天文化学力学
行星自转起源的受力分析
投稿人:王孝恩 投稿时间:2020-04-02 10:32 访问量:

自从太阳系行星形成的悬臂断裂模型诞生以来[1],有关行星及其卫星起源的根本问题已经相继得以解决。现将太阳系行星自转形成时的受力情况分析如下。

为方便起见,这里没有考虑行星与其卫星一起断裂时的复杂情况。在断裂前,如图-1 a)所示,构成原胚行星A的B、C点与A一起,以同样的角速度绕太阳系的共同质心(Sun)向东转动。在断裂过程开始之后,A与悬臂间的距离拉大,之间的系带变细。同时以A为中心发生重力分异作用,密度大的液态岩浆物质向A的中心集中,大部分易挥发性的气态物质被逐渐排挤到外围。在整个断裂过程中,B、C两处的物质向A集中。如图-1的b)所示,B处物质的运动是向着远离太阳方向的运动,半径RB增大。根据角动量守恒有理,半径增大,角速度减小。B处物质在向A集中的同时,如B处三个箭头所示产生了向后(向西)运动,但在断裂后的地球来看,仍是在向东转动。在断裂过程中C处物质的向A集中,是向着太阳的方向运动,半径RC减小。根据角动量守恒原理,仍然向东转动的角速度增大了。总之,在断裂过程中由于B、C两处物质向A的集中,产生了原胚行星A向东自转的趋势。当断开时A的自转就开始了。 断开后,由于A的重力分异作用,A整体开始向球形转变和演化,密度大的物质集中形成A的核心部分,A的引力密度增大,还由于温度的不断降低,使A的整个体积缩小。在缩小过程中,不但B、C方向上,在所有方向上的物质向A的集中,遵照角动量守恒原理,都会加快A的自转速度。当行星A的稳定球型基本形成以后,自转速度也基本形成。此后由于潮汐摩擦,行星的自转速度可能又会极其缓慢地、长时间地缓慢减小。

一个原来没有自转运动的球体的体积收缩,并不会产生自转。不过,当一个本来就具有自转运动的球体的体积收缩时,遵照角动量守恒原理,球体的自转会加速。因此,球体的收缩只能加速自转,但不能起源自转。

悬臂断裂时,仅凭行星A的体积收缩是不会产生自转的。行星A的自转起源于在悬臂断裂过程中B、C两处的物质向A的集中(BC方向上的收缩)。而垂直于BC方向上的收缩不能起源行星A的自转。

在原来悬臂中行星A所占有的区段长度若按行星A的现有直径的两倍考虑,现有行星A的物质的一大半则来自原来悬臂中沿BC方向上的现A体积之外的区域。也就是说,在行星A的形成过程中,有很大一部分物质从BC方向集中到了现有行星A的球形体积中。正是这些物质向A的集中起源了行星A的自转运动。

显然,行星A越大,在悬臂中占有的区段长度BC越长,对自转速度起源的贡献越大,则行星A的自转周期越短。带有卫星的行星的占有区段BC更长,因此自转周期更短。这些与八大行星的自转周期规律基本一致。

当然,太阳系的八大行星中,金星具有与其它行星相反的自转方向。

参考文献:

1、王孝恩. 地球自转运动及地轴倾角形成的机理探讨.中科院科学智慧火花,2019年1月20日. http://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=68018.