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現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者
近日與天文相關而最受關注的新聞,可說是有科學家發現金星大氣層有磷化氫的反應,而且濃度不算低(約20ppb,即1億個空氣分子中有2個,以金星大氣密度而言,這算很高)。雖然80年代的蘇聯金星探測計劃已發現大氣中有磷,但磷化氫在自然界中基本上只能透過微生物/壓氧生物才能產生出來,故有學者認為金星的高空大氣層可能存在生命。
不過在傳出行星生物學重大利好消息及可能引發新一輪金星探測興趣時,俄國卻在一項新的金星探測計劃上「一腳伸開」美國,不再接受NASA參與計劃。由於近年NASA經費因登月計劃及所費甚鉅的James Webb太空望遠鏡而令太空資金十分吃緊,幾乎沒有餘力重新設計一個能抗拒金星極端環境的探測器;未來十年除了一些小行星探測計劃外,他們就再沒有探測其他行星的計劃(註1)。
俄國航天部門此舉似乎和美俄關係大幅惡化,連原本影響較少的太空合作都因美國停止購買載人前往國際太空站的服務而受到影響;另一方面,這可能又是雙方資金攤分談不攏的結果(NASA在這個計劃上有點像搭順風車、跟隨登陸器降落金星並在中途脫離,成為一個氣球探測器),或者俄國有乘研究報告發表而「坐地起價」之嫌,尤其是,金星探測一直以來就是前蘇聯航天的強項……
單純就質量及成份而言,金星其實非常接近地球,質量大約是地球的81%,直徑只比地球少600公里。由於金星與太陽的距離為地球的3/4,客觀上金星比地球吸收更多太陽的能量,但由於金星表面面積大約只有地球90%,削除溫室效應後行星平均溫度只比地球高一點(260K VS 255K)。若果金星大氣層成份更接近地球的話,未必比地球熱多少。
基於技術原因及表面溫度過高,雖然已有不少地表數據,但仍無法進行大規模地質研究,對於金星今天模樣的成因所知甚少,只知與兩大現像有關:自轉緩慢及溫室氣體濃度極高,且兩者是互為影響的。自轉緩慢有可能來自早期某次大撞擊事件所影響,其結果則是大幅減慢金星自轉速度,影響內部對流,直接導致沒有足夠磁場產生(也間接導致板塊沒能生成);在這情況下,金星原有水份及大部氫、氧氣會被太陽風所加速逸失;巨量溫室氣體則來自大規模火山噴發的「補充」,這個活躍程度可比除木衛一及地球外其他行星 / 衛星都強並持續數千萬至數億年,除完全重塑金星地面外,更造成氣壓比地球大上90倍的高濃度二氧化碳大氣層,困住大部分熱能,令地表溫度達到連鉛及錫等都可溶化的地步。
金星生命痕跡的發現,著實令人驚訝,因為根據近期生物起源的理解,早期生物源自海邊或熱水潭中間的小洞,水流或潮汐讓不同有機物隨機沖進洞中積聚並隨機組合形成的;大氣層中的微生物則是由地表隨風吹上來的,地表上無法維持生命的話,大氣層中的生物都難以長期存在,惶論作更複雜的進化,然而金星地表的惡劣環境至少已維持了7億年,很難想像大氣層中仍有微生物能維持。
當然,由於金星表面環境極其惡劣,嚴重限制了儀器的使用,事實上也嚴重限制了對金星的進一步探測,尤其是最重要的長期大氣層與地面探測。加上行星科學發展上普遍更著重同樣近但較冷、較大機會找到生命跡像的火星,變相令西方太空探索較為忽略金星的研究。相比之下,前蘇聯可是一個例外。
曾經有一個冷戰戲謔提道「火星是資本主義的;金星是社會主義的」,美蘇兩國冷戰期間的太空競賽,集中在四條路線上,分別是登月、載人航天、太空站及對不同行行星的深空觀察上。單就深空觀察一項上,兩國的競賽可說一面倒:相對於美國幾乎都去過八大行星,且在火星上進行了登陸活動;蘇聯不單只集中於火星和金星上,在火星探測上更是少有的「仆街」到底,歷次探測中只有兩次部分成功,而且雖然爭取到首次登火成功,但登陸後10多秒即發生故障,連第一張照片都沒有傳送完成,可謂霉運至極。相對地,美國的探測則幾近大獲全勝。
同期的金星探測,形勢卻是反轉過來。1970年代登月後NASA預算驟減,其費用多集中於穿梭機研發、外行星探測及不甚成功的天空實驗室上,對金星沒有投入過多心力;相對的,蘇聯航天當局就搞了個最困難的項目:直接登陸金星。以70年代而言,這更像是在登月及探火失敗後扳回一城的行為,似乎有些賭氣成份。然而以當時技術看來,若進行SAR雷達地形探測任務,蘇軍仍在試驗相關技術,未能投入使用;而大氣層化學實驗又可在登陸過程中完成,因為整個再入大氣層過程可要持續一小時,足夠完成大氣層測量,所以著陸任務事實上更化算。
蘇聯的金星任務就簡單的被稱為金星計劃(音譯維拉尼亞),由1961年開始,1985年才基本結束。基於之前蘇聯外空間任務失敗較多,加上每次發射門窗口都有18-19個月的限制,蘇聯太空部門每次都是發射兩個著陸器互為備份,務求必定有一個完成任務;至1975年後成功率幾乎達100%,但仍維持這樣的發射模式,直到1985年最後的維加計劃為止。
由1972年的金星8號開始,引入一個全新概念的著陸器。著陸器外邊有個具一定熱盾功能的球體外殼。再入外殼後在65公里上空脫離並張開降傘(這區的氣壓已接近地面的1巴),降落傘在45公里的高度脫離,然後就靠愈來愈高的大氣壓及探測器本身的鈦合金減速結構持續減速,到達地表時降落速度已跌至7米 / 秒,比起地球的自由落體速度(55米/秒)低很多。
基於技術所限,當時所採用的攝影技術是全廣角形攝影並以當時的類比電視拍攝及傳送形式,經由天線上傳到軌道器,再由軌道器發送回地球(早期是黑白攝影機,到八十年代轉用彩色),加上相機觀影鏡設計特別,照片基本角度都是向下的,發回來的照片都類似魚眼透鏡的形式,後期經過影像調整,才有正常維度的影像。及後維加計劃(金星計劃最後兩個項目),登陸器改成完全的實驗儀器,不再發送影像(因為要佔用很多空間與載荷),同時能於降落途中施放探測氣球。這氣球亦是史上首兩個也是至現在唯二兩個金星大氣層觀察氣球。
金星登陸器另一特殊之處,在於核心科學與通訊儀器都是裝在鈦製並輔以隔熱物料的耐壓隔熱壓容器之內(簡單來說,蘇聯太空部門是把深潛用耐壓球殼直接搬到降落器上用),少數暴露在外的探頭及攝影機都處以耐高溫耐壓處理,這大大加長了探測器在450℃高溫下的工作時間,最長達到兩小時,而且這是在90巴(90倍地球大氣壓,相當於900米下海洋的水壓)下完成的!相對之下,美國的伽利略號所搭載的木星大氣層探測器,只在木星大氣層內生存了57分鐘,且只在150℃及22巴大氣壓的性況下就「敗陣」了!
現時俄國正在進行的金星探測計劃被稱為金星-D,嚴格來說是金星計劃的延續,技術上更是以金星14號及維加1、2號的著陸器與軌道器為基礎,算是現代化版本,現時除細部設計外,其實還在資金籌措的階段。其耐壓耐熱結構在十二次成功著陸及工作中已證實非常可靠!之前小弟提過,航天探測中一個好的多功能功作平台,比什麼火箭或最穩定芯片更要(軍事及航天在芯片上一直是求穩而不是求新,不過KOL是不會教你的)!這也難怪俄羅斯在金星探測計劃上仍然有向美國叫扳的資本了。
註1:按已落實的計劃,2025年前會發射一個木衛二的軌道探測器,不過至少要到2031年才開始入軌並進行觀測工作。
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