地球自转轴相对于黄轴倾斜了约23.5度,造成了四季的变化。太阳系八大行星中自转轴倾角最大的为天王星,倾斜超过90度。金星与木星的大致3度转轴倾角是最小的,可看作是基本的自转轴倾斜角度。在表1中的天王星转轴倾角标记了星号“*”,以示文献中对天王星的倾角描述有两种。一种是把天王星的自转方向与所有八大行星的自转方向统一为向东自转,也与八大行星都向东公转的方向一致。那么若站在黄道平面之上向下看时,天王星的北极向外翻转了97°46‘,也就是说大于了一个直角的角度,北极转到了黄道面以下。另一种是把天王星的自转方向视作与其它七大行星的自转方向相反,是向西自转,此时的天王星原来朝上的南极仅翻转了82°27‘。若不考虑两极测量的极轴偏差,97°46‘与82°27‘则互为补角。从本文研究八大行星倾角形成的角度来考虑,当然是按第一种描述。
表1.太阳系八大行星的自转轴倾角和轨道偏心率 | ||||||||
行星 | 水星 | 金星 | 地球 | 火星 | 木星 | 土星 | 天王星 | 海王星 |
R远(×1011m) | 0.697 | 1.09 | 1.521 | 2.491 | 8.157 | 15.07 | 30.04 | 45.37 |
R近 (×1011m) | 0.459 | 1.074 | 1.471 | 2.067 | 7.409 | 13.47 | 27.35 | 44.56 |
R平均(×1011m) | 0.579 | 1.082 | 1.496 | 2.279 | 7.783 | 14.27 | 28.696 | 44.966 |
周期 (年) | 0.24 | 0.62 | 1 | 1.88 | 11.86 | 29.46 | 84.01 | 164.8 |
转轴倾角 | <28 | 3 | 23.5 | 23°59‘ | 3°05‘ | 26°44‘ | 97°46‘* | 28°48‘ |
赤道直径(km) | 4880 | 12100 | 12756 | 6787 | 142800 | 120660 | 51800 | 49500 |
水星的转轴倾角自然是由水星与太阳间系带断裂期间的变化造成的。除此之外,地球与火星的倾角大致为23.5到24度,两者非常接近而且后一个比前一个稍微大一点。因此可看作是一次形成的。土星为26°44‘,海王星为28°48‘,两者也非常接近,而且也是后面的比前面的稍微大点,因此也可看作是一次形成的。不过,两个星子间还隔了天王星。若天王星的倾角像金星与木星那样也在3度左右,就不能认为土星与海王星的倾角是在同一次事件中形成的。实际上天王星的倾角很大,但只要把这个大的倾角看成是先后两次倾斜的角度之和,问题就解决了。天王星第一次倾斜的角度在26°44‘与28°48‘之间,土星、天王星和海王星共同发生了第一次倾斜事件。这第一次三星共同倾斜发生时断裂的系带一定在木星与土星之间,时间发生在海王星从悬臂断裂之前的很早的早期。
在悬臂中两星子之间的系带的密度分布是不均匀的。纵向的不均匀性形成大小不等的卫星,横向的不均匀性使系带沿纵向岐化裂开,形成主系带和旁侧的分支系带。可以判断,早期发生在木星与土星之间的这次部分断裂一定是位于北方的一条分支系带的断裂,而位于南方的主系带并没有断裂。因此,仅使土星、天王星和海王星三星共同发生了倾斜,其倾斜角度不是很大,天王星的倾斜角度在26°44‘与28°48‘之间,我们不妨取其平均值27°46‘。
天王星转轴的第二次倾斜一定发生在海王星从悬臂上断裂下来之后,断裂点一定发生在土星与天王星之间。使星子倾斜的断裂一定是部分断裂,不是系带的完全断裂,完全断裂时星子是不会发生倾斜的。第二次部分断裂的结果使天王星倾斜的角度为97°46‘-27°46‘=70°- 这么大的倾斜转角说明断裂的一定是一条很粗的分支系带,比剩余的那条可能还粗。剩余的那条没有断裂的分支系带则必然包含一颗中介卫星。
天王星与土星之间的中介卫星不是来自天王星就是来自土星,并且这个中介卫星还必须是足够大的一个卫星。通过查找这两大行星的卫星,一个最佳候选者出现了,那就是土卫六,也只有土卫六。因为土卫六像月球一样,都是球形卫星,都失去了独立的自转,并且两者都具有其一个面被主行星锁定的特点。
土卫六比冥王星大许多,跟水星的个头差不多,在卫星世界中居第二位。土卫六的直径约为5150公里,质量约为1.35×1023 kg, 与土星的平均距离为122万公里,大约是土星直径的20倍。土卫六虽然是太阳系中第二大的卫星,但其直径还不足土星直径的23分之一。与月球相比,月球的直径接近地球直径的4分之一。可见土卫六在土星与天王星之间的系带的横截面积中,所占比例很小。在该系带的纵裂各分支系带中,不含土卫六的那些偏中或偏北的各分支系带(也或一条大的分支系带),在天王星第二次倾斜事件中一起发生了断裂。但含有土卫六的那条最靠南的分支系带仍然是土星与天王星的连接系带,它连接着天王星南极附近的一个小的区域。在这次部分断裂中,天王星的北极向外翻转一个大的角度,考虑第一次部分断裂时已经转过的角度,天王星北极两次一共转过了97°46‘,导致与土卫六连接的南极被转到了黄道平面的上方。看起来天王星近乎平趟在了黄道面上。由于天王星自转的螺旋定向性,它的自转独立于公转。在第二次部分断裂时,天王星南极朝向太阳,北极背离太阳。当天王星随悬臂绕太阳转过180度时,它的南极已经背离太阳,而北极面向大阳。
第二次的部分断裂肯定加快了土星与天王星间的最后的完全断裂。最后土星与天王星间的完全断裂实际上发生在土卫六与天王星之间。断裂时天王星会沿黄道面向后猛拉土卫六,使土卫六原来自己保持的独立的向东自转被拉住,在与土星的强劲的系带作用下与土星的自转保持一致。由于最后断裂时的系带已经很细,系带的粘滞拉力已经很小,转化成的抛射力很小,所以在刚断裂后它很快到达椭圆轨道的远日点,并且具有很小的轨道偏心率。
参考文献
1. 王孝恩. 行星起源的受力分析,中科院智慧火花栏目。2020 -04-02;https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=7379.
2. 王孝恩. 地球自转运动及地轴倾角形成的机理探讨,中科院智慧火花栏目2019-01-20.https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=68018
3. 王孝恩. 嫦娥六号发现的月背圆形坑支持太阳系行星形成的悬臂断裂模型.中科院智慧火花栏目2024-07-04. https://idea.cas.cn/zhhh/sxwlhxytw/twhxlx/info/2024/526597.html.
Xiao En Wang (2024) The Cantilever Fracture Model of Planetary Formation in the Solar System and Plate Tectonics of Earth. Japan Journal of Research. OI: 10.33425/2690-8077.1154