金星火山與氣候探測任務*

董曉龍 劉洋 何杰穎 張鋒 許健 趙宇鴳 王宇 朱皓天王詠梅 王文煜 蔡志明

1(中國科學院國家空間科學中心 北京 100190)

2(中國科學院大學 北京 100049)

3(中國科學院地球化學研究所月球與行星科學研究中心 貴陽 550081)

4(成都理工大學行星科學國際研究中心 成都 610059)

5(中國科學院空天信息創新研究院 北京 100094)

6(中國科學院微小衛星創新研究院 上海 201304)

0 引言

金星作為距離太陽最近的第二顆行星，由于與地球有著相似的大小、質量和初始物質（推測的）組成，以及相近的太陽光照輻射強度，被稱為地球的“孿生星”。金星表面主要的地形單元包括主要由玄武巖充填的低海拔平原和由火山作用形成的高山，分布有低洼平原、丘陵、峽谷、高原、冕狀地貌等多種構造單元。軌道雷達數據顯示，金星表面的撞擊坑數量較少，這說明其表面改造的歷史很短[1]。金星的重力略低于地球，但大氣壓力約為93 Pa，表面平均溫度高達460℃。金星大氣層主要由濃厚的在高溫下超臨界相的CO2構成，且有著能阻隔太陽光的硫酸云層。活躍的金星對流層上層存在獨特的超自轉現象，導致其風速高達行星本身自轉速度的數十倍[2]。金星兩極存在反氣旋結構[3]。金星還具有存在強大環流的大氣“熱層”[4]。雖然金星地表的溫度和大氣對生命極為嚴苛，但其上方50 km 左右的大氣壓力和溫度與地球幾乎相同。因此，該區域或許能成為金星表面是否存在宜居環境的探測方向[5]。

太陽系和行星的起源與演化、地外生命宜居環境與生命信息探索是行星科學永恒的主題，開展金星探測對于了解與地球大小相近行星的演化和宜居性至關重要。根據現有太陽系和行星起源理論，推測金星早期具有與地球類似的巖石和大氣組成，表面曾經存在大量的水，但后來金星沿著與地球截然不同的路徑演化。地球是太陽系目前已知的唯一有生命的行星，而由于災難性的劇烈溫室效應，金星成為一個不宜居的行星[6]。探測和研究金星與地球的差異如何產生、何時產生以及為何產生，是解答太陽系類地行星形成演化、地球宜居性的形成和未來發展、太陽系外宜居星球搜索策略等重大科學問題的關鍵，也是行星科學的重大前沿問題。

NASA 的金星探索分析組（Venus Exploration and Analysis Group,VEXAG）在多年論證的基礎上，提出了金星探測的三大科學目標，具體如下。

（1）理解金星早期演化和可能的宜居性，為相近大小（系外）行星演化提供約束。

（2）理解金星大氣動力和化學組成。

（3）理解金星表面地質歷史和表面與大氣的耦合。

因此，研究金星表面地質形貌特征和物質組成，大氣熱力結構、化學組成及變化過程，地表（內部）與大氣的物質能量交換與耦合等，是實現上述科學目標與解答上述科學問題的關鍵。金星還遺留著許多亟待探索的一級重大科學問題，包括金星地質構造和熱演化歷史，金星深層大氣特征與氣候演化，金星地表與大氣相互作用及超溫室效應成因機制，金星是否存在宜居環境及是否（曾經）存在生命等。

金星已重新成為行星探測與研究的熱點。美國2021 年已批準實施“真相（VERITAS）”和“達芬奇+（DAVINCI+）”兩個金星探測計劃；歐空局2021年批準實施“展望（EnVison）”金星探測計劃；俄羅斯準備從2029 年開始向金星發射配備有軌道器、著陸器和大氣探測模塊的金星-D 探測器，后續還計劃通過探索-3 任務實現樣品返回。金星火山與氣候探測任務（Venus Volcano Imaging and Climate Explorer，VOICE）是由中國科學院國家空間科學中心、地球化學研究所和空天信息創新研究院聯合提出，多家單位共同參加的空間科學衛星計劃，該任務將對金星全球表面進行高分辨率的雷達成像，對全球大氣熱力結構和化學以及云中可能的生命信息進行探測，目前作為中國科學院空間科學戰略性先導專項的候選空間科學衛星工程任務參加遴選。本文將對VOICE 的科學概念、科學目標、有效載荷配置方案和預期取得的科學突破進行闡述和分析。

1 研究現狀與發展趨勢

1.1 金星探測歷史與研究現狀

自1961 年蘇聯首次金星探測至今，世界各國共發射了49 顆金星探測器[7]。其中：蘇聯發射33 次，成功15 次；美國發射8 次，成功6 次；歐盟成功發射1 次；日本成功發射1 次，其發射的探測器是目前唯一在軌運行的金星探測器。這些任務類型以金星飛掠、環繞和大氣層進入探測任務為主（33 次），著陸任務（8 次）和漂浮任務（2 次）相對較少。這些任務大都集中在20 世紀60-70 年代，21 世紀以來，僅有歐空局的金星快車（Venus Express）和日本的拂曉號（Akatsuki）兩個任務。

國際金星探測的主要方式包括：軌道器對金星表面開展雷達成像探測；軌道器對金星大氣進行遙感探測（環繞或飛掠）；下投探空器或著陸器，在降落過程中對金星大氣及降落點周邊很小范圍區域開展就位探測和成像；利用氣球/浮空器，對金星大氣進行就位和成像探測。

由于金星表面具有濃密的大氣，對金星地表形貌的探測僅能依靠低頻段的微波雷達。1975-1977 年間，美國阿雷西博（Arecibo）天文臺利用地基S 波段（波長12.6 cm）雷達對金星進行了成像探測，首次得到了金星表面圖像，該圖像覆蓋了約25% 的金星地表，分辨率為5～20 km[8]。觀測結果揭示了大型盾狀火山和形貌迥異的熔巖平原等火山地貌，眾多火山口預示了火山作用是金星有效的內部能量散失方式。此外，直徑大于15 km 撞擊坑的低密度分布也揭示了金星熔巖平原的形成年齡較為年輕。1978-1992 年，美國先驅-金星軌道器、蘇聯金星15/16 號和美國麥哲倫號（Magellan）金星探測器利用在軌雷達對金星表面進行了成像探測[9]，獲得的圖像揭示了金星表面約80%由熔巖流組成的低矮平原覆蓋，其上分布著直徑大于20 km 的大型火山超過1000 座，最大火山的高度和直徑分別為8.5 km 和400 km，此外還有數以萬計的小型盾狀火山。因此，火山作用是塑造金星表面的主要力量，也是驅動金星殼層增生的主要機制。此外，麥哲倫號繪制了迄今為止最詳細的金星地形圖，其表面最高海拔大于2 km。21 世紀以來，基于雷達對金星形貌的探測一直處于停滯狀態。已有的金星表面雷達探測分辨率僅能達到百米量級，精度僅相當于20 世紀70 年代的火星任務，無法實現精細的金星火山地貌識別與分類，特別是無法對金星表面進行地質過程尺度的分析研究，這嚴重制約了對金星表面火山類型和分布以及關鍵區域地質演化的認識。

與金星表面形貌觀測相比，對金星大氣的探測數據較為豐富。先驅-金星2 號、金星（Venera）系列著陸任務和維加1/2 號開展了金星大氣就位觀測。這些觀測表明，金星存在比地球更嚴重的溫室效應即超溫室效應。觀測數據還提供了金星大氣熱力結構和成分的初步信息，可作為構建金星大氣垂直結構的基礎，是金星中低層大氣信息的唯一來源[9]。但由于就位探測的空間局限性，只能獲得經過位置和時刻的大氣信息，無法獲得全球尺度范圍連續時間變化過程的信息。相比之下，遙感探測能夠更完整地描述金星大氣的時空變化特征與過程。早期探測器先驅-金星軌道器、金星15/16 號和麥哲倫號獲取了金星大氣部分層位的溫度和關鍵組分（SO2，H2O，H2SO4等）的信息。近年來，金星快車和拂曉號通過長時間環繞遙感探測，實現了金星大氣與氣候認識的諸多突破。金星快車繪制了金星全球表面溫度圖、金星大氣的熱剖面和熱結構、大氣化學組成剖面（CO，SO2，OCS，D/H比等），發現了新的大氣組分（O3和OH），為研究金星大氣的動力學過程及火山活動提供了重要科學數據[10]。拂曉號發現了金星大氣中存在大尺度的弓形特征，首次報道了赤道區域上方中低云層中存在的急流風，發現上云層和中云層之間過渡帶附近存在小顆粒的厚層云[11]，提出了金星大氣超旋的維持機制[12]。由于金星濃密大氣的限制，大氣遙感探測主要集中在金星中上層大氣，特別是云層以上大氣。當前對40 km 以下的大氣熱結構仍缺乏有效地全球性觀測，對30 km 高度以下SO2，H2O，CO2，CO 等大氣成分的全球性觀測仍是空白，對12 km 高度以下金星深層大氣缺乏探測數據，金星地表與大氣的物質和能量交換過程以及下層大氣的運動過程仍然未知。

隨著嫦娥工程、天問一號等任務的實施，中國行星科學研究已展現出良好發展勢頭，但從事金星研究的科研力量仍比較薄弱。中國現階段針對金星的研究還主要集中在空間物理領域，包括利用國際上的金星快車數據開展金星空間等離子環境、金星磁場特征、金星電離層等方面的研究[13-15]。近年來，有團隊開始探討金星殼層厚度與內部演化[16,17]以及金星探測的航天器和軌道設計等[18,19]。由于缺乏相關探測任務，對金星表面形貌與中低層大氣特征與演化的研究還比較少。中國尚未實質開展金星探測，已經部署和實施的深空探測計劃中也沒有明確的金星任務規劃。但在中國科學院空間科學先導專項的支持下，先后開展了金星探測的科學目標、任務概念和關鍵技術需求的論證研究，為未來實施金星探測任務提供了重要支撐。同時，隨著天問一號火星探測任務的成功實施，中國已具備開展金星探測的基本能力和條件。針對金星科學重大問題，表面成像的合成孔徑雷達、可實現穿透云霧探測的微波-毫米波-亞毫米波/太赫茲探測技術和多波段光學成像探測等技術都有較好的技術基礎，已經能夠支持開展和實施金星探測任務。

1.2 相關衛星計劃部署

金星探測任務與月球和火星探測任務相比，經歷了近30 年的重大探測任務斷層，近年來才重回大眾視線，多國計劃在2030 年左右發射新的金星探測任務。2021 年6 月，美國宇航局和歐空局分別批準了前往金星的新任務--“真相（VERITAS）”任務、“達芬奇+（DAVINCI+）”任務和“展望（EnVison）”任務。此外，俄羅斯、印度也已提出并積極推進各自的金星探測任務。國際上金星探測與科學研究即將迎來新一輪熱潮，這為中國推動學科領域發展提供了重大機遇。

美國“真相（VERITAS）”任務全稱“金星發射率、無線電科學、干涉合成孔徑雷達、地形學和光譜學”任務[20]，其主要科學目標是生成金星全球高分辨率地形圖和影像，制成一系列金星全球圖文件，包括形變、表面物質組成、熱發射和重力場圖。VERITAS 試圖探索金星是否擁有古老的水環境，以及當前的火山活動是否僅限于地幔柱區域或是有更廣泛的分布。美國“達芬奇+（DAVINCI+）”任務全稱“金星深層大氣稀有氣體、化學和成像”任務[6]，其通過探空器在下降的63 min 過程中直接測量金星大氣的組成，特別是測量稀有氣體、痕量氣體及其元素同位素組成，同時測量金星大氣的溫度、壓力及風速。DAVINCI+到達地面之前，還將拍攝金星鑲嵌地塊影像，以探究其起源及金星構造、火山和風化等地質作用的歷史。歐空局“展望（EnVison）”任務利用高分辨率雷達測繪金星地表和研究金星大氣[21]，其科學目標是尋找活躍的地質過程，測量與活躍火山作用有關的地表溫度變化，表征區域和局部地質特征，確定地殼支撐機制，并為刻畫金星幔和核的特征提供制約。俄羅斯“金星D（Venera-D）”任務處于籌備階段，整個任務概念幾經修改，目前基線任務由一個軌道飛行器和一個短壽命（2～3 h）維加式著陸器組成，在主要合作者美國退出后，目前正在尋求新的合作伙伴。印度航天局近年也提出開展金星軌道探測，計劃發射“舒柯拉雅一號（Shukrayaan-1）”，擬重點開展金星地表和次地表測繪，并正在積極尋求國際合作。

2 VOICE 任務的科學目標與意義

2.1 科學目標

VOICE 任務以金星地質與氣候演化和生命宜居環境為科學主題，針對金星表面地質和熱演化歷史、大氣熱力與化學過程、地表和大氣的物質交換與耦合、宜居環境與生命探索等關鍵科學問題，聚焦火山以及云下和云中大氣，揭示金星構造熱演化歷史和超溫室效應機理，探索金星宜居性和生命信息。

VOICE 任務將圍繞金星火山與熱演化歷史、水與板塊運動、內部結構和動力學、氣候演化和生命信息探索等重大科學問題，揭示金星地質活動與中低層大氣相互作用規律和物質循環，深化對金星表面與大氣物質能量交換過程及其對金星大氣運動與演化影響的理解，分析識別潛在宜居環境及與生命相關的大氣組分，將為金星地質環境和氣候演化及宜居性形成等重大科學問題帶來新的突破。

VOICE 任務科學目標實現的主要途徑如下。

（1）利用極化SAR 對金星表面進行米級高分辨率雷達成像觀測，結合透過“窗口”的近紅外成像，研究金星地質構造特征及其成因機制，證認金星是否曾經存在水和板塊運動，探索發現金星表面“熱點”并精細刻畫火山分布特征，揭示其地質構造和熱演化歷史。

（2）利用下視和臨邊微波毫米波輻射探測，結合高分辨率多光譜成像，探測金星全球云下和云中大氣成分與熱力結構，揭示金星大氣環流及其成因機制。

（3）基于對金星深層大氣和表面的探測，綜合研究金星大氣與表面之間物質、能量交換過程和氣候特征，改進金星氣候模型，探索揭示金星超溫室效應機理。

（4）利用毫米波、亞毫米波臨邊譜儀對金星的云中大氣成分進行精細探測，結合多光譜成像，探索云層中可能的宜居環境和生命信息。

2.1.1 金星地質構造與熱演化歷史

巖漿和火山作用對研究金星內部演化具有重要意義，其不僅是巖石圈熱傳導的主要方式，也是塑造地表形貌和環境、影響大氣成分的重要驅動力。近年來一些研究顯示，金星當下可能還有活火山活動[22-24]，帶來的重大科學問題包括：金星歷史上擁有怎樣的內部能量和物質循環機制，是否存在板塊運動以及與地球有何不同，液態水是否曾參與金星古陸殼的形成和演化，金星火山具有怎樣的全球分布，當下是否仍存在活火山活動。VOICE 任務將獲取金星表面形貌的米級高分辨率多極化雷達圖像，聚焦火山地貌、冕狀構造、撞擊坑、鑲嵌地形等關鍵形貌，結合近紅外“窗口”成像對表面物質組成的探測，搜尋金星曾經的水活動和板塊運動的證據，揭示現代金星是否仍存在活躍的火山和地質構造活動，確定其規模和全球分布特征，揭示金星地質構造和熱演化歷史。

2.1.2 金星深層大氣特征與氣候演化

不同于云頂上方，金星深層大氣（云頂下方的中低層大氣，約低于75 km 高度）的探測數據非常有限，特別是靠近地表區域（22 km 以下）的大氣成分及動力學數據十分缺乏[25]。金星大氣的重大科學問題包括：金星深層大氣（地表至云層）的物質組成和特征[26]，云層物質組成和化學特性[27,28]，大氣熱力學特征[29]，火山活動對大氣組分的影響和對氣候的擾動[30]等。VOICE 任務將對金星云中和云下大氣溫度及化學成分的時空分布和變化進行連續觀測，精細刻畫關鍵組分CO，CO2，SO2，H2O（含H 同位素），ClO 的分布特征等，建立金星中低層大氣成分和熱結構，揭示金星大氣“超旋”等特殊現象的成因，追蹤大氣與地表間揮發分循環，厘清金星表面與大氣物質能量交換過程，實現對金星大氣和氣候演化認識的突破。

2.1.3 金星地表與大氣相互作用及超溫室效應成因機制

超溫室效應是金星與地球比較研究的重大科學問題[9]。金星火山活動釋放的氣體可以直接進入大氣，缺少液態水的環境使火山排出的CO2無法固化到巖石圈，而是永久積累到大氣層[25,30-32]。現有數據表明，金星深層大氣成分與化學平衡不一致，在大氣-地表界面發生的反應、大氣-地表邊界的氧化還原狀態以及地表附近重要痕量氣體的濃度和空間變化等仍然存在很大的不確定性，金星大氣輻射平衡、氣候、動力學和化學循環過程仍然不清楚[33]。開展對金星大氣以及地表和大氣之間的熱化學、光化學和動力學過程耦合的研究，將探索揭示金星超溫室效應的成因機制。

2.1.4 金星是否存在宜居環境及是否（曾經）存在生命

金星是否曾經有水活動跡象以及金星超溫室效應的形成機制，對研究地球宜居性的形成和未來氣候演化趨勢極具參考意義[34]。此外，金星下云層（47.5～50.5 km）可能存在適合地球微生物生存的溫壓條件（約60℃，1 Pa），閃電的發生可為金星大氣中復雜化學過程提供條件，濃密而混濁的金星云層可以保護潛在生命免受太陽輻射的傷害，但具有生命信息示蹤成分的物質組成不明。VOICE 任務將通過微波軌道器，對金星大氣組成和熱結構，特別是關鍵揮發分（H2O，PH3，NH3等）的時空分布開展近距離觀測，探索可能的生命信息[35]。

針對上述重大科學問題，VOICE 任務擬實現以下科學目標。

（1）利用極化SAR 首次實現金星表面米級高分辨雷達成像，探測金星形貌構造及其變化，研究金星地質構造特征及其成因機制；結合透過“窗口”的近紅外成像和下視微波輻射探測，識別金星表面“熱點”，揭示金星鑲嵌地塊的物質組成及成因，證認水和板塊運動存在與否，獲取金星表面物質組成、火山構造及其分布特征，研究火山作用及其時空演化，進而揭示金星熱演化歷史。

（2）首次利用微波毫米波輻射計下視探測，結合紫外-可見-近紅外多光譜成像，探測金星全球云下和云中大氣成分及其分布，揭示金星全球大氣熱力結構、運動變化及其成因機制，在金星大氣環流和氣候模型研究方面取得突破。

（3）利用獲得的金星大氣和表面的探測數據，分析金星火山活動及與之相關的噴發物組分濃度和軌跡變化，綜合研究金星大氣-地表物質與能量交換過程，探索金星超溫室效應的成因機理。

（4）利用毫米波、亞毫米波臨邊探測和紫外-可見-近紅外成像探測，對云層中可能存在的生命相關氣體成分進行精細探測，分析閃電產生機理，探索金星可能的生命宜居性。

2.2 科學意義

基于中國近年來在星載微波成像雷達、微波毫米波亞毫米波輻射探測、多波段成像探測等方面的技術發展，VOICE 任務聚焦金星火山活動、中低層大氣化學成分與熱力結構及過程、物質組成和構造活動特征，以及相關的地表-大氣相互作用和潛在宜居環境與生命信息等，將明確當下與金星“熱點”有關的內部能量釋放方式，刻畫火山結構和分布特征，揭示金星熱演化歷史；明確金星上類“板塊”運動方式，揭示液態水是否曾參與金星圈層結構的物質循環；理解金星大氣物理和化學過程，揭示金星大氣環流模式和氣候特征。通過實施VOICE 計劃，將在金星地質和氣候演化、超溫室效應成因機制，金星宜居環境與生命信息探索研究方面取得重大突破，對理解早期地球演化和宜居性形成以及太陽系形成演化具有重要意義。

3 科學需求

VOICE 的核心任務是對金星地質與氣候演化和生命宜居環境的科學主題開展直接觀測和原創性科學探索。由于金星擁有獨特的大氣和表面環境，選擇合適的探測技術手段至關重要，也是實現VOICE任務科學目標的關鍵。

3.1 金星地質構造與熱演化歷史

VOICE 旨在研究金星地質構造和熱演化歷史與地球的異同，為理解太陽系內和系外石質行星的地質和宜居性演化提供關鍵約束。金星存在濃密的大氣層，光學手段不能實現對金星表面成像，需要利用微波雷達的強穿透能力來獲取金星表面高分辨率圖像數據，從而識別金星表面的特殊地質構造如隕石坑、鑲嵌地塊、峽谷、火山口及熔巖流等。SAR 是目前探測金星地表特征的唯一有效手段。由于探測距離和技術水平限制，已有的金星SAR 圖像分辨率較低，美國阿雷西博（Arecibo）天文臺獲取的S 波段（波長12.6 cm）SAR 數據分辨率為5～20 km[8]，而麥哲倫號搭載的SAR 分辨率僅為120～300 m[36]），許多科學問題仍無法回答。

VOICE 任務將實現SAR 分辨率從麥哲倫號的120～300 m 提高到全球及重點區域30 m 和局部區域1～10 m，并具有多種極化信息的探測能力，將能夠回答地質/構造機制演化的如下科學問題。

（1）金星上目前是否存在活火山[22,24]。利用高分辨率的雷達數據，結合近紅外“窗口”成像以及紫外-紅外波段檢測到的金星大氣成分的含量變化，可精確定位火山噴發點及地貌特征。

（2）高分辨率的SAR 除了可以精細探測大型冕狀構造的地貌細節，從而解譯大型冕狀構造的成因外，還可以利用其獲得的科學數據揭示規模更小的火山或與“熱點”有關的地貌特征，有助于在全球尺度下了解金星地幔柱-巖石圈相互作用方式[23]，為金星內部熱動力學和熱演化特征及歷史提供約束。

（3）探索發現未知的金星火山地貌特征，揭示火山地貌類型和噴發機制。高分辨率SAR 獲得的數據有助于分析熔巖流之間的表面粗糙度等特征差異，確定火山噴發時間序列，尋找年輕火山活動，理解金星熱演化歷史。

3.2 金星氣候特征與超溫室效應

開展金星氣候特征和超溫室效應研究，需要深入、全面了解金星大氣化學、物理過程及表面與大氣的物質和能量耦合過程。而研究金星大氣及其與表面的物質和能量交換，關鍵在于獲得長時間連續觀測金星深對流層的科學數據，這類觀測目前仍是空白。金星中低層大氣觀測的主要阻礙在于其濃厚的硫酸云層，這要求探測手段能夠全天候全天時不受濃厚硫酸云層影響，在金星高溫高壓且以二氧化碳為主要成分的環境下，具有精確層析金星近地表大氣熱力結構和大氣成分的能力。截至目前，金星軌道器大氣探測以紅外、紫外和可見光為主，受頻段自身特性限制，在穿透硫酸云和全天時探測方面不能兼顧[37]。

為了實現金星中低層大氣的探測目標，獲取重要的垂直、水平和時間采樣的溫度和氣體成分科學數據，需要利用多頻段微波特別是低頻微波的強穿透能力，穿透金星硫酸云獲取表面溫度數據，并利用二氧化碳、二氧化硫和硫酸氣體導致的不同微波頻段吸收透過特性的差異，通過低頻和高頻微波探測相結合，精確層析金星中低層大氣的溫度和硫化物濃度垂直剖面，獲取其隨時間和經緯度的變化特征。金星表面溫度及大氣底層硫化物變化特征，可輔助SAR 精確定位可能的噴發源區。對金星中低層大氣熱力結構、化學組成及變化過程的探測，能夠為大氣化學模型提供重要約束，幫助理解金星氣候的成因以及進化過程，揭示能量在金星大氣中的傳輸過程，并為開展金星大氣動力學研究提供支持。

3.3 金星大氣與氣候演化

金星是仍有大量待解之謎、復雜多變的地外星球。大量的二氧化碳和水蒸氣、二氧化硫等氣體，導致金星上空50～70 km 高度有濃密的硫酸云覆蓋，疊加金星表面強烈的溫室效應，加劇了金星大氣對流[30,38]，使其風場復雜多變。探測金星大氣環流是VOICE 的主要任務之一。此外，獲取金星表面物質成分信息對理解金星是否存在過板塊運動以及現今是否依然存在火山活動等關鍵科學問題非常重要。這就需要具備近地表-云上（0～70 km）不同高度層、近全圓盤和高空間分辨率（2～10 km）成像能力，穿透濃厚的硫酸云，探測金星云下大氣和地表精細結構。因此，僅依靠傳統的可見光相機是無法實現的。通過紫外-可見和近紅外CO2大氣窗區（0.28～1.50 μm）多光譜成像，利用不同波段吸收透過特性的差異，可以獲得金星地表不同高度的圖像。特別是利用紫外波段云圖明顯的對比度，作為金星云頂動態的示蹤劑，可以對金星大氣環流特征、云動態和大氣運動過程進行長期、系統性觀測，進而提高對金星大氣環流的認識。此外，通過近紅外大氣窗區獲取地表發射率，可以用于分析研究金星表面的物質組成。

3.4 金星宜居環境與生命信息

金星大氣層45～55 km 低云區具有存在生命的可能性[35]。金星云中大氣熱結構及生命相關成分的分布信息，能夠為其宜居環境和生命信息探索提供重要支持。利用微波臨邊觀測方式可以避免表面的影響，突出痕量氣體的譜線特征。利用240～270 GHz，530～580 GHz 頻段的微波毫米波精細吸收譜探測，可以獲取H2O，H217O 及H218O 的豐度廓線和D/H比等信息。對PH3和NH3是否存在、存在的高度和豐度等進行高置信度的遙感探測，可以為開展生命信息探索提供關鍵支撐。

通過開展上述探測，在金星地質、大氣、地氣交換、大氣全貌成像等方面實現原始數據積累，可為實現VOICE 任務的科學目標提供必要保障。

4 探測原理與有效載荷配置

金星火山與氣候探測任務（VOICE）以金星地質與氣候演化和生命宜居環境為科學主題，針對金星表面地質和熱演化歷史、大氣熱力與化學過程、表面和大氣的交換與耦合、宜居環境與生命探索等關鍵科學問題，將采用米級分辨率的極化合成孔徑雷達成像、下視和臨邊結合的多波段微波輻射探測、紫外-可見-近紅外成像探測等技術，在金星表面、云中和云下大氣、生命信息探測等方面取得變革性突破，實現對金星表面形貌、構造和火山、大氣組成及其熱力結構和運動變化的新認識或深入認識（見圖1）。

圖1 金星火山和氣候探測（VOICE）科學衛星任務概念Fig.1 Concept art depicting Venus Volcano Imaging and Climate Exploration (VOICE) Mission

4.1 探測原理

4.1.1 金星地質演化

為實現在金星地質構造和熱演化研究方面的重大突破，需要聚焦金星火山構造、熔巖流、冕狀構造、撞擊坑、鑲嵌地形等關鍵形貌。獲取這些關鍵形貌的米級高分辨率多極化雷達圖像，通過分析研究來獲得形貌特征。金星存在濃密的大氣，光學手段無法實現對金星表面的成像。SAR 是一種主動式高分辨率微波遙感器，具有全天時、全天候工作能力，且對地物具有一定的穿透性。條帶SAR 采用脈沖體制發射信號。線性調頻基帶信號被載頻調制后通過天線發射出去，照射到目標并反射，雷達接收回波，然后下變頻解調、數字化采樣與存儲，再經過距離向壓縮和方位向脈沖壓縮即可得到二維圖像。

經過對SAR 探測能力和可行性的分析，并考慮對金星表面進行地質探測的具體需求，VOICE 任務采取S 波段（3.2 GHz）載頻信號，并設計多極化工作模式以獲取多維度信息。信號帶寬最高150 MHz，可實現最高3 m 地距分辨率多極化雷達成像。

4.1.2 金星大氣成分與熱力結構

金星大氣在微波-毫米波頻段的光學厚度主要取決于大氣層中二氧化碳的壓致譜連續吸收以及二氧化硫和硫酸氣體的譜線吸收。考慮各種氣體的吸收譜線展寬效應后，求解金星大氣輻射傳輸方程，發現在微波-毫米波頻段，溫度、二氧化硫及硫酸氣體的權重函數峰值高度均呈現出隨頻率升高而升高的規律。通過合理選取觀測頻率組合，可以觀測從金星表面到云頂之間任意高度處的大氣。

為了實現對金星中低層大氣的探測目標，獲取豐富的垂直、水平和時間采樣的溫度和氣體成分數據，需要利用多頻段微波、特別是低頻微波的強穿透能力，穿透金星硫酸云獲取表面溫度數據，并利用二氧化碳、二氧化硫和硫酸氣體導致的不同微波頻段吸收透過特性的差異，通過低頻和高頻微波探測相結合，精確層析金星中低層大氣的溫度和硫化物濃度垂直剖面，并獲取其隨時間和經緯度的變化特征。

4.1.3 金星紫外-可見-近紅外成像探測

金星頂部云層在200～500 nm 的波段范圍內對太陽輻射具有豐富的吸收特性。其中金星云層頂部以下的太陽輻射會被SO2（＜320 nm）和未知的紫外吸收體吸收，這些吸收隨著高度的降低而顯著減弱。根據SO2吸收截面，選取280 nm 附近的紫外輻射探測，可以反演出金星云上的SO2濃度分布。

在大于320 nm 波段，例如在Mariner 10 和金星快車（VEX）的探測云圖中，有很多神秘的黑色區域，即未知紫外吸收體，由于其在時間和空間分布上的不均勻性，在金星全貌圖上產生了獨特的暗區和紫外線特征。未知紫外吸收體的存在使金星在云上吸收了大約50%的太陽輻射，這對整個金星大氣的能量平衡和動力學都有重要影響。因此，VOICE 任務在未知紫外吸收體的敏感波段（中心波長約365 nm）對其形態進行動態監測，研究其形態的時空變化特征，進而有助于研究云頂的動力學。

近紅外成像光譜（0.85～1.5 μm）有幾個重要大氣窗區，例如1.0 μm，1.18 μm,1.27 μm，1.31 μm 等。選取1 μm 附近進行探測，可穿透厚的云層，感知金星云下信息，獲取的地表發射率可以用來研究金星表面的物質組成。目前已知的是，金星的低地平原區域覆蓋了玄武巖，而其他的地貌特征如大的盾狀火山和熔巖流區域，在成分上是否為玄武巖質尚不確定。鐵鎂質玄武巖的風化對判斷金星是否依然有活躍的地質活動如火山等至關重要。通過在近紅外大氣窗區對近地表熱輻射進行探測，可以為金星地表和地貌特征及地質演化研究提供重要數據支撐。

4.2 有效載荷配置

為完全覆蓋科學目標，同時有不同探測手段的相互補充和驗證，VOICE 任務計劃配置的有效載荷包括一臺合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR），一臺微波輻射探測儀（Microwave Radiation Sounder，MWRS）和一臺紫外-可見-近紅外多光譜成像 儀（Ultraviolet-Visible-Near Infrared Multispectral Imager，UVN-MSI），從而涵蓋紫外、可見光、近紅外和微波多個頻段。有效載荷及其對科學目標的貢獻如圖2 所示。有效載荷探測功能和配置列于表1。

表1 有效載荷探測功能和配置Table 1 Configuration scheme of VOICE satellite payloads

圖2 有效載荷及其對科學目標的貢獻Fig.2 Payloads and their contribution to scientific objectives

PolSAR 將實現金星全球的高分辨率成像（約30 m）和表面重點區域的精細成像（米級分辨率），獲取不同尺度盾狀火山及熔巖流、冕狀構造、鑲嵌地形等關鍵形貌的空間分布、地層關系、表面粗糙度等定量化信息，為開展對比和時空演化研究提供科學數據。UVN-MSI 的近紅外“窗口”成像與PolSAR 有效互補，可探測金星表面成分信息，用于研究金星古陸殼-鑲嵌地形是否與地球大陸成分相似、確定其形成與水和板塊運動是否有關。UVN-MSI 還將通過探測近紅外波段反射率強度變化，識別金星表面可能的“熱點”和較年輕的火山熔巖流，結合PolSAR 影像精確定位，確定金星表面可能存在的活火山活動。此外，PolSAR 和UVN-MSI 獲取的定量化信息和參數可為進一步建立金星熱演化和內部動力學地球物理模型提供重要輸入。

MWRS 將獲取金星大氣關鍵組分的全球分布和變化過程，構建金星大氣剖面的溫度廓線及其時空變化，并在金星云層中搜索可能與生命過程相關的大氣組分例如PH3，NH3，OCS 等。多光譜成像儀（UVNMSI）由三個相機單元組成。其中，紫外-可見成像單元能夠探測金星大氣中的SO2和未知紫外吸收體；閃電成像單元通過快速成像可以捕捉金星閃電；近紅外成像單元可以監測大氣水氣豐度和辨析表面物質成分。

UVN-MSI 與MWRS 有效互補，可以探測大氣中SO2、未知紫外吸收體、閃電及大氣水氣豐度變化等，并對金星大氣全貌進行成像。MWRS 和UVNMSI 還將探測光譜反照率隨時間的變化，大氣整體成分的垂直變化，太陽輻射吸收劑的特性、性質和豐度。此外，MWRS 和UVN-MSI 還將對金星大氣運動和大氣閃電進行成像，以獲得深層大氣整體組成的垂向梯度及其對靜態穩定性的影響。上述探測數據將為進一步研究金星大氣的動力及演化和模型構建提供有力支撐。

與歷史上和未來規劃的其他國際金星任務相比，VOICE 任務的探測模式和有效載荷配置具有很強的特色和創新性。表2 給出了VOICE 的主要探測目標和載荷性能特點以及與國際上最近的三個金星探測任務（美國麥哲倫、歐空局金星快車、日本拂曉號）和已經立項的三個金星探測任務（美國真相號、美國達芬奇+、歐空局展望號）的對比。由表2 可以看出，VIOCE 雷達成像擁有最高的分辨率，并首次實現金星全球大氣微波毫米波觀測特別是對云下深層大氣的觀測，具有很強的先進性。

5 結語

近年來中國在航空航天領域高速發展，這推動了對深空探測的不斷深入。無論是嫦娥系列月球探測任務，還是天問一號繞落巡火星探測任務，都實現了國際深空探測中科學和技術上的重大突破。在近30 年間，過去的金星探測只有麥哲倫、金星快車和拂曉號三個任務，整體技術水平較低。目前對于金星表面地質和形貌的探測程度僅相當于20 世紀70 年代的火星探測水平，對金星地表關鍵區域的認知缺乏高分辨率圖像支持，對金星近地表12 km 大氣狀態一無所知，對其地質和氣候的演化歷程以及宜居性了解甚少。任何針對這些重要科學問題的中小型金星任務都將獲得極大的科學回報，在國際上產生重大影響。

目前國際金星探測正在開啟新紀元，多個金星任務都在立項和實施。中國近年來航天技術快速發展，在航天器、飛控、有效載荷技術等方面已取得一系列重大突破，為搶占金星探測和科學研究制高點，實現金星科學重大突破提供了關鍵支撐。VOICE 任務提出以火山活動及其演化歷史為中心的表面地質和以熱力結構及成分全球分布為中心的深層大氣探測方向，也是國際新一輪金星探測任務的主攻方向，盡快立項實施VOICE 科學衛星任務，將推動中國金星探測任務取得跨越突破。

與國際已有和將要實施的金星探測任務相比，VOICE 計劃的探測目標、探測手段具有鮮明的特色和創新。該任務以中國相關領域的技術突破為基礎，體現了高水平自強自立基礎上的創新突破，實施后將進一步促進中國行星科學研究擺脫利用國外數據、跟蹤國外思路的狀態，帶動學科發展的突破。目前中國的深空探測規劃了月球科研站、火星和小天體采樣返回、木星系探測、太陽系邊際探測等任務方向，但還沒有關于金星探測的任務規劃。通過實施VOICE 任務，也將推動未來部署和實施旗艦型的金星綜合探測重大任務，并為其提供關鍵支撐。

為了實現金星尚未解決的重大問題的突破，VOICE 任務配置的有效載荷具有很強的創新性，并且規劃了先進的探測模式，包括：極化SAR 具有米級空間分辨率和多種極化模式；MWRS 在國際上首次使用微波毫米波下視和臨邊兩種觀測模式；UVNMSI 采用多波段聯合多光譜實現金星全球圖像動態監測；綜合理解金星火山和中低層大氣的探測數據；在350 km 圓軌道上對金星大氣云中、云下的溫度、水和氣體成分進行垂直廓線探測，并對重點區域進行精細太赫茲輻射譜探測。這些新的、突破性的技術手段和探測模式，使VOICE 任務能夠分析金星特殊地形，確定火山的成因、類型及噴發機制，理解金星地質構造和熱演化歷史；剖析金星中、低層大氣結構和物質循環，深入刻畫金星氣候演變過程；提升對金星云層的動態追蹤；理解金星地表與大氣能量交換及大氣的運動與演化；開展對金星云層中可能存在的宜居環境的分析。

總之，VOICE 任務的實施將在中國開啟利用中小型任務探測太陽系行星的先河，也將在國際首次實現金星表面高分辨率和多極化雷達成像、全球中低層大氣成分和熱力結構精細探測、探索金星大氣中潛在生命信息，有望率先在國際金星探測的空白和熱點方向上實現重大科學突破，在新一輪國際金星探測熱潮中搶占科技競爭制高點，為中國未來金星探測重大任務提供重要支撐。