  地球上的水到底从哪儿来，科技日报2017年02月10日10:10

[8]  流穿蜂，金星，百度百科，最近更新：2018-01-19

[9]  赵菊初，地下熔岩层析出气体引发熔洞形成及垮塌是地震和火山的成因，前沿科学，2017年第4期

[10]  赵菊初，按最新观测成果进一步判断火外星爆炸的确凿时间，新浪博客，2017-05-07

[11]  赵菊初，对小行星及彗星起源的探讨与论证，新浪博客，2016-02-28