金星上的水，是怎么消失的？

金星常被称为地球的孪生兄弟。这颗与地球相邻的行星，在大小、质量和岩石组成上都与地球相似。然而不同的是，地球是宜居的，有温和的海洋和湖泊；而金星的环境则非常严酷，虽然金星也有厚厚的大气层，但其表面温度可高达470℃，令人窒息的金星大气比地球上最干燥的沙漠还要更干。

金星。（图/JAXA/ISAS/DARTS/Kevin M. Gill, CC BY）

然而，金星并非一直是干燥和炎热的。在数十亿年前，这里也曾有水（H₂O）存在。一些研究表明，金星上曾经拥有和如今地球上一样多的水。只是随着时间的推移，金星上的水几乎全部消失了。

金星表面可能曾经有过海洋。（图/NASA）

在过去的研究中，科学家已经发展出了许多理论，可以解释为什么金星的大部分水都消失了。但是这些理论无法解释金星目前的干燥状态。现在，在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一组天文学家揭示了一种可以解释金星上的水分流失之谜的新过程。

  能量平衡和早期失水  

太阳系的宜居带是围绕着太阳周围的一个狭窄环形区域，处于这个区域里的行星，其表面可以有液态水存在。我们的地球就处于宜居带，而我们的近邻——火星，位于宜居带之外的过冷的一侧；我们另一侧的近邻——金星，则处于宜居带之外的过热的一侧。

一颗行星在宜居带上的位置，取决于它从太阳获得的能量以及它辐射出去的能量。过去关于金星是如何流失大部分水分的理论，都与这种能量平衡有关。

在早期金星上，阳光将大气中的水分解成氢和氧。大气中的氢会使行星升温，就像大夏天的床上还盖了很多毯子一样。当金星变得太热时，它就会甩掉这层毯子，这些氢会以外向流的形式逃逸到太空中。这个被称为流体动力逃逸的过程，有效地将水的一种关键成分从金星上移除了。‍

在大部分氢被移除后，流体动力逃逸就停止了，只留下了一小部分氢。这就像倒空一个水瓶中的水时，底部总还会剩下几滴，这些剩余的液滴不能以同样的方式离开瓶子。然而，在金星上，几乎所有剩下的液滴也消失了。因此，金星上一定还有其他的过程在继续移除氢。‍‍‍

  小反应，大不同  

新的研究表明，一个金星大气中的被忽视的化学反应，可以产生足够的逃逸氢，来弥补金星上的水分损失的理论值与观测值之间的差距。

这个反应的原理是：在行星的高层大气中，水与二氧化碳（CO₂）混合，会形成由氢（H）、碳（C）和氧（O）原子组成的带正电的气态HCO⁺分子。这种分子会与带负电荷的电子结合，产生一个中性的一氧化碳（CO）分子和一个氢原子（H）。这个过程能给氢原子供能，使氢原子超过金星的逃逸速度，进入太空。整个反应被称为HCO⁺离解复合。

在金星的高层大气中，氢原子（橙色）飞入太空，留下一氧化碳分子（蓝色和紫色）。（图/Aurore Simonnet/LASP/CU Boulder）

水是金星上氢的原始来源，因此，离解复合过程可以有效地使金星失水。这样一个过程很可能在金星的整个生命史中都有发生。新研究表明，甚至直至近日它很可能仍在继续。

通过将这种HCO⁺离解复合纳入考量，金星上的氢逃逸量比之前计算的翻了一番，颠覆了我们对金星上目前的氢逃逸的理解。

  模型与观测的结合 

为了研究金星上的离解复合，研究人员使用了计算机建模和数据分析。这个模型始于一个模拟火星大气化学的项目。火星也是一颗曾经拥有水的行星，只是它的水比金星更少，而且大部分都流失到太空中去了。火星与金星虽然非常不同，但它们有相似的高层大气，这使得研究人员可以将这个模型扩展到金星。

研究结果表明，无论是在金星还是火星的大气中，HCO⁺离解复合产生了大量逃逸的氢，这一结果与一颗绕火星运行的卫星——MAVEN任务的观测结果一致。

可惜的是，目前尚且没有金星任务在金星大气中测量过HCO⁺。这并非是因为HCO⁺不存在，而是因为这些金星探测器的设计初衷并不是为了探测HCO⁺。不过，通过分析先驱者金星（Pioneer Venus）任务的测量结果，并结合已有的化学知识，研究人员证实了HCO⁺应该存在于金星的大气中，并且其含量与模型预测的相似。

  水带来的启示  

水的存在与消失影响着一颗行星是否适合生命生存。这项工作为水是如何从行星上消失的增加了一条新的线索。科学家已经了解到，水分流失不是一蹴而就的，而是随着时间的推移，通过多种方法的共同发生的。

如今，离解复合过程的存在，让研究人员知道，金星上的氢的流失速度其实比之前以为的更快，这意味着从金星上清除剩余水分所需的时间变得更短了。如果早期金星上曾经存在过海洋，那么在流体动力逃逸过程和离解复合过程开始导致水分损失之前，海洋已经存在了比科学家之前认为的更久。

这些发现揭示了为什么金星曾经看起来和地球如此相似，而如今却几乎面目全非。更好地了解金星是如何、何时以及为何会流失这些水分的，有助于行星科学家理解是什么让一颗行星宜居，又是什么让一颗宜居行星变成一个不再宜居的世界。