在金星的夜幕中

skystar

着：David Crisp 译：Shea

   
    1999年11月2日，施兰格（Slanger）及其同事把巨大的10米凯克Ⅰ望远镜指向了离我们最近的行星邻居——金星的背阳面。地基望远镜和一系列的空间探测器已仔细研究了金星35年，而这张蕴含着巨大发现的高分辨率凯克光谱照片却仅花了8分钟的曝光时间，其中的发现就是第一次发现在金星的背阳面存在可见光波段的原子氧的气辉。泄露这一发现的是源自于金星大气上层的在557.7nm波段原子氧的绿色发射线。这种发射在地球上的极光中特别显著，但它出现在金星背阳面的光谱中着实让人吃惊不小。

    相似的大小以及在太阳系中所处的位置使我们一度把金星视为地球的双胞胎兄弟，但近距离的检测却显示这两颗行星几乎在各方面都存在着差异，从大气成分到行星的自转。不像以氧为主的地球大气，在包裹整个行星的、以二氧化碳为主的稠密大气中仅含有小于0.1ppm的原子氧或分子氧。原子氧可能是在金星的朝阳面由阳光中的紫外线与二氧化碳发生光离解反应所生成的。为了产生观测到的气辉，这些原子氧必须通过信风把它们从朝阳面送至背阳面。一旦到达那儿，它们还必须获得额外的4个电子伏的能量以受激发进入1S状态。这些受激发的原子氧发射出557.7nm的光子进而产生了绿色的发射线，之后它便还原到了1D状态。

    在地球大气中，氧原子通过与太阳风中的高能电子相碰撞或与高度受激发的氧分子相碰撞获得额外的能量。但普遍认为这两种激发机制中没有一个会在金星的背阳面积极有效的起作用，因为金星没有可探测到的永久磁场来运送太阳风中的电子到金星的背阳面而且受激发的氧分子在金星上又极其的稀少。然而施兰格及其同事的观测却显示，金星背阳面的绿色发射线的体发射率与地球富氧的大气所产生的夜天光发射率相当。

    施栏格及其同事所测定的绿色发射线的强度还太弱尚无法解释在宇航时代前就被天文学家和天文爱好者所观测到的灰光，但是新的观测结果却可以帮助我们揭开金星上层大气中氧的动力学和化学之谜。特别地，它们还可以提供信息来解释在红外波段更为剧烈的氧气气辉。这种气辉产生自金星上层大气中氧原子的重组，它会在1Δg激发态形成氧气。之后这些分子会放出一个波长为1.27mm左右的光子，使之还原到基态。关于绿色发射线，观测到的氧分子发射率预示尽管金星上基态氧分子的聚集度远小于地球上的情况，但在这一特殊的激发态下两者大气中的氧分子的聚集度几乎相同。但令人惊讶的是，金星大气似乎只能产生1Δg态的氧分子，而地球大气中氧原子的重组却能形成不同激发态的氧分子。

    引起氧气（1Δg）气辉在空间和时间上变化的物理、化学过程尚不甚明了，但它的可变性却有助于解释绿色发射线的一个令人疑惑的特制。1975年空间探测器观测金星背阳面时并没有发现在可见光波段原子氧绿色和红色谱线的证据，但新的观测和早先的空间探测器却观测到在Herzberg Ⅱ波段的氧气的气辉。后者不仅占据了与原子氧绿色发射线相同的波段，而且具有可比强度。这些结果暗示绿色发射线在空间和（或）时间上可变。这些变化是否与1Δg态的氧气的变化有关？不幸的是，我们甚至连这样简单的问题还不能回答，因为我们今天还没有对原子氧的绿色发射线和1Δg态氧气的气辉进行同时的观测。

    从地面和地球人造卫星上，我们已对地球上层大气中的氧的绿色发射线进行了广泛的研究。这些观测数据已被分析进而绘制中间层上部到热成层下部90至120公里处风、气温和大气波的全球分布图。金星大气中云层及其上层的化学、热结构以及动力学性质已使行星科学家为之困惑了数十年。进一步的观测并且分析金星背阳面的氧绿色发射线以及处于1Δg态氧气的气辉可能有助于认识发生在离我们最近的行星邻居大气上层的神秘现象。


附：施兰格发现在金星的背阳面的气辉中存在原子氧的绿色发射线的论文
Discovery of the Atomic Oxygen Green Line in the Venus Night Airglow.
T. G. Slanger, P. C. Cosby, D. L. Huestis, and T. A. Bida
Science 2001 291: 463-465. (in Reports)
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/291/5503/463