資料圖片:金星,圖片來源:NASA

近 30 年來首次直接測量金星大氣 確認電離層厚度與太陽磁場週期同步變化

2020 年 7 月,美國太空總署 (NASA) 的派克太陽探測器 (Parker Solar Probe) 近距離掠過金星。距離金星表面僅 833 公里的電離層 (ionosphere) 時,該探測器記錄了一個奇怪且明顯的低頻無線電訊號。這亦是近 30 年來有人類儀器首次直接現場測量金星的高層大氣層。最新刊於 Geophysical Research Letters 的報告公佈當中數據,指發現讓人類更了解金星如何對太陽週期性變化作出反應。

金星的大小和組成成份與地球非常相似,但其大氣層有毒,溫度亦高達 462°C ,完全不適合人類生活。這對於銀河系中尋找其他宜居星體的行星科學家和天體生物學家而言是非常有趣,並研究兩個相類似的行星如何發展成如此完全不同的特徵。

探索金星任務一直較少

然而,探索金星的任務一直相對較少。首先是金星表面過熱,儀器無法著陸,另外由於主要由二氧化碳組成的大氣層與硫酸雨雲極厚,探測器很難分辨金星地表情況。

派克太陽探測器原本是用作詳細研究太陽,但多次利用金星重力助推,令其軌道更接近太陽,這過程令探測器記錄到來自金星的無線電訊號。

NASA 團隊本身不清楚無線電訊號的來源,但其後發現這與伽利略號 (Galileo) 於木星衛星電離層掠過時所記錄的訊號相同。該層大氣層在地球和火星上也有,太陽輻射會將原子電離,導致帶電等離子體產生低頻無線電訊號。

此訊號可幫助團隊計算金星電離層的密度,並將其與上一次在 1992 年進行的直接測量相比較。團隊發現,新測出的金星電離層比 1992 年所得的薄一個數量級 (order of magnitude) 。

電離層厚度有週期性變化

團隊認為這可能與太陽週期有關。因為每隔 11 年太陽兩極會互換一次,目前未清楚有何因素驅動這些循環,但人類知道當太陽磁場最弱時兩極就會互換,而太陽的磁場會控制著例如黑子、太陽耀斑和日冕物質拋射的太陽活動。太陽磁場最弱時會有最少的太陽活動,即所謂的太陽極小期 (solar minimum) ;太陽磁極切換後,磁場會增強,活動會上升至太陽極大期,然後不斷循環。

來自地球的金星測量表明,金星電離層與太陽週期同步變化,在太陽最大時變厚,在太陽最小時變薄。但如果無直接測量,就很難確認。

團隊指, 1992 年的測量是在接近太陽極大期時進行,相反 2020 年的測量值則接近太陽極小期,數字都與在地球的測量結果一致。

不過,科學界暫時仍未清楚太陽週期對金星電離層產生影響的確切原因,但有兩種主要理論。

首先是電離層的上邊界可以在太陽極小期壓縮到較低的高度,有日照的電離原子不會流向無日照一邊,從而使無日照一邊的電離層變薄。第二個原因是在太陽極小期時,電離層以更快的速度逸至太空中。

派克太陽探測器的數據不能排除這兩種說法,團隊希望未來的任務和觀察結果能夠闡明正在發生的事情,幫助人類更了解金星大氣層的演化。

來源:
Science Alert, Venus Flyby Reveals Low-Frequency Radio Signal Detected in The Planet's Atmosphere, 4 May 2021

報告:
Collinson, G.A., Ramstad, R., Glocer, A. & et al. (2021). Depleted Plasma Densities in the Ionosphere of Venus Near Solar Minimum From Parker Solar Probe Observations of Upper Hybrid Resonance Emission. Geophysical Research Letters. doi: 10.1029/2020GL092243

文/Alan Chiu

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