金星常被稱為地球的孿生兄弟。這顆與地球相鄰的行星，在大小、質量和岩石組成上都與地球相似。然而不同的是，地球是宜居的，有溫和的海洋和湖泊；而金星的環境則非常嚴酷，雖然金星也有厚厚的大氣層，但其表面溫度可高達470℃，令人窒息的金星大氣比地球上最乾燥的沙漠還要更幹。
金星。（圖/JAXA/ISAS/DARTS/Kevin M. Gill, CC BY）
然而，金星並非一直是乾燥和炎熱的。在數十億年前，這裡也曾有水（H₂O）存在。一些研究表明，金星上曾經擁有和如今地球上一樣多的水。只是隨著時間的推移，金星上的水幾乎全部消失了。
金星表面可能曾經有過海洋。（圖/NASA）
在過去的研究中，科學家已經發展出了許多理論，可以解釋為什麼金星的大部分水都消失了。但是這些理論無法解釋金星目前的乾燥狀態。現在，在一項新發表於《自然》雜誌的研究中，一組天文學家揭示了一種可以解釋金星上的水分流失之謎的新過程。
能量平衡和早期失水
太陽系的宜居帶是圍繞著太陽周圍的一個狹窄環形區域，處於這個區域裡的行星，其表面可以有液態水存在。我們的地球就處於宜居帶，而我們的近鄰——火星，位於宜居帶之外的過冷的一側；我們另一側的近鄰——金星，則處於宜居帶之外的過熱的一側。
一顆行星在宜居帶上的位置，取決於它從太陽獲得的能量以及它輻射出去的能量。過去關於金星是如何流失大部分水分的理論，都與這種能量平衡有關。
在早期金星上，陽光將大氣中的水分解成氫和氧。大氣中的氫會使行星升溫，就像大夏天的床上還蓋了很多毯子一樣。當金星變得太熱時，它就會甩掉這層毯子，這些氫會以外向流的形式逃逸到太空中。這個被稱為流體動力逃逸的過程，有效地將水的一種關鍵成分從金星上移除了。
在大部分氫被移除後，流體動力逃逸就停止了，只留下了一小部分氫。這就像倒空一個水瓶中的水時，底部總還會剩下幾滴，這些剩餘的液滴不能以同樣的方式離開瓶子。然而，在金星上，幾乎所有剩下的液滴也消失了。因此，金星上一定還有其他的過程在繼續移除氫。
小反應，大不同
新的研究表明，一個金星大氣中的被忽視的化學反應，可以產生足夠的逃逸氫，來彌補金星上的水分損失的理論值與觀測值之間的差距。
這個反應的原理是：在行星的高層大氣中，水與二氧化碳（CO₂）混合，會形成由氫（H）、碳（C）和氧（O）原子組成的帶正電的氣態HCO⁺分子。這種分子會與帶負電荷的電子結合，產生一個中性的一氧化碳（CO）分子和一個氫原子（H）。這個過程能給氫原子供能，使氫原子超過金星的逃逸速度，進入太空。整個反應被稱為HCO⁺離解複合。
在金星的高層大氣中，氫原子（橙色）飛入太空，留下一氧化碳分子（藍色和紫色）。（圖/Aurore Simonnet/LASP/CU Boulder）
水是金星上氫的原始來源，因此，離解複合過程可以有效地使金星失水。這樣一個過程很可能在金星的整個生命史中都有發生。新研究表明，甚至直至近日它很可能仍在繼續。
通過將這種HCO⁺離解複合納入考量，金星上的氫逃逸量比之前計算的翻了一番，顛覆了我們對金星上目前的氫逃逸的理解。
模型與觀測的結合
為了研究金星上的離解複合，研究人員使用了計算機建模和資料分析。這個模型始於一個模擬火星大氣化學的項目。火星也是一顆曾經擁有水的行星，只是它的水比金星更少，而且大部分都流失到太空中去了。火星與金星雖然非常不同，但它們有相似的高層大氣，這使得研究人員可以將這個模型擴展到金星。
研究結果表明，無論是在金星還是火星的大氣中，HCO⁺離解複合產生了大量逃逸的氫，這一結果與一顆繞火星運行的衛星——MAVEN任務的觀測結果一致。
可惜的是，目前尚且沒有金星任務在金星大氣中測量過HCO⁺。這並非是因為HCO⁺不存在，而是因為這些金星探測器的設計初衷並不是為了探測HCO⁺。不過，通過分析先驅者金星（Pioneer Venus）任務的測量結果，並結合已有的化學知識，研究人員證實了HCO⁺應該存在於金星的大氣中，並且其含量與模型預測的相似。
水帶來的啟示
水的存在與消失影響著一顆行星是否適合生命生存。這項工作為水是如何從行星上消失的增加了一條新的線索。科學家已經了解到，水分流失不是一蹴而就的，而是隨著時間的推移，通過多種方法的共同發生的。
如今，離解複合過程的存在，讓研究人員知道，金星上的氫的流失速度其實比之前以為的更快，這意味著從金星上清除剩餘水分所需的時間變得更短了。如果早期金星上曾經存在過海洋，那麼在流體動力逃逸過程和離解複合過程開始導致水分損失之前，海洋已經存在了比科學家之前認為的更久。
這些發現揭示了為什麼金星曾經看起來和地球如此相似，而如今卻幾乎面目全非。更好地了解金星是如何、何時以及為何會流失這些水分的，有助於行星科學家理解是什麼讓一顆行星宜居，又是什麼讓一顆宜居行星變成一個不再宜居的世界。
#創作團隊：
編譯：不二北斗
排版：雯雯
#參考來源：
https://theconversation.com/venus-is-losing-water-faster-than-previously-thought-heres-what-that-could-mean-for-the-early-planets-habitability-229342
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07261-y
https://www.colorado.edu/today/2024/05/06/venus-has-almost-no-water-new-study-may-reveal-why
#圖片來源：
封面圖&首圖：Aurore Simonnet/LASP/CU Boulder