2025, Vol. 46
作为太阳系中的类地行星，金星在大小、质量、体积以及与太阳的距离上几乎与地球一致，且可能具有相似的原始组成，因此被誉为地球的“姊妹星”。然而，尽管二者在基本物理特性上有相似之处，金星在大气组成、地质构造、内部演化和表面环境等方面却与地球有显著不同。金星的大气层是太阳系中最浓厚的，以二氧化碳（96.5%）和氮气（3.5%）为主，兼有HCl、HF等强烈腐蚀性成分（Landis，2021），其大气压力约为地球的92倍，表面平均温度高达462 ℃，呈现出全球等温状态，不受昼夜和纬度影响。金星的地质活动主要由火山作用控制（Taylor et al，2018），由于缺乏地球上广泛分布的板块构造，其表面呈现出与地球不同的地貌特征，如区域平原、盾状火山、冕状地形和瓦片状地形等（Smrekar et al，2007，2018；Ivanov et al，2011）。此外，金星具有类似地球的核—幔—壳结构（Davis，2005），但可能由于其表面高温、缺乏液态水以及未形成软流圈（Kiefer et al，1991；Huang et al，2013），导致金星内部缺乏地球上活跃的地幔对流和板块运动（Kiefer et al，1991；Richards et al，2001；Höink et al，2012；Huang et al，2013）。这些差异使得金星成为研究行星演化与宜居性的重要对象。研究金星不仅有助于深入探究行星内部结构和表面特征多样性形成的机制，还能为预测地球未来的地质变化和寻找宜居行星提供关键线索。因此，研究金星的地质特征、大气环境和内部动力学，已成为行星科学研究领域的一个重要方向。
自20世纪60年代以来，人类对金星的探测活动不断推进，取得了大量重要的科学成果。金星的早期探测主要由美国和苏联进行。1961年，苏联发射航天器“维纳拉1号”，首次尝试接近金星，尽管未能成功，却揭开了金星探测的序幕。1967年，苏联“金星4号”（Venera 4）成功进入金星大气层并进行成分分析，为后续探测奠定了基础。随后，“维纳拉”系列探测器成功实现了对金星表面和大气的软着陆探测，并传回大量数据，其中包括“维纳拉9号”和“维纳拉10号”拍摄的金星表面图像。进入21世纪，金星探测逐渐呈国际化趋势。2005年，欧洲航天局（ESA）发射“金星快车”（Venus Express），对金星大气和高层云层进行长期观测，揭示了其极端气候和大气动力学的细节。2010年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）发射“拂晓号”（Akatsuki），通过多波段观测，获取了金星云层和风场的变化数据，为理解金星大气的超级旋转现象提供了重要依据。2018年，美国NASA发射的“帕克太阳探测器”（Parker Solar Probe），在绕行太阳过程中对金星的大气和磁场进行了飞掠观测，获取了金星高层大气的等离子体特性和磁层环境的数据。同年，欧洲航天局（ESA）与日本宇宙航空研究开发机构JAXA合作发射的“贝皮可伦坡号”（Bepi Colombo），在前往水星途中多次飞掠金星，进一步丰富了对金星磁场和电离层特性的认识。
尽管这些探测任务取得了丰富的科学数据，但金星的许多科学问题仍有待解答。在当前研究中，金星的地质活动、内部结构和大气动态仍存在诸多未知（Glaze et al，2018）。尤其是其逆向自转成因、火山活动现状以及大气超级旋转现象等关键科学问题，尚未得到充分解释（Imamura et al，2020）。这些未解之谜成为未来金星探测的主要方向和切入点。
近年来，金星探测任务的热度逐步回升，多国计划在未来十几年内开展新的金星探测项目，继续深度研究。在此背景下，本文结合金星探测计划进展和现有成果，梳理了在金星大气成分、地质活动、内部结构以及宜居性等方面尚未解决的科学问题，以及金星探测能力提升的关键技术需求，并对未来的金星探测作了展望。同时，对我国未来的金星探测制定分阶段探测战略，拟将金星探测划分为轨道、浮空器和着陆探测三部分，创新性地综合运用多种探测手段，针对其极端环境，提出新材料和技术的应用，进一步加深对金星与地球演化路径的对比研究，以探究类地行星在不同环境条件下的演化机制，并为地球未来气候变化的预测和宜居行星的寻找提供科学参考。
1 金星的基本情况金星（Venus）在太阳系8大行星中，是从太阳向外的第二颗行星，没有天然卫星。在中国古代称为太白、明星或大嚣，早晨出现在东方称启明，日落出现在西方称长庚。其在夜空中的亮度仅次于月球，是第二亮的自然天体，视星等可达-4.7等，足以在地面照射出影子。金星的大小、质量、体积以及到太阳的距离均与地球相当，被称为地球的“姊妹星”（Catling et al，2020；Sossi et al，2020）。2颗星球的主要参数对比结果详见表 1，数据来源：https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/venusfact.html。
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表 1 金星与地球的主要参数比较 Table 1 Comparison of the main parameters of Venus and Earth |
然而，金星在其他方面则与地球显著不同。其具有4颗类地行星中最浓厚的大气层，组成成分中96%以上是二氧化碳，大气压力是地球的92倍，表面平均温度可达735 K（462 ℃；863 °F），是太阳系中最热的行星。此外，金星表面几乎呈现出全球等温状态，不受昼夜和纬度的影响。这种等温现象是其厚重的二氧化碳大气层、高热容量、快速的全球风系以及缺乏显著季节变化共同作用的结果。从地球的北极视角观察，太阳系内所有行星均以逆时针方向在各自轨道上运行。然而，与太阳系中的大多数行星相比，金星却以相反方向旋转，这种现象称为逆行旋转。由于这种旋转，在金星上看，太阳从西边升起、东边落下，与地球上太阳的东升西落不同，但对其逆行自转的原因还知之甚少。金星自转需243地球日，是所有行星中转得最慢的（Correia et al，2001）。因其自转缓慢，故极度接近球形。金星的恒星日比其地球日1年长（243相对于224.7地球日）。金星赤道线速度为6.5 km/h（4.0 mph），而地球则接近1 670 km/h（1 040 mph）。由于金星距太阳更近，太阳强大的引力影响使得卫星很难形成并保持在稳定轨道上，因此其没有天然卫星，目前仅有小行星2002 VE68维持着准卫星轨道关系。
相较于其他行星，金星与地球距离相对较近，且在行星性质上与地球有较高相似度，但在大气层和气候、地形地貌、表面地质以及内部结构等方面呈现出截然不同的特征，因此逐渐成为国际社会深空探测的重要目标。
2 金星探测历史金星作为地球的“姊妹星”，其极端大气环境、逆向自转以及缺乏板块构造等特性引起了全球科学家的广泛关注。自20世纪60年代以来，世界各国开展了多次金星探测任务，旨在揭示这颗类地行星的科学奥秘。探测任务可以大致分为3大阶段：苏联早期的“金星”（Venera）系列，美国的“水手”（Mariner）、“先驱者”（Pioneer）、“麦哲伦”（Magellan）系列和最新探测任务，日本的“拂晓号”（Akatsuki）以及欧洲的“金星快车”（Venus Express）和国际合作项目。这些任务为后续探测计划提供了技术积累和数据支持（数据来源：https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/planets/venuspage.html）。“金星计划”在太空探索方面开创了许多先例，其中包括首艘进入另一星球大气层的人造装置（1966年3月1日，金星3号），首次实现在另一行星上软着陆（1970年12月15日，金星7号），率先返回另一颗行星表面的图像（1975年6月8日，金星9号），也是第一次用高分辨率合成孔径雷达对行星进行扫描测绘（1983年6月2日，金星15号）。
如表 2所示，不同的国际科研机构先后累计发射32个金星探测器，若将路过金星的探测器计算在内，其总量可达40余个。在所有金星探测器中，大部分探测器未成功完成任务，其中成果或部分成功完成探测任务的仅有29次。针对不同探测目的，可将探测计划做进一步划分，其中可明显观察到，各国对金星大气及地质的探测和研究目的性强烈。
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表 2 金星探测计划发展历程 Table 2 History of the Venus exploration program |
苏联的金星计划起源，可追溯到20世纪50年代末期。当时苏联的太空技术已取得举世瞩目的成就，如发射了第一颗人造卫星、送上了第一位宇航员、实现了第一次太空对接等。在20世纪60年代至80年代期间，苏联先后开展了多次金星探测任务，主要通过“金星”（Venera）系列和“维加”（Vega）计划，实现了从大气进入、表面软着陆到地表成分分析等多种探测手段（Harvey，2015）。如“金星1号”和“金星3号”等早期任务，尽管通信失联未能传回数据，但为后续任务提供了宝贵的技术经验。随着探测技术的不断进步，苏联成功发射了“金星4号”，首次测定了金星大气的成分与特性，确定了金星大气主要由二氧化碳构成，具有极高的压力和温度。“金星9号”和“金星10号”成功软着陆并拍摄了金星表面的全景图像，揭示了火山、熔岩平原等地质特征，并通过光谱分析明确了地表岩石成分，还原了其独特的地形特征（Taylor，2014）。“金星15号”和“金星16号”通过合成孔径雷达成像，绘制了详细的金星地形图，发现金星表面缺乏板块构造，表明其内部演化路径与地球显著不同（Ivanov et al，1986；Zasova et al，2006）；“维加1号”和“维加2号”更是利用气球探测器获取了大气动力学数据，深入揭示了金星大气的超级旋转现象（Sagdeev et al，1986），展现了多手段综合探测的能力。
2.2 美国探测历史美国自20世纪60年代开始对金星进行探测，开展了“水手”（Mariner）、“先驱者”（Pioneer）、“麦哲伦”（Magellan）等系列探测任务，累计执行了10余次金星探测行动。1962年，美国成功发射“水手2号”，首次飞掠金星，测得金星的表面温度，揭示了其极端温室效应，为后续探测奠定了基础。“水手5号”和“水手10号”也为金星大气与云层研究提供了早期数据（Shirley，2003）。1978年，美国发射“先驱者金星1号”和“先驱者金星2号”，通过进入金星轨道和大气，提供了金星大气成分、温度、压力和云层的详细数据，揭示了金星大气的多层结构与复杂动力学过程，并利用雷达成像获取了金星表面的粗略地图（Taylor，2014）。1989年发射的“麦哲伦号”，则利用合成孔径雷达详细绘制了金星表面98%的区域，发现了大量火山、熔岩平原和断裂带，揭示了金星缺乏板块构造但具有活跃地质活动的特征，为研究金星的地质构造和火山活动提供了高分辨率数据。此外，2018年发射的“帕克太阳探测器”，在多次飞掠金星的过程中，收集了金星高层大气、等离子体和磁场环境的数据，为研究金星大气与太阳风的相互作用提供了新的数据。美国的金星探测任务注重雷达成像和大气研究，深化了对金星大气、表面特征和地质构造的理解。
2.3 欧洲探测历史欧洲航天局（ESA）对金星的探测主要依托“金星快车”（Venus Express）和“贝皮可伦坡号”（BepiColombo）进行。“金星快车”于2005年发射，2006年进入金星轨道，执行为期8年的探测任务。通过紫外和红外光谱仪观测，揭示了金星大气的分层结构、云层中的气溶胶分布，并首次观测到双极涡旋现象，深化了对金星超级旋转和温室效应的理解。同时，探测到的金星大气逃逸现象为行星大气演化研究提供了新的见解（Drossart et al，2015）。利用磁力计和等离子体分析器，“金星快车”详细分析了金星磁层与太阳风的相互作用。“贝皮可伦坡号”于2018年发射，其为欧洲航天局（ESA）与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的合作项目，目标是前往水星探测。2020年和2021年，“贝皮可伦坡号”2次飞掠金星，期间利用搭载的磁力计、热红外成像光谱仪和紫外光谱仪等对金星的大气成分、磁场和等离子体环境进行了探测。其多波段观测数据进一步丰富了金星电离层特性及高层大气特征知识，为未来研究金星表面化学和气候系统提供了新视角。
2项任务的探测成果填补了许多科学空白，提升了人类对金星气候、磁场和表面特征的认知。
2.4 日本探测历史2010年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）发射“拂晓号”（Akatsuki），开启对金星的探测任务。作为日本首个金星探测器，“拂晓号”以研究金星大气和气候系统为核心目标，搭载了多波段观测仪器，包括紫外成像仪、红外成像仪和长波红外相机等，以获取金星云层、风场、闪电和空气辉等数据（Nakamura et al，2011）。其最初未能按计划进入金星轨道，后经调整于2015年成功进入金星轨道，开始了长达数年的观测活动。此外，“拂晓号”通过多波段观测获取了金星云层中不同高度的温度和气溶胶分布，提供了有关大气对流、波动以及化学成分信息（Horinouchi et al，2017）。这些数据为理解金星气候系统和大气热力学特性提供了重要参考。尽管日本在金星的探测次数不及美、苏等国，但“拂晓号”的观测数据具有极高的科学价值，填补了金星大气动力学研究领域的空白，为进一步研究金星气候、云层结构和大气超级旋转现象提供了重要支撑。
2.5 其他金星飞掠任务的探测历史除了专门针对金星的探测任务，许多其他航天任务在前往其主要目的地途中，借飞掠金星的机会，开展了相关科学探测活动。“伽利略号”（Galileo）于1989年发射，在前往木星途中于1990年飞掠金星，通过搭载的近红外成像光谱仪、紫外光谱仪等仪器，首次观测到金星大气的上层结构，为了解金星云层和气溶胶分布提供了数据支持。“信使号”（Messenger）于2004年发射，目标是探测水星。其在2006年和2007年2次飞掠金星，利用多光谱成像、X射线光谱仪和激光高度计等设备，对金星的表面特性和大气结构进行观测，获取了金星大气和表面的多光谱数据，并对其重力场和磁场进行测量，为金星的表面特性和内部结构研究提供了新的信息。这些任务尽管不是以金星为主要目标，但其观测数据极拓展了对金星大气、表面和磁场的科学认知，为后续专门探测任务提供了有益参考。
3 金星亟待解决的科学问题作为地球的“姊妹星”，金星在演化过程中展现出与地球截然不同的环境特征，金星探测因此成为科学研究的重点。金星探测涉及广泛的科学问题，包括大气、地表地貌、内部构造等领域。基于当前国际社会对金星的探测成果，可更好地梳理尚未解决的科学问题。这些未解之谜，如金星大气的化学循环、地表物质的组成及其与地球的异同、内部构造的演化机制等，均成为制约行星科学进一步发展的关键瓶颈。攻克这些多领域的科学难题，将有助于深化对行星系统多样性和地球演化过程的认识，为地球气候变化、地质活动以及内部动力学等领域的研究提供独特视角。
3.1 金星的大气与气候得益于多波段光谱、红外成像、雷达测高和无线电掩星等技术的应用，金星大气探测取得显著进展。各国探测任务为揭示金星大气的垂直结构、温度分布、云层特性和化学过程等科学问题提供了重要数据。然而，金星大气中的一些关键科学问题，特别是超级旋转现象的形成机制（Sánchez-Lavega et al，2017）、云层微物理过程（Titov et al，2018）、能量平衡的动态变化（Limaye et al，2023）等，仍需进一步探测和研究。
3.1.1 大气成分与垂直结构金星大气主要由二氧化碳（CO）和氮气（N）组成，伴有微量的水蒸气、硫化物以及氯化物等成分（Krasnopolsky，2008）。苏联“金星号”系列探测器率先开展了直接探测，利用气相色谱仪和质谱仪，测量了金星大气中主要气体的含量。美国“先锋金星号”（Pioneer Venus）进一步利用紫外和红外光谱仪对大气的垂直结构进行了测量，揭示了云层上下的成分分布。欧洲的“金星快车”（Venus Express）则通过无线电掩星技术，测量了大气密度和压力随高度的变化，并发现微量气体在高度和纬度上有显著变化，为研究金星大气层的热结构提供了重要数据。
3.1.2 温度分布金星的高温环境是研究其大气动力学的核心。苏联“金星号”探测器首次测量了金星表面温度，发现其高达约462 ℃，证实了金星强烈温室效应的存在。美国的“先锋金星号”测量了大气温度剖面，显示金星表面到高层的温度变化。欧洲“金星快车”通过红外和微波光谱仪，对金星大气的温度分布进行了长期监测，发现昼夜和赤道与极地的温度变化较小，证实了其大气的超级旋转特性。日本“拂晓号”（Akatsuki）利用红外成像仪观测了云顶温度变化，为研究金星热平衡和大气动力学提供了重要信息。
3.1.3 云层结构金星厚重的大气云层由硫酸液滴构成，其垂直和水平结构对行星辐射平衡和能量传输有重要影响（Limaye et al，2023）。美国的“伽利略号”（Galileo）和“水手10号”（Mariner 10）在飞掠金星时，通过紫外光谱仪首次探测到金星云层的存在。欧洲的“金星快车”利用多波段成像仪，对金星云层的高度、厚度和光学特性进行了详细测量，揭示了云层中微粒子的分布和变化规律。日本的“拂晓号”进一步通过紫外成像仪和红外成像仪，观测了金星云顶层的动态变化和微物理特性，首次捕捉到云顶层漩涡运动图像，为研究金星云层的垂直传输和形成机制提供了数据支持。
3.1.4 风场与气溶胶特性金星大气的超级旋转现象是行星大气动力学的重大课题（Sánchez-Lavega et al，2017）。早期的“金星号”通过气球探测器对金星中层大气的风速进行了测量，确认了超级旋转的存在。日本“拂晓号”是目前研究金星风场的主力探测器之一，利用其搭载的多波段成像仪，对金星云层的运动进行了长期观测，获取了云层运动的精细图像，揭示了不同高度的风速和旋转特性，并研究了大气中的气溶胶特性，发现云层微粒存在显著的区域性差异，揭示了金星大气中物质传输的复杂性。
3.1.5 能量平衡与动态变化金星强烈的温室效应导致其能量平衡与地球显著不同。欧洲的“金星快车”利用其红外成像光谱仪和热辐射计，研究了金星大气的辐射能量平衡，发现金星表面热辐射极少直接逃逸到太空，这与其大气中二氧化碳的高含量密切相关。通过对热平衡和能量传输的研究，科学家们更好地认识了金星气候系统的稳定性和变化规律。此外，日本的“拂晓号”通过长波红外相机对金星大气热能分布进行了测量，探讨了云层和地表热能的传输机制，为金星大气能量动态变化的研究提供了新的视角。
3.1.6 大气化学过程金星大气中存在复杂的化学循环，尤其是硫酸云的形成和化学反应过程（Krasnopolsky，2015）。苏联的“金星号”系列最早测量了金星大气中的二氧化硫、硫化氢等成分，指出金星大气化学的独特性。美国的“伽利略号”探测器和“水手号”通过紫外和红外光谱观测，发现了金星大气中硫酸云的化学性质。欧洲“金星快车”进一步利用紫外和红外光谱仪精确探测了大气中的微量气体，研究了硫化物、水蒸气和二氧化碳在大气中的循环过程，揭示了化学平衡和非平衡过程。该任务还发现了可能的氯化物和氟化物，为认识金星大气的复杂化学反应提供了关键线索。
3.1.7 未解决的科学问题目前，有关金星大气与气候的探测仍处于观测数据的积累阶段：①超级旋转现象的成因和机制：金星大气超级旋转现象的成因和维持机制。②金星大气的垂直结构和变化：不同高度层之间的物质交换、温度变化和风速分布等，特别是在近地表区域的气流和大气化学反应方面。③云层和气溶胶的性质与分布：云层的形成机制、内部循环过程、垂直分布和高层气溶胶的性质。④温室效应的详细过程：温室效应的具体过程，尤其是云层和气溶胶对辐射和能量平衡影响的精确量化。⑤大气化学循环和光化学反应：化学成分之间的相互作用及痕量气体的来源和作用。⑥大气逃逸与演化：高层大气物质逃逸的机制、速率及其对整体大气演化的影响，以解释金星如何从可能曾经拥有液态水的状态转变为现在的极端环境。⑦与地表的物质和能量交换：挥发性物质的释放、沉积及火山气体喷发对大气的作用机制。⑧宜居性相关的气体探测：水蒸气、磷化氢（PH3）等痕量气体的分布和形成机制。这些气体的存在是否意味着潜在的宜居环境或生命活动，以及它们在大气化学循环中的作用，目前都需要进一步研究。
3.2 金星的地表地貌通过合成孔径雷达成像、红外光谱观测和飞掠成像等技术手段，各国探测任务取得了金星地表地貌的丰富数据。合成孔径雷达为揭示金星表面的地形和构造特征提供了高分辨率图像，红外光谱技术则探测了地表的热辐射和化学成分。然而，金星地表仍存在诸多未解之谜，例如火山活动的现状与规模、地表化学反应的过程，以及冕状物等奇特地貌的形成机制。
3.2.1 表面地质地貌特征金星表面的主要地貌包括高地、平原、断裂带、山脉和冕状地形等。美国“麦哲伦号”（Magellan）任务在1990年代首次使用SAR对金星进行了全球成像，绘制了高分辨率地表地图，揭示了金星表面的复杂地质结构（Taylor，2014）。金星表面广泛分布的火山地貌及熔岩流、断裂带和区域平原，显示出火山活动在地质构造中起主导作用（Taylor et al，2009）。欧洲航天局的“金星快车”（Venus Express）利用红外光谱仪探测了地表热辐射，提供了有关地表温度和物质组成的初步信息。日本的“拂晓号”（Akatsuki）通过红外成像仪观测金星表面热活动，进一步丰富了对地表动态变化的了解。
3.2.2 撞击坑分布与特征金星撞击坑的分布与特征是了解其表面年龄和地质历史的重要线索（Canup，2004）。由于金星表面厚厚的大气层，较小的陨石会在进入金星大气时烧毁，因此其撞击坑数量较少，但大多保存完整（Taylor et al，2009）。美国“麦哲伦号”通过合成孔径雷达成像，详细绘制了金星撞击坑的分布，发现金星表面撞击坑数量较少且均匀分布，表明金星地表较为年轻，可能在3—7亿年前经历了全球性地壳重塑事件。此外，雷达数据揭示了部分撞击坑周围熔岩流的特征，显示了撞击后熔岩的流动过程。苏联的“金星号”系列探测器虽未提供高分辨率撞击坑图像，但其早期的地面和着陆器探测为研究金星地质活动和表面成分提供了宝贵数据。
除了长期在轨探测，其他飞掠金星的探测任务也对金星地表地貌研究作出了贡献。例如，美国的“伽利略号”（Galileo）和“信使号”（Messenger）在飞掠金星时，利用搭载的成像设备获取了金星部分地表的影像数据。这些数据虽然分辨率不如合成孔径雷达，但在光学波段为金星表面特征的分析提供了补充信息。此外，美国的“帕克太阳探测器”在飞掠过程中通过广角成像仪获取了金星夜侧表面的红外图像，为研究金星地表的热辐射特性提供了新的资料。
3.2.3 火山与化学作用金星表面被大量火山地貌覆盖，包括盾状火山、熔岩平原和火山口（杨安等，2020）。麦哲伦号揭示了金星广泛的火山活动，但火山活动的现状、频率以及其对大气成分的影响尚不明确（Smrekar et al，2010）。此外，金星表面在高温高压环境下经历着独特的化学风化过程，特别是与大气中二氧化碳和硫酸之间的相互作用，这些过程对地表矿物的演化产生了重要影响。
3.2.4 未解决的科学问题① 地表火山活动现状和历史：金星火山活动是否持续至今，火山活动的时间尺度、频率以及对大气的影响；②金星地表形貌与内部构造的关系：高原、平原、断层、冕状地形等地貌的形成机制及其与内部构造的联系尚不明确，尤其是冕状地形的起源和演化过程；③板块构造的缺失及其原因：金星地表缺乏类似地球的板块构造，理解其原因和金星内部动力学的机制是重要的科学问题；④地表风化和化学作用：在高温高压环境下，地表物质与大气中二氧化碳和硫酸的相互作用机制以及其对地表化学成分的影响；⑤撞击坑的分布与地质年龄：金星表面撞击坑数量少且分布均匀，尚不清楚其实际年龄及地质重塑的频率；⑥地壳厚度和构造：金星地壳的厚度、组成及区域性变化尚未明确，对内部构造和地质活动的研究依然是个挑战；⑦地表矿物成分及分布：雷达和红外探测提供了地表矿物的初步信息，但缺乏直接测量，无法确定矿物的具体种类和含量；⑧地表氧化作用：地表物质在高温富二氧化碳环境中的氧化反应过程及其对地表化学循环的影响。
3.3 金星的内部构造利用合成孔径雷达成像、红外光谱观测和重力场测量等技术，国际社会在金星内部构造的研究方面取得了一定进展。合成孔径雷达揭示了金星表面的地质特征，推测了地幔对流和内部动力学的存在；红外观测提供了金星地热活动的线索。然而，由于缺乏直接地震观测和在极端环境下长期运行的探测器，金星的核组成、地幔对流形态、地热活动规模等问题尚未得到明确解答。
3.3.1 核、幔、壳的组成和状态金星的核、幔、壳组成和物理状态是研究其内部动力学和演化过程的基础。金星是否具有类似地球的液态外核和固态内核，直接影响其磁场的存在与否（Lee et al，1995；Harper et al，1996）。美国的“麦哲伦号”（Magellan）任务通过高精度合成孔径雷达成像，提供了金星表面地形和重力场数据。这些数据揭示了金星表面的岩石圈厚度和刚性特征，间接推测了其地壳和地幔的性质。金星的重力场观测显示其岩石圈较厚，地壳以玄武岩为主，但尚无直接证据揭示其核心成分和状态。欧洲航天局的“金星快车”（Venus Express）利用红外光谱仪对金星表面温度进行了观测，推测金星内部可能存在大量放射性元素，这些元素通过衰变为内部热流的维持提供了能量来源。
3.3.2 地幔对流地幔对流是金星内部动力学的核心机制，影响其地质活动和表面构造（Lange，1994；Hirschmann，2006；Ohtani，2020）。由于金星缺乏板块构造，地幔对流的模式和特性成为探测的重点。美国的“麦哲伦号”通过雷达成像观测，揭示了金星表面的火山地形、断裂带和冕状物（coronae），这些特征被认为是地幔对流和地壳变形的结果，表明金星内部存在大规模的地幔对流。金星冕状地形的形成尤其凸显了其内部动力学的活跃程度。
3.3.3 内部动力学金星的内部动力学与其地表活动和地质历史密切相关（Huang et al，2013）。苏联的“金星号”（Venera）系列探测器虽未直接探测金星的内部结构，但通过地表观测提供了金星表面密度和热辐射等参数，为研究金星内部动力学提供了基础数据。“金星快车”和“麦哲伦号”的雷达数据揭示了金星广泛的火山和断裂系统，暗示金星内部可能存在类似地球的岩浆活动，其驱动机制主要源于垂直的地幔柱和熔岩涌动，而非板块运动。
一些飞掠金星的任务，如“伽利略号”（Galileo）、“信使号”（Messenger）和“帕克太阳探测器”（Parker Solar Probe），虽然主要目标不是探测金星内部构造，但在飞掠过程中也获取了一些有价值的数据。通过成像仪和光谱仪的观测，为金星地表特征和热辐射提供了补充信息。这些数据有助于构建金星的表面模型，进一步推测其内部动力学过程。
3.3.4 地热活动金星地热活动的研究主要依赖于对表面温度和地形变化的观测。欧洲的“金星快车”利用红外光谱仪，探测到金星表面局部区域存在异常高温，暗示其下方可能存在活跃的岩浆活动。红外观测还发现部分区域的热辐射随时间变化，进一步支持了金星内部仍有地热活动的观点。“麦哲伦号”提供的雷达成像数据也显示，部分冕状地形和火山地貌具有近期活动的迹象。此外，日本的“拂晓号”利用红外成像观测金星表面的热辐射，为研究金星火山活动和地热现象提供了辅助数据。
3.3.5 未解决的科学问题① 地幔对流的性质与动力学：金星是否存在类似地球的地幔对流？如果存在，地幔对流的形态、规模及其对地表地质活动的影响是什么？②核的组成与状态：金星的核心组成、大小、温度和物理状态（固态或液态）仍不清楚。地球的磁场源自其液态外核的对流活动，而金星几乎没有全球性磁场，这可能意味着其核不同于地球的状态。③地壳厚度和结构：地壳厚度及区域性变化尚未确定，影响对地表地貌和内部热流的理解。目前的雷达探测数据只能提供表面形貌，而对地壳厚度的直接测量仍需更深入的探测手段，如地震探测器。④内部热源与热流量：金星内部热源分布、热流大小及传递机制尚不明确。缺乏板块构造的金星，其内部热量的传递方式对解释火山活动和地质演化至关重要。⑤地幔化学组成与演化：金星地幔的化学组成及其与地表物质的关系尚未确定，无法全面了解其火山活动和内部构造。⑥金星地震活动特征：金星是否存在地震活动及其特征尚不明确。缺乏地震探测数据，使得对金星内部动力学和构造活动的研究受到限制。
3.4 金星磁场与等离子体环境金星磁场与等离子体环境的探测是研究行星与恒星风相互作用及大气逃逸机制的关键领域。国际探测任务通过磁力计、等离子体分析仪、无线电掩星和光谱观测等技术手段，研究了金星磁层结构、太阳风侵蚀下的电离层动态以及等离子体环境的特性。尽管取得了进展，但由于缺乏更精细的磁场和等离子体数据，金星磁层的形成机制、太阳风与大气的相互作用过程，以及电离层中离子逃逸的具体机制仍需进一步探索。
3.4.1 金星的磁层及其与太阳风的相互作用金星几乎没有全球性的内禀磁场，这使得太阳风能够直接与其上层大气和电离层相互作用，形成诱发磁场（Zhang et al，2008）。美国的“先锋金星号”（Pioneer Venus）探测任务于20世纪70年代首次详细研究了金星的磁层。探测结果显示，太阳风在压缩金星电离层时形成磁鞘，从而阻止太阳风进一步侵蚀大气。
欧洲航天局的“金星快车”（Venus Express）任务通过磁力计和等离子体分析仪（ASPERA-4），获取了金星磁鞘和磁尾的详细数据，揭示了太阳风对金星电离层的侵蚀过程，并发现磁鞘结构和大小随太阳风的变化而变化。金星快车还观测到金星磁尾中存在的等离子体束，这一发现表明，太阳风可能带走了金星大气中的轻质离子，成为金星缺乏水分的潜在原因之一。
3.4.2 等离子体环境金星的等离子体环境主要由电离层组成，太阳风与电离层的相互作用决定了金星大气的逃逸和演化。美国的“水手10号”（Mariner 10）和“伽利略号”（Galileo）在飞掠金星时，利用磁力计和等离子体探测器获取了金星周围等离子体环境的初步数据，发现了电离层的局部扰动现象。苏联的“金星号”（Venera）系列探测器则通过早期磁场探测，为揭示金星电离层的基本特性提供了基础数据。
“金星快车”在这方面取得了更深入的成果，发现金星电离层顶层的等离子体密度会随着太阳活动的变化而剧烈波动，并观测到等离子体波在电离层顶的传播。这些数据对研究太阳风与无磁场行星电离层的相互作用具有重要意义。美国的“帕克太阳探测器”（Parker Solar Probe）和“信使号”（Messenger）在飞掠金星时，测量了磁尾和电离层，提供了金星磁鞘、磁尾结构和等离子体动态的独特视角。
美国的“帕克太阳探测器”（Parker Solar Probe）和“信使号”（Messenger）在飞掠金星期间，利用携带的磁力计和等离子体探测仪，对金星的磁尾、电离层顶以及周围的等离子体环境进行了测量。这些数据进一步完善了对金星磁鞘、磁尾结构和等离子体动态的认识，为太阳风与无磁场行星的相互作用研究提供了独特视角。
3.4.3 电离层特性金星电离层的特性直接影响大气逃逸和太阳风的侵蚀。苏联“金星号”探测器首次测量了金星电离层的电子密度和离子成分，而“先锋金星号”任务进一步揭示了电离层的层状结构，并发现其会随着太阳风压力变化。利用无线电掩星技术，该任务成功测量了电离层的电子密度剖面，揭示了其在不同高度的动态变化。
“金星快车”通过长时间监测，发现电离层中离子密度和电子温度在夜侧区域呈现波动（Drossart et al，2007）。这一现象与金星磁尾中的等离子体运动密切相关，表明太阳风与金星电离层之间存在复杂的动力学过程。
3.4.4 未解决的科学问题① 金星为何没有全球性磁场：金星缺乏全球性磁场的原因尚不明确，需要深入研究其内部动力学和核心状态。②金星磁层的形成与动态变化：尽管金星无内禀磁场，但其与太阳风相互作用形成了感应磁层。磁层的结构、形成机制及其随太阳活动变化的过程仍不清楚，需要更详细的观测。③磁尾结构与逃逸过程：太阳风与金星相互作用形成的磁尾包含被剥离的大气粒子。了解磁尾的结构、成分，以及其对大气逃逸的贡献，将有助于解释金星大气的演化。④大气逃逸速率及影响因素：金星大气受到太阳风和紫外线辐射的影响，导致物质逃逸。逃逸速率和具体机制仍存在不确定性，特别是氢和氧等轻质气体，其逃逸过程如何受到太阳活动和行星空间环境影响，尚需进一步研究。⑤感应磁场的产生和特征：金星电离层在太阳风作用下可产生感应磁场，其形成机制、强度和空间分布特征尚未明确，研究这些感应磁场将有助于揭示无全球性磁场行星的磁场结构。⑥电离层的动力学与结构：金星电离层受太阳辐射、行星旋转和感应磁场等多重因素影响。研究其密度分布、电流系统及与磁尾的联系，将有助于理解金星大气的物理和化学过程。⑦日侧和夜侧等离子体环境差异：金星日侧受太阳辐射加热，夜侧则处于辐射阴影。日侧与夜侧等离子体环境的差异，包括等离子体密度、温度和速度的变化，及其对磁尾和电离层的影响，是当前未解的科学问题。⑧金星等离子体环境的周期性变化：金星等离子体环境受太阳活动影响，表现出周期性变化。有关太阳活动对金星电离层、磁尾和大气逃逸速率的影响，目前尚缺乏明确认识。⑨行星际磁场的传输与金星磁尾的相互作用：行星际磁场如何传输到金星磁层，以及金星磁尾如何与行星际磁场相互作用。
3.5 金星的探测技术与任务策略金星探测技术正在向多手段、多目标、集成化方向发展。轨道探测通过遥感技术获取金星的大气、地表和高层空间环境的全局数据，为制定更详细的探测计划提供依据；浮空器探测以其长时间的漂浮能力，为深入研究金星大气的垂直结构和动态变化提供了新的可能；着陆探测则将重点放在地表成分和内部构造的直接探测上，并且正朝着更高耐热、耐压技术的发展方向前进。未来的探测任务策略将注重技术创新，结合轨道、浮空和着陆探测的优势，力求全面揭示金星大气、地表和内部结构的复杂性，从而更深入地了解金星与地球的演化过程及其差异。
3.5.1 轨道探测轨道探测是金星探测的主流方式，目标包括大气成分、云层结构、温度分布、地表地貌及内部构造。美国的“麦哲伦号”（Magellan）探测器利用合成孔径雷达（SAR），首次绘制了金星表面98%区域的高分辨率雷达图，揭示了丰富的地质构造特征，为研究其地质演化和地表成分奠定了基础。欧洲航天局的“金星快车”（Venus Express）搭载多波段光谱仪，长期监测金星大气和高层云层，探测了大气中的微量气体和温室效应特征。此外，其红外成像光谱仪为研究地表热辐射提供了关键数据。日本的“拂晓号”（Akatsuki）通过光学和红外成像设备，对金星大气的超级旋转现象、云层运动和温度分布进行精细观测，填补了金星大气动力学研究领域的空白。轨道探测为金星的大尺度气候模式、地质演化和高层大气特性研究提供了宝贵数据，但在获取金星表面和大气底层的详细信息方面仍有局限。
3.5.2 浮空器探测浮空器探测利用气球或飞艇在金星大气层中进行中长期漂浮观测。1985年，苏联的“维加计划”（Vega）首次成功释放了2个浮空气球，在50—55 km的云层高度漂浮观测，测量了大气温度、风速和压力，验证了浮空器在金星大气中的可行性。近年来，NASA等机构提出了新一代浮空器探测任务，如“金星大气机动平台”（VAMP）和“金星高空气球”（HAVOC），计划利用太阳能驱动的可控飞艇或气球在金星大气中进行长时间漂浮，详细探测云层结构、风场、温度梯度和大气化学成分。这类任务策略充分利用了金星大气50—60 km高度的“宜居带”，以研究大气的动态变化、化学循环和云层微物理过程。
3.5.3 着陆探测着陆探测旨在直接获取金星地表成分、物理特性及地表与大气相互作用的数据。苏联的“金星号”（Venera）系列探测器在20世纪60—80年代成功实现软着陆，测量了金星地表温度、压力和化学成分，传回首批地表图像，揭示了金星地表岩石的玄武岩性质。由于技术限制，这些探测器在金星表面仅工作数小时。近期，美国提出的“金星地表探测器”（VERITAS）和“金星气氛与气候着陆器”（DAVINCI+）计划，旨在采用耐高温材料、先进热防护系统和微型传感器技术，以延长探测器在金星表面的生存时间，实现对地表化学组成、岩石矿物学及地质构造的深入探测，并尝试地表取样分析，为理解金星与地球的演化差异提供直接证据。
3.5.4 未解决的科学问题① 长时间耐高温高压的探测器设计：金星表面极端环境（约462 ℃的高温和92倍地球的压力）使得现有探测器难以长时间工作。②浮空器技术和大气探测：浮空器可在金星大气中长时间漂浮，获取不同高度的大气成分、温度、压力和风场数据。然而，如何设计和操作能够稳定漂浮、移动的浮空器，并实现长时间观测及数据传输，仍需技术突破。③地表取样与分析：直接获取金星地表物质进行分析，对于研究其地质组成和演化过程至关重要。未来需要研制能在金星高温高压环境中进行取样和化学分析的仪器，并安全地传回数据，甚至开展样品返回任务。④高精度遥感与探测数据分析：穿透金星云层，并获取高精度的地形、地貌和大气数据，需要更先进的雷达成像、红外光谱和多波段探测技术。如何准确解译遥感数据，以推断金星的地质和大气特性仍是挑战。⑤地震探测与内部结构研究：由于金星表面的极端环境，现有地震探测仪器难以长期运行。设计可在高温高压环境中持续工作的地震仪，以及实现远距离数据传输，是当前研究中的技术瓶颈。⑥自主科学观测与数据处理：探测器需要具备自主识别科学现象、调整观测策略、处理数据并选择性传输的能力，以提高探测任务的科学产出。⑦电源系统设计：金星表面高温使传统太阳能电池难以工作，探测器需要具备可在极端温度下持续供电的系统，如高温下稳定运行的电池或核能供电系统。⑧任务策略与多任务协同：实现轨道器、着陆器和浮空器等多种探测手段的协同配合，并根据实时数据调整策略，是未来探测任务中需要解决的复杂问题。⑨大气取样与化学分析：深入了解金星大气的化学循环和动力学过程，需要在高温高压条件下直接取样和实时分析大气成分，探测器设计面临高温环境中的准确化学分析难题。⑩数据传输与通信技术：金星厚厚的大气和云层对信号传输构成阻碍。如何确保高温、高压环境下的通信设备正常工作，并实现数据从金星传回地球，是关键技术问题。
4 金星探测未来展望近年来，沉寂多年的金星探测重新回到大家的视野。未来10年，各国和组织在金星探测领域都有新的发射计划，这标志着金星探测将进入一个新的发展阶段。鉴于当前国际形势和我国的发展水平，把握这一契机开展金星探测，并研发相关技术，显得尤为关键。
（1）国际未来金星探测计划。美国国家航空航天局（NASA）积极推动金星探测，计划发射DAVINCI+（Garvin et al，2022）和VERITAS（Smrekar et al，2020，2022）任务，旨在揭示金星的大气成分、地质构造和演化历史，以保持其在金星研究领域的领先地位。论证程度较高的其他任务包括“金星旗舰参考任务”（包含轨道器、空中平台、地面工作站等多元素综合任务），聚焦金星气候的旗舰级任务VCM（Grinspoon et al，2010；Beauchamp，2021），聚焦着陆探测的VISE（Esposito，2019）及一批类似任务，包括SAGE（Esposito，2011）、VICI（Glaze et al，2017）、VISAGE（Esposito et al，2017）、VOX（Smrekar et al，2018），目标着陆在镶嵌地块上的VITaL（Gilmore et al，2010）和金星表面可移动任务VME（Glaze et al，2009）。同时，欧洲航天局（ESA）计划在2029年发射EnVision探测器（European Space Agency（ESA），2021），利用合成孔径雷达和光谱仪详细研究金星的地质和大气现象，增进对气候系统和地质演化的理解。印度空间研究组织（ISRO）则将在2031年发射Shukrayaan-1探测器（Antonita，2022），通过合成孔径雷达和多种光谱仪对金星进行全面探测，提升其在行星探测中的国际地位。俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）计划在2032年发射金星-D（Venera-D）探测器（Zasova et al，2019），结合着陆器和大气探测器，目标是深入研究金星的地表和大气成分、温度、压力分布及地质活动，为长期环境监测提供数据。各国探测计划和内容见表 3，数据来源：https://www.isro.gov.in/、https://science.nasa.gov/mission/veritas、https://science.nasa.gov/mission/davinci、https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Envision_factsheet、https://www.roscosmos.ru/。
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表 3 国际未来金星探测计划 Table 3 International plans for future Venus exploration |
综合来看，各国的金星探测计划展示了对多探测手段的高度重视，包括合成孔径雷达、光谱仪、气体分析仪、激光高度计等技术。这些多样化的探测手段相互结合，不仅提升了探测的精度与深度，也为金星的气候系统、地质演化及环境变化提供了全面的科学视角。这种综合应用的趋势将为未来行星科学研究奠定坚实基础（陈乐等，2022 Wilson et al，2022；Limaye et al，2023）。
然而，金星探测任务面临着极端高温、高压和腐蚀性强的环境挑战，这对现有技术提出了严峻考验。为了确保探测器能够稳定运行并完成长期观测，必须在轨道设计与控制、热防护、下降与着陆、空中平台、采样处理、新能源供应、热控、极端环境适应、测控通信以及制导、导航与控制等多个技术领域实现突破性进展。通过在这些技术领域的全面提升，不仅能够有效应对金星探测过程中遇到的各种技术难题，还将为揭示金星的地质演化、大气组成以及潜在的生命迹象等未解科学问题提供强有力的支持，推动人类对金星这一地球“姐妹行星”的深层次认识。为实现对金星的环绕或降落、着陆和巡视探测等综合目标，至少需要在11个系统、子系统方面提升技术手段（Hou et al，2015；Cutts，2019；赵宇鴳等，2021）。具体技术提升见表 4。
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表 4 金星全方位探测在系统和子系统方面的技术手段提升需求与目标结果 Table 4 Technical means to enhance demand and target results in terms of systems and subsystems |
（2）中国未来金星探测计划。基于现有探测技术的持续进展，中国在未来金星探测计划的制定和技术创新上，应综合采用轨道探测、浮空器探测和着陆探测3种方式。这种多层次、多平台的探测策略不仅具备可行性，而且在科学探索上具有重要的必要性。
在轨道探测技术方面，嫦娥系列月球探测和天问系列火星探测等多项行星探测任务的成功实施，充分显示出开发和发射先进轨道器的能力。轨道探测能够提供金星整体的大气结构、地质活动和磁场特性等宏观数据，为后续的浮空器和着陆探测提供基础信息，同时持续监测金星的气候变化和大气成分，有助于理解其极端环境形成机制。在浮空器探测方面，无人机和高空平台技术上的显著进展，为开发适用于金星大气层的浮空器奠定了技术基础。结合耐高温、高压材料和先进的气动设计，有能力研制出能够在金星大气中长期漂浮的浮空器或气球。浮空器能够在适宜的高度进行长期的气象观测和大气成分分析，填补轨道探测无法深入的微观数据空白，同时可以作为通信中继站，增强探测器与地球之间的数据传输能力。在着陆探测方面，通过对火星和月球着陆器的研发和测试，可以进一步优化针对金星极端环境的着陆系统。结合先进的减速、缓冲和定位技术，着陆器的安全着陆和稳定运行成为可能。着陆探测能够直接获取金星表面的地质样本和环境数据，揭示其地质演化和潜在的化学过程，尽管金星表面环境极其恶劣，但着陆器的成功部署将为揭示金星的地质活动、热力学状态和潜在的生命迹象提供关键证据。
综合使用轨道探测、浮空器探测和着陆探测3种探测方式，三者各具优势，轨道器提供宏观观测，浮空器进行中层大气探测，着陆器获取表面数据，形成互补的数据体系，构建全面的金星环境图景。同时，通过多平台协同工作，实现数据共享和实时通讯，提高探测任务的整体效率和数据准确性。例如，轨道器可以为浮空器和着陆器提供导航和通信支持，浮空器则可以为着陆器提供环境预警和实时气象数据。
在实施策略上，应采取分阶段制定金星探测战略，基于经济性、高效性和可靠性的原则，逐步开展深入的探测任务。按照时间轴，金星探测计划可划分为近期任务（未来10年内）、中期任务（约2040年）和长期任务（2040—2050年）。近期任务主要采用轨道器环绕探测，并在条件允许的情况下携带下落式探测器辅助探测，利用成熟的遥感技术，对金星的地形和重力场进行高精度测绘，获取高质量的地质和大气数据，为整体探测计划奠定基础。中期任务在近期任务基础上，除继续进行轨道探测外，还将使用空中平台对金星大气进行深入探测，监测大气动态变化并进行物质成分测量。长期任务则借助前两阶段成果，逐步实现对金星的着陆和巡视探测，研究采样分析和样品返回的可行性，最终实现对金星的全方位探测。
通过综合使用轨道探测、浮空器探测和着陆探测，并分阶段实施探测计划，我国将在技术上实现多项突破，提升在行星探测领域的综合能力。同时，这一策略将全面揭示金星的地质演化、大气组成、气候变化和潜在生命迹象等未解科学问题，深化人类对金星这一地球“姐妹行星”的认识，为理解地球气候变化和行星环境演化提供重要参考，推动太阳系内行星探测的前沿发展。
5 结束语金星探测对于深化人类对类地行星的形成与演化、地球气候变化以及宜居性的研究具有重要意义。金星作为与地球有诸多相似之处的行星，却展现出极端的温室效应和截然不同的地质与大气特征，其独特性使得金星成为研究行星科学中众多问题的关键。
目前，金星探测在大气、地质地貌、内部构造以及与地球异同等科学问题上取得了一定进展。对于金星大气的研究，已经形成了较为成熟的技术与方法。轨道探测器和光谱技术的广泛应用，使得科学家能够较全面地了解金星大气的垂直结构、化学组成、温度分布和能量平衡。多次探测任务揭示了金星厚重的二氧化碳大气层、超级旋转现象、云层的性质和高层大气与太阳风的相互作用，为理解行星气候系统提供了关键数据。在金星地质地貌方面，轨道探测和雷达成像技术取得了显著进展。合成孔径雷达（SAR）的使用，如“麦哲伦号”和“金星快车”，绘制了金星表面高分辨率地图，揭示了其独特的地形特征，包括火山、山脉和冕状地貌。然而，对其地表细节和长期地质活动的理解依然有限。现有数据主要来自轨道观测，空间覆盖和分辨率仍不足，难以深入揭示金星地壳构造和演化过程。相比之下，金星内部构造和与地球异同的研究仍不成熟。由于金星表面的高温、高压环境，着陆探测器的寿命极短，导致获取地表和地下数据极为困难。目前，对于金星内部的核—幔—壳结构、地幔对流以及地震活动缺乏详细观测数据，使得对金星内部动力学和热演化的研究存在较大空白。此外，浮空器探测和样品返回技术尚未成熟，缺乏直接取样和高精度分析手段，制约了对金星地表物质和大气成分的深入研究。综合来看，金星探测的主要不足在于无法在极端环境下实现长时间的地表观测和高精度数据获取。未来的探测任务需要重点突破耐高温高压材料、新型电子设备和浮空探测技术，以填补对金星内部构造、地表物质和大气动态演化的研究空白，从而更全面地认识金星与地球的异同和行星演化过程。
在未来深空探测领域，我国正面临抢占金星探测高地的战略机遇。金星探测需要强大的技术能力和科学创新，未来10年（至2030年）将是中国展开金星探测的关键时期。我国可充分利用已有技术积累，通过制定分阶段的金星探测计划，综合运用轨道探测、浮空器探测和着陆探测等手段，对金星的大气、地表和内部结构进行全方位观测。针对金星极端环境条件，通过开发新材料和技术，将显著提升探测器的性能和数据获取精度。通过抢占金星探测高地，不仅能够在国际深空探测中占据领先地位，还将推动我国在深空探测技术和科学研究上的全面发展，为人类进一步探索宇宙奥秘做出贡献。
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