[论文解读] EnVision: understanding why our most Earth-like neighbour is so different

Richard Ghail, Colin Wilson+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2017

Planetary Science and Exploration参考文献 129被引用 8

一句话总结

EnVision 是一项拟议的欧空局 M5 任务，旨在揭示金星为何在大小和形成过程与地球相似的情况下，演化路径却如此不同。该任务将利用先进的 S 波段雷达、地下探测和光谱仪，绘制地表形变、地下结构和大气成分，以寻找过去和当前地质活动的证据，从而理解失控温室效应的演化过程及类地行星的多样性。

ABSTRACT

This document is the EnVision Venus orbiter proposal, submitted in October 2016 in response to ESA's M5 call for Medium-size missions for its Science Programme, for launch in 2029. Why are the terrestrial planets so different? Venus should be the most Earth-like of all our planetary neighbours: its size, bulk composition and distance from the Sun are very similar to those of Earth. Its original atmosphere was probably similar to that of early Earth, with abundant water that would have been liquid under the young sun's fainter output. Even today, with its global cloud cover, the surface of Venus receives less solar energy than does Earth, so why did a moderate climate ensue here but a catastrophic runaway greenhouse on Venus? How and why did it all go wrong for Venus? What lessons can be learned about the life story of terrestrial planets in general, in this era of discovery of Earth-like exoplanets? Were the radically different evolutionary paths of Earth and Venus driven solely by distance from the Sun, or do internal dynamics, geological activity, volcanic outgassing and weathering also play an important part? Following the primarily atmospheric focus of Venus Express, we propose a new Venus orbiter named EnVision, to focus on Venus' geology and geochemical cycles, seeking evidence for present and past activity. The payload comprises a state-of-the-art S-band radar which will be able to return imagery at spatial resolutions of 1 - 30 m, and capable of measuring cm-scale deformation; this is complemented by subsurface radar, IR and UV spectrometers to map volcanic gases, and by geodetic investigations.

研究动机与目标

• 调查为何金星尽管大小和距离太阳与地球相似，却演化为失控温室世界。
• 理解内部动力学、火山脱气作用和风化作用在塑造行星演化中的作用。
• 确定金星当前极端条件是由外部因素（例如轨道距离）还是内部过程导致。
• 寻找过去或当前地质活动的证据，包括火山和构造过程。
• 通过对比地球与金星，增进对类地行星宜居性的理解。

提出的方法

• 部署一颗搭载高分辨率 S 波段雷达的金星轨道器，可实现 1–30 米分辨率的地表成像，并检测厘米级的地表形变。
• 利用地下雷达探测技术探测浅层内部结构，识别潜在的地下构造或冰层沉积。
• 采用红外和紫外光谱仪，绘制大气成分图，包括火山气体（如 SO2）和 CO2 同位素种类。
• 开展大地测量观测，研究金星的重力场，推断其内部结构和质量分布。
• 整合多仪器数据，建立地表-大气相互作用和挥发物循环的模型。
• 利用任务的轨道轨迹和时间安排，实现对大气动力学和地表变化的长期监测。

实验结果

研究问题

• RQ1 金星当前或近期的火山活动和构造活动的性质与分布是什么？
• RQ2 挥发物脱气和风化过程在金星大气演化中起到了何种作用？
• RQ3 金星内部行星动力学和热量传输机制与地球相比存在多大差异？
• RQ4 金星过去是否存在液态水的证据？其消失时间是什么时候？
• RQ5 金星的地质与大气演化路径与地球及其他类地系外行星相比有何异同？

主要发现

• 拟议的 EnVision 任务将通过 S 波段雷达实现 1–30 米的地表成像分辨率和厘米级形变检测能力。
• 地下雷达探测将为浅层内部结构和潜在地下储层提供新见解。
• 红外和紫外光谱仪将高灵敏度地绘制火山气体和大气成分图，实现对瞬态喷 plume 或脱气事件的探测。
• 大地测量观测将改善对金星内部结构和质量分布的约束。
• 该任务将首次提供全面、多仪器协同的科学数据集，关联金星的地表地质、大气化学与内部动力学。
• 该任务旨在解决系外行星系统背景下行星气候演化与宜居性的基本科学问题。