导语：金星与地球具有相仿的体积和质量，被视为是地球的姐妹行星。然而，金星表面却与地球有着巨大的差异。了解金星内部结构对于研究金星和地球表面差异产生的原因有着重要意义，尤其是与幔层热状态以及动力学过程有着密切的联系的深部结构。此外，金星内部结构尤其是核幔边界的结构提供了有关金星起源与演化的线索。
01
金星有着快速的表面更替及非常年轻的地表，对其研究正在不断深入
1、概述
金星是太阳系八大行星中距离太阳第二近的行星，距离太阳0.723个天文单位。金星的公转周期为224.7个地球日，而自转周期却为243个地球日，是太阳系内唯一一个“逆行”的行星。金星由于其质量、半径与地球相似，曾被认为是地球的“孪生”星球。因此，早期研究认为金星的内部结构也与地球类似。
然而，自金星探索任务以来，人类发现金星表面与地球之间存在着巨大的差异。金星9号是第一个从金星表面返回图像的着陆器，它收集了有关金星表面压力、温度、风速和物质成分的数据，这改变了人类对这个行星的认识。
相较于离太阳更近的水星，金星表面仅受到不足水星1/4的太阳辐射，但金星的表面温度却高于水星，达到了730K，这也远高于地球表面的温度。这是由于，金星大气中约96%都是由二氧化碳组成。如此高浓度的二氧化碳在金星表面造成了严重的温室效应，最终导致了金星表面的高温。
同时，金星的大气也因此极为浓密，其密度比地球大气高两个数量级，金星表面的大气压强高达9.2MPa。如此恶劣的环境使得着陆器在金星表面难以长时间正常工作，存活时间最长的金星13号也仅正常工作了127分钟。
在金星浓密的大气之上是一层包含二氧化硫和硫酸的云层，这些云反射了大部分的太阳光照，也阻止了从地球对金星的直接光学观测。由于金星表面的环境极其恶劣，着陆器难以在金星表面长期正常工作。
因此，金星缺乏原位地震探测数据，人类难以利用地震手段了解金星的内部构造。近几十年来，随着空间技术的发展，越来越多的金星探测器被成功发射，已经积累了一定的测地学参数的观测数据，使得利用测地学参数研究金星内部结构成为了可能。
2、研究现状
金星表面缺乏构造运动，而地球上的构造运动却十分活跃，这种差异通常归因于金星幔层比地球更干燥。另一方面，通过卫星影像数据对金星表面撞击坑的分析发现，金星有着快速的表面更替以及非常年轻的地表，其地表的年龄时间仅有1.2～2.5亿年。
PVO金星探测器发现金星的磁场强度至少比地球小5个数量级，这说明与受到主磁场保护的地球不同，金星可能并不存在一个主磁场。但也有研究认为金星曾经拥有过一个主磁场，只是现在消失了。根据地磁发电机理论，全球性的偶极子主磁场被认为与液体外核中的对流以及液态核心冷却带来的固体内核增长和放热有关。
这意味着金星的核心可能与地球完全不同。由于金星中心压强低于地球，其核心可能尚未充分冷却，或许不存在一个固态内核。金星缺乏主磁场可能是由于金星的核心已经完全冷却，仅存在一个完全固态的核心。从另一个角度为金星缺乏主磁场提供了解释。
金星缺乏板块构造表明金星的幔层可能比地球要显得粘滞，金星这种迟滞的幔层对流可能无法有效的冷却核心以启动发电机。缺乏主磁场预示着金星内部的热状态和核心可能和地球存在着差异。
目前对于金星核心的状态还存在着诸多争论，仍然缺乏决定性的证据来确定金星的核心是完全固态还是完全液态，亦或是和地球类似存在一个固态的内核及液态的外核。此外，金星与地球还存在一个显著的差异，那就是金星没有自然卫星。目前对月球的研究倾向于月球的产生是由“大碰撞”所产生。
在45亿年前，一颗火星大小的天体“忒伊亚”和地球发生了剧烈的碰撞，其残留的碎片在轨道上重新形成了月球。而金星不存在自然卫星预示着金星可能并未经历这样的“大碰撞”。对“大碰撞”假说的模拟研究表明，如此高能的撞击融化了地球的地幔，“忒伊亚”的一部分也进入地幔。
其重元素（如Fe）进入地球内核，这一过程对随后的地球内部演化产生了巨大的影响。为确定行星内部结构，地震学是最合适的地球物理学手段。但是，由于金星表面恶劣的环境，着陆器难以长时间正常工作。近几十年，随着空间技术的发展，越来越多的行星轨道探测器器已成功发射。
02
深入了解金星的相关知识，了解金星的内部结构，金星属性较为独特
1、金星内部结构
对于金星的壳层，利用金星15及16号的测高雷达数据以及撞击坑的影像数据估计了金星的壳层厚度。研究认为金星的幔层厚度约为10～20km，密度约2900kg/m3。而利用由玄武岩向榴辉岩的相变推算的金星壳层厚度则是50～70km。近十年，大地水准面与地形的比值，即导纳被广泛应用于金星壳层的研究。
利用历史积累的金星重力数据及地形数据计算了金星的导纳，并以此推测金星壳层的平均厚度为8～25km。基于重力场的长波信息全部是由艾黎均衡和地幔对流产生的假设，将重力场信息中的动态和静态部分进行了区分。
利用静态部分对金星壳层进行了估计，认为金星壳层厚度为12-65km，平均厚度约为25km。金星曾经被认为有一个液态的外核和固态的内核，然而根据PVO金星探测器获取的金星磁场强度数据，难以支撑金星存在主磁场的假设。
根据地磁发电机理论，行星的全球主磁场与行星液态金属核内的对流以及核心冷凝放热（即固态内核的扩张）有关。金星主磁场的缺乏可能意味着金星的核心没有完全冷却，可能不存在固态内核。随后的一些研究进一步否定了金星存在一个完全固态的内核。
2、行星固体潮及引潮力
固体潮是一种由太阳和其他天体（包括行星的自然卫星）对行星的引力作用所导致的行星的周期性形变现象。固体潮汐形变是行星地表和行星内部各点相对于质心的运动，而与行星的整体运动无关。如果选取以行星质心为原点的地固坐标系，假定行星的质心不动，则固体潮汐形变表示行星表面和内部各点相对于质心的运动。
引潮力是太阳和其他天体作用于行星上任一点的引力和行星运动的惯性力对该点的引力之差。值得注意的是，行星因为引潮力作用被“压扁”后产生的凸起指向对其产生引潮力的天体（太阳M），但这仅在行星为完全弹性体的假设下成立。
而现实情况是，类地行星一般拥有一个完全液态的核心或液态的外核，行星并不是一个完全弹性体。对于非完全弹性体，由引潮力产生的形变和物质平衡会相对于引潮力有一个延迟，其表现为行星因为引潮力产生的凸起方向与引潮力方向有一个夹角ε。这一夹角被称为潮汐相位延迟。
03
深入了解精细金星内部模型的构建，可分为三个圈层，需进一步研究
首先将金星内部结构模型分为三个圈层：壳层、幔层及核心。进一步，幔层被划分为上幔层、下幔层及TBL层。考虑到目前针对金星核心的状态还存在诸多争议，在本章中考虑了2种不同的情况：1）金星存在液态外核及固态内核，即模型I；2）金星拥有一个完全液态的核心，即模型II。为方便计算，将该模型离散成1-km厚度的各向同性匀质球壳。
1、壳层
在先前的研究中，根据不同的数据和方法，对金星壳层的厚度估计值为10～70km，但中厚度较高的区域主要集中在部分高原区域，如Ishtar高原、Ovda以及Thetis区域。对金星壳层平均厚度和平均密度的估算之间的差异则不大。
在模型假设中，并没有考虑金星的壳层的横向不均匀性，而是将金星的壳层视为匀质球壳。星壳层的厚度和密度的微小变化对模型的影响相比较于现有观测量的误差而言是一个小量。同时，考虑到在本研究中金星壳层也不是研究的重点，我们将壳层参数设为定值。
2、幔层
对于幔层区域，内部参数（包括密度、地震波波速、温度及粘性）会随着深度而变化。利用Perple_X程序，可以从金星幔层的组分模型和温度出发，计算出随深度变化的密度与地震波波速。Perple_X程序是一个利用氧化物组分和热力学数据集对特定温度压强范围内的矿物构成与矿物的相图、相平衡、矿物的热力学数据进行计算的程序。
在此基础上，可以获取在特定的温度压强条件下或特定的温度压强路径上的矿物的物理性质（如密度、剪切模量、不可压缩性系数等）以及热力学参数（如热容、热扩散系数、熵等）。
3、核心
类地行星被认为在形成演化过程中会产生一个富铁的核心。对地球的研究发现，地核需要含有一定量的轻元素（如S，O，Si，C及H等）才能满足由地震波获取的密度、波速结构。然而目前对于地核的轻元素类型以及含量还有诸多争议。对于金星而言，由于缺乏直接的地震观测数据，人类对于金星核心的轻元素目前还知之甚少。
因此，我们参考其它研究者对地核轻元素的研究结果，针对金星核心的元素做出了一些假设。目前的高温高压试验研究认为，单一的轻元素无法很好的满足地球液态外核的密度和波速结构，需要包含2种甚至更多的轻元素，因此，我们假设金星内核含有2种轻元素。
结语：金星内部并不是完全弹性的，需要引入流变性模型来表现金星内部对太阳引潮力的粘弹性响应。目前针对金星内部结构，尤其是深部结构的研究多是利用正演模型。MCMC算法已经广泛应用于其他类地行星内部结构的反演研究，而金星缺乏利用测地学参数的观测数据进行反演的研究。