10.3: 金星的巨大大气层

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述金星上大气层的总体组成和结构
解释温室效应是如何导致金星高温的

金星的厚厚大气层会产生较高的表面温度，并将地表笼罩在永恒的红色暮光中。阳光不会直接穿透厚的云层，但是漫反射光可以很好地照亮表面（与大阴天下的地球上的光差不多）。这种深层大气底部的天气永远保持炎热干燥，风平静。由于云层和大气层密布，就天气而言，金星表面的一个点与其他任何地方都相似。

大气的组成和结构

金星上最丰富的气体是二氧化碳 (\(\ce{CO_2}\))，它占大气的96％。第二常见的气体是氮气。当你回想一下，如果二氧化碳不被封锁在海洋沉积物中，地球的大气层也将主要是二氧化碳时，二氧化碳比氮占主导地位也就不足为奇了（参见关于地球大气层作为行星的讨论）。

该表\(\PageIndex{1}\)比较了金星、火星和地球大气层的组成。以这种方式表示，以百分比表示，金星和火星的主要气体的比例非常相似，但在总量上，它们的大气层却截然不同。金星大气层的表面压力为90巴，其质量是火星大气层的10,000倍以上。总体而言，金星的大气层非常干燥；缺水是金星与地球区别的重要方式之一。

表\(\PageIndex{1}\)：地球、金星和火星的大气成分
煤气	地球	金星	火星
二氧化碳 (CO ₂)	0.03%	96%	95.3%
氮气 (N ₂)	78.1%	3.5%	2.7%
氩气（Ar）	0.93%	0.006%	1.6%
氧气 (O ₂)	21.0%	0.003%	0.15%
霓虹灯（新）	0.002%	0.001%	0.0003%

金星的大气层有一个巨大的对流层（对流区域），延伸到地表上方至少 50 千米处（图\(\PageIndex{1}\)）。在对流层内，气体从下方加热并缓慢循环，在赤道附近上升并下降到两极上方。位于金星大气层的底部就像在地球海面以下一公里或更远的地方。在那里，大量的水可以平衡温度变化并形成均匀的环境，这与厚厚的大气层对金星的影响相同。

alt — 人物\(\PageIndex{1}\)金星的大气层。此处显示的金星大气层基于先锋和维内拉入口探测器的数据。高度沿左轴测量，底部刻度显示温度，红线允许您读取每个高度的温度。请注意，由于地球的巨大温室效应，云层以下的温度升高是多么剧烈。

在距离地表30至60千米的上层对流层中，厚厚的云层主要由硫酸液滴组成。硫酸\(H_2SO_4\)）由二氧化硫 () 和水 (\(SO_2\)\(\ce{H_2O}\)) 的化学组合形成。在地球大气中，二氧化硫是火山排放的主要气体之一，但它很快就会被降雨稀释和冲走。在金星的干燥大气中，这种令人不快的物质显然是稳定的。在30公里以下，金星大气层没有云层。

金星表面温度

金星的高表面温度是射电天文学家在20世纪50年代末发现的，并得到了Mariner和Venera探测器的证实。我们的邻居星球怎么会这么热？尽管金星比地球更接近太阳，但它的表面比你从接受的额外阳光中预期的要高数百度。科学家们想知道是什么能将金星表面加热到700 K以上的温度。答案竟然是温室效应。

温室效应对金星的作用与在地球上的作用一样，但由于金星的效应要多得多，\(\ce{CO_2}\)几乎是100万倍，因此效果要强得多。厚度\(\ce{CO_2}\)充当毯子，使得来自地面的红外（热）辐射很难返回太空。结果，表面升温。只有当行星辐射的能量与从太阳接收的能量一样多时，才能恢复能量平衡，但这只有在低层大气的温度非常高时才会发生。温室供暖的一种思维方式是，在实现这种能量平衡之前，它必须提高金星的表面温度。

金星是否一直有如此巨大的大气层和高的地表温度，还是从再次接近地球的气候演变为这样的条件？当我们观察地球大气层\(\ce{CO_2}\)中不断增加的水平时，这个问题的答案对我们特别感兴趣。随着地球上的温室效应越来越强，我们有没有将自己的星球变成像金星这样的地狱般的地狱之地的危险？

让我们试着重建金星从类似地球的起点到现在状态的可能演变。金星可能曾经有过与地球相似的气候，温度适中，海洋，其中大部分\(\ce{CO_2}\)溶解在海洋中或与地表岩石化学结合。然后，我们允许适度的额外加热，例如，通过逐步增加太阳的能量输出。当我们计算金星的大气层将如何应对这种影响时，事实证明，即使是少量的额外热量也可能导致海洋中水的蒸发量增加和地表岩石中气体的释放。

这反过来又意味着大气层\(\ce{CO_2}\)和气体的进一步增加\(\ce{H_2O}\)，这将放大金星大气中的温室效应。这将导致金星表面附近有更多的热量，\(\ce{CO_2}\)并进一步释放出来\(\ce{H_2O}\)。除非其他过程干预，否则温度将继续升高。这种情况被称为失控的温室效应。

我们要强调的是，失控的温室效应不仅仅是一种大规模的温室效应；它是一个演变过程。正如我们今天在金星上看到的那样，大气层从产生微小的温室效应（例如对地球的温室效应）演变为以温室变暖为主要因素的情况。一旦大型温室条件形成，地球就会在其表面附近建立一种新的、更热的平衡。

由于水所起的作用，扭转这种局面很困难。在地球上，大多数要么通过化学方式结合在地壳的岩石中，要么被海洋中的水溶解。\(\ce{CO_2}\) 随着金星越来越热，它的海洋蒸发了，消失了那个安全阀。但是，在有来自太阳的紫外线的情况下，地球大气中的水蒸气不会永远持续下去。轻元素氢气可以从大气中逸出，留下氧气与地表岩石化学结合。因此，水的流失是一个不可逆转的过程：水一旦消失，就无法恢复。有证据表明，这正是金星上曾经存在的水所发生的事情。

我们不知道有朝一日地球上是否会发生同样的失控温室效应。尽管我们不确定稳定的温室效应会在何时分解并转化为失控的温室效应，但金星清楚地证明了这样一个事实，即如果海洋和大气层没有重大变化，行星就无法无限期地继续升温。这是我们和我们的后代一定要密切关注的结论。

摘要

金星的大气层为96％\(\ce{CO_2}\)。海拔 30 到 60 千米的厚云是由硫酸构成的，而温室效应的 a\(\ce{CO_2}\) 维持较高的地表温度。由于温室效应（包括大量水的流失）失控，金星可能是在更像地球的初始条件下达到了目前的状态。

词汇表

失控的温室效应: 在这个过程中，温室效应不但没有保持稳定或通过干预得到减轻，反而继续以越来越快的速度增长