1.6 第五章认知太阳系（3）

第五章认知太阳系（3）

三太阳系的特征

对于所有这些观测到的太阳系的规律性，人们至今还不能作出解释。人们正是希望通过研究这种规律性来获得—种能对太阳系起源作出解释的理论。然而，甚至在没有完全令人满意的一种理论的情况下，下面的事件看来是肯定的：太阳系的秩序代表着一种有效的自动调节方式。行星的接近正圆的轨道保证了，它们能安全运行。不遵守这些交通规章和违反在一定轨道运动的天体或迟或早要同其他天体靠得过近。这种相遇的结果是，它们或者被潮汐力破碎，或者被加速到彻底离开太阳系——这是彗星常常遭到的下场。即使太阳系在过去不如现在这样井然有序，我们现在看到的某些次序也必然是要通过演化而建立起来的。

1、太阳系的基本特征

人们通过多年的观测和研究，掌握了大量的太阳系的特征，任何理论都必须能合理的解释这些特征，才会有机会获得认可。下面十一条观测事实基本揭示了太阳系的基本特征。

(1)行星公转具有同向性。即行星绕太阳转动的方向都一样，这个方向也就是太阳自转的方向。

(2)行星轨道具有共面性。行星公转轨道几乎都在一个平面(不变平面)上，只有最里面的水星的公转轨道对不变平面有较大的倾角，为6°17′，其余七个行星的倾角都小于2°2。太阳的赤道面和不变平面的交角不到6°。

(3)行星公转轨道都接近正圆，只有水星和冥王星的轨道偏心率较大，分别为0.206和0.25，其余行星的轨道偏心率都小于0.1。

(4)在太阳系33个卫星中，有20个绕行星的轨道运动也具有同向性、共面性和近圆性，轨道对行星赤道面的倾角都不超过2°，偏心率不超过0.11。其余13个卫星中有6个是逆行的，7个的偏心率和倾角都比较大。

(5)在八个行星中，有七个是顺向自转，只有金星逆向自转，天王星躺着自转。一般说来，行星的质量越大，自转越快。自转情况已知的卫星，月球、火卫一、二、木卫一、二、三、四和海卫一，都是顺向自转，而且是同步自转，即自转周期等于绕行星转动的周期。

(6)在太阳系的角动量中，太阳的角动量只占0.6％，行星的角动量则占99.4％。行星的角动量密度比太阳大五个数量级。对于卫星系统(地月系除外)，情况不一样。卫星绕行星转动的角动量比行星自转角动量小十倍到一百多倍，对于火卫系小32万倍。卫星的角动量密度只比行星大一、二个数量级。

(7)行星离太阳的平均距离有一定的规律性，规则卫星也有类似的规律。

(8)行星在质量和大小方面都是中间大，两头小。木星的质量等于其他七个行星的质量和的两倍半，木星和土星的质量和等于其他六个行星的质量和的12倍．但是，行星的平均密度则具有另一种分布．类地行星的平均密度都在4和5．5之间，类木行星的平均密度则在0.7和1.6之间。木卫系、土卫系、天卫系(只考虑规则卫星)的质量分布和大小分布也有中间大两头小的趋向，但不明显。由于卫星的半径和质量定得不准确，所以算出的密度值还不可靠。

(9)在火星轨道和木星轨道之间没有大的行星，只有许多小行星。小行星都顺行，但轨道的倾角和偏心率的范围却相当大。已定出四十几个小行星的自转周期。小行星在质量和大小方面的分布范围很大。一号小行星谷神星的质量就占小行星总质量的1／5。存在着好些小行星群。

(10)彗星公转轨道在半长径、偏心率和倾角这三方面的分布范围都很大。已算出轨道的六百多个彗星中，三分之二的轨道半长径大于700天文单位。轨道半长径越大，倾角和偏心率平均说来也越大。一半的彗星逆行。

(11)陨星有陨铁、陨石、陨铁石三类。陨石又分为球粒陨星和无粒陨星。有些陨星还含有钻石、水和有机物。

上列观测事实是太阳系在运动方面和结构方面最主要的特征，是任何有关太阳系起源和演化的理论都必须予以说明的．此外，太阳的形成和行星、卫星的形成是大致同时进行的，太阳早期的变化(光度变化，表面温度变化，物质的抛射)对行星的形成过程会有很大影响。

2、轨道特征

太阳系的中心天体是太阳，环绕着太阳有8个行星(包括他们的卫星)以及许多小行星、流星体和彗星在运转着。行星和小行星几乎都在同一个平面上绕太阳转动，大部分卫星也几乎在这同一平面上绕各自的行星转动，它们的转动方向一样，而且这个方向又正是太阳自转的方向。行星绕太阳转动的轨道和大部分卫星绕行星转动的轨道都是和正圆相差很少的椭圆。上述这三个运动特征称为行星和卫星的轨道运动的共面性、同向性和近圆性．这些运动特征在研究太阳系发展史上具有重要意义。

行星绕太阳运行的轨道是椭圆。行星轨道面对不变平面的倾角，只有水星和冥王星大些，分别为6°17′和15°33′，其他的都很小，都小于2°10′，这表现了轨道运动的共面性和同向性．偏心率也只有水星和冥王星的比较大，分别为0.206和0.249，其他的都小于0.1，这表现了行星轨道运动的近圆性。

卫星的情况却复杂些。33个卫星中有11个的轨道面对行星轨道面的倾角大于90°，它们绕行星的转动方向和行星绕太阳的转动方向相反，这些是所谓逆行卫星。土星最外面的卫星——土卫九是逆行的．木星最外面的四个小卫星——木卫十二、十一、八和九也都是逆行卫星。不过，离海王星很远的海卫二不是逆行的，而离海王星很近而且比海卫二大得多的海卫一却是逆行的。天王星和它的卫星系统都很特殊，天王星的自转轴和公转轴几乎垂直，前者对后者的倾角，也就是赤道面对轨道面的倾角为98°(地球只有23.5°)。五个天卫的轨道都在天王星的赤道面上，所以五个天卫绕天王星转动的轨道也几乎和天王星的公转轨道垂直。

在研究太阳系演化史时，一般把卫星分为两类：规则卫星和不规则卫星。规则卫星绕自己行星运动的轨道面对行星赤道面的倾角和偏心率小，离行星距离的分布有规则；不规则卫星的倾角和偏心率大，距离分布不规则。

归入规则卫星的有术卫一到五，土卫一到七和土卫十，天卫一到五，共18个。它们的轨道对行星赤道面的倾角都不大于1.5°。偏心率，除了土卫七的等于0.104以外，其余的都小于0.03。

月球、木卫六到十三，土卫八和九，海卫一和二，都是不规则卫星。它们的轨道面对行星赤道面的倾角都大于14°；轨道偏心率，除了月球、土卫八和海卫一以外，都大于0.13。两个小火卫，虽然它们的偏心率和倾角都较小，但仍归入不规则卫星。这是因为，第一，火卫一绕火星转一周的时间(7小时39分钟)只有火星自转一周时间(24小时37分钟)的1／3不到，这种情况在卫星中是独一无二的；第二，火卫二的a值和火卫一的a值的比率远大于2，这和土卫八和土卫九类似，而规则卫星的这种比率都小于2。

总而言之，约一半卫星的轨道运动具有共面性、同向性、近圆性；另一半的卫星这三个特征或者全没有或者少一种或两种。

已经定出轨道和编号的一千八百个小行星，其倾角和偏心率一般说来都比行星大。倾角有大到52°的，平均倾角为9.75°。偏心率有大到0.83的，平均为0．14。所以没有逆行的小行星。彗星的倾角和偏心率范围比小行星大得多，在周期长于15年的彗星中，约一半是逆行的；在已定出轨道的六百来个彗星中，一半以上的偏心率值等于1或略大于1。

行星除了轨道平面和倾角有规律，各个行星的轨道周期也表现出若干惊人的规律性。当我们把两颗最大的行星——木星和土星的周期加以比较时，我们发现二者之比为3：5。当我们把其他行星绕太阳运行一周所需时间加以比较时，也得出类似的比例关系。天王星和海王星的公转周期之比约为1：2，木星和天王星的公转周期之比为1：7，天王星和冥王星的公转周期之比为1：3。有趣的是，这些比值都是简单的，即它们都可以用不大的整数来表示。我们没有发现象19：31或21：57这样的比值。

与此类似，行星的卫星的公转周期也显示出同样的性质。例如，我们发现在天王星的五颗卫星中的任何两颗的轨道周期之间存在简单的比例关系。

3、距离特征

行星的轨道半长径——也就是行星和太阳的平均距离的分布具有一定的规律性。两个相邻行星的轨道半长径的比值大致是常数。对于规则卫星也有类似的情况。

对于天卫，比率都在1.46附近；对于土卫，去掉土卫八和土卫九这两个不规则卫星，则七个比率中只有一个较大，其余六个都在1.24附近；对于木卫五和木卫一到四，有三个比率很接近1.60，只有一个比值较大(达2.33)。

对于行星，比率在1.69左右，偏差约20％。总的说来，对于行星和规则卫星，这个比率大致为常数，即离中心体越远，相邻两个绕转体的轨道相隔也越远。对于不规则卫星，比值明显地较大，即上述规律不适用于不规则卫星．

对于行星，距离分布规律还可以用另外一种方式来表示，这就是德国数学教师提丢斯在1766年发现的规律。以后几年，德国天文学工作者波得对此规律加以论述和宣传，后来被人们称作提丢斯——波得定则。行星离太阳的距离，如果用0．1天文单位来表示，可以用一个简单的数列写出：4，4+3，4+3×2，4+3×4，4+3×8，……。

在提丢斯一波得定则提出来时，已知的最远行星是土星．在1781年，天王星被发现，运行轨道与定则计算值符合得很好。这样，就鼓励了天文工作者去努力寻找n=5的位于火星轨道和木星轨道之间的行星。寻找结果，于十九世纪初发现了好些个小行星，而不是一个大行星。头三个小行星的平均a值为2．7，和n=5时给出的2.8很接近。不过，1846年发现的海王星和1930年发现的冥王星的a值，分别同n等于9和10时由公式给出的值相差很多。

行星和卫星的距离分布规律，也是研究太阳系演化史的重要资料．

4、质量和密度

质量和半径是天体的最重要的两个物理参数，从这两个参数容易算出天体的平均密度。

行星都在自转着，自转较快的天体都成为扁球即旋转椭球体的形状，最短的轴就是自转轴。行星的质量和半径都比较大，内部物质由于受到的重力比外部物质的大，所以密度也比外部的大。行星的平均密度是用体积除质量得到的，介于内部密度和外部密度之间。

行星的质量和半径，其数值一直在改进。一个突出的例子，是冥王星的质量。过去，曾认为它是地球质量的90％或更大一些，到七十年代初期，通过较精密的测定，才把这个值改为地球质量的11％。

为了更清楚地看出行星在质量和大小方面的差别。木星和土星这两个行星的质量，就占了八个行星总质量的92．5%．从平均密度来看，行星可以分为两类；一类是最靠近太阳的四个，它们的密度都在4和5．5之间，称为类地行星；另一类是木、土、天、海这四个巨行星，也称类木行星，它们的平均密度比类地行星小很多，在0.7和1.6之间。

5、自转特征

自转在天体中是很普遍的现象，也是研究天体演化的重要资料。

所有行星的另一个共同点是，它们都自转，即绕本身的轴旋转。大多数行星的自转方向同它们绕太阳公转的方向一致。例外的有天王星和金星，它们是横向或反向自转的。行星绕轴自转的周期也显示出有趣的数字关系。当我们把内行星的自转同它们绕日公转加以比较时，我们会发现二者之间存在简单的整数比值。例如，金星按这样的方式自转：每当它经过地球时，它总是以同一面朝向我们。水星的自转周期同它绕太阳的公转周期之比为3：2(即自转3周的同时，公转两周)。这些运动方式至今未得到充分的解释。

过去，人们一直以为水星的自转周期恰等于它的公转周期，即88天。到了1965年，通过雷达观测，才定出了水星的自转周期等于58.6天，这正好是公转周期的2／3。金星表面经常笼罩着一层浓厚的云，测定它的自转速度相当困难，因此，关于金星的自转周期，长时间内没有一个公认的数值．不同测定得到的自转周期有长到225天(恰好等于公转周期)的，也有短到小于1天的。1964年，通过雷达观测，人们定出金星的自转周期等于244.3天，而且是反向的。这样，在8个大行星中，有6个是正向自转的，即自转方向同公转方向一样，不过，它们的自转轴对公转轴大半都有二十几度的倾角；天王星是侧向自转的，即“躺着”自转，它的自转轴和公转轴几乎垂直；金星则是反向自转。

在卫星中，只有月球、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、海卫一和火卫一这七个卫星的自转周期已经知道，它们的自转周期都分别等于各自绕行星转动的周期。这种自转称为同步自转，是行星和卫星之间的潮汐作用的结果。

在已经定出轨道并加以编号的1800个小行星中，有五十多个的自转周期已经定出来，它们是从两个多小时到18小时，平均8.6小时。自转轴在空间的取向则多种多样，看不出有什么规律性，也许是资料太少的缘故。

有些彗星的核也在自转，周期是几小时。

太阳的自转有些特别，纬度越大，自转越慢．赤道处的自转周期等于25．4天(自转线速度为每秒2.0公里)，纬度15°处为25.5天，30°处为26.5天，60°处为31.0天，近极处约35天。太阳的自转轴对地球公转轴的倾角为7°15′，对不变平面法线的倾角为5°56′。

6、角动量分布特征

物体作直线运动时，它具有动量，动量等于物体的质量和速度的乘积。物体作曲线运动时则具有角动量，也叫做动量矩。行星绕太阳转动是一种曲线运动，所以行星都具有角动量。如果轨道是正圆，则角动量J等于行星的质量m、线速度v和轨道半径r的连乘积。

事实上，行星公转轨道都是椭圆。可以证明，天体在椭圆轨道上运动时，速度v和向径r(天体和位于焦点上的中心天体之间的距离)的乘积vr是一个常数。这样，上面的公式对椭圆运动仍然适用。行星公转时具有的角动量称为轨道角动量。

行星自转也有角动量，称为自转角动量。

角动量这个概念在论述太阳系演化史时会经常用到。假如一个天体系统(或其他任何物质系统)在一段时期内同外界没有物质交换，没有相互作用，则这个系统的角动量将保持不变。系统某一部分的角动量可以全部或部分地通过某种方式转移给系统的另一部分，但系统的总角动量不增也不减。这称为角动量守恒定律。

要计算角动量需要知道质量，要计算自转角动量还需要知道物质在天体内的分布。较大的天体都是内部密度大，外部密度小。太阳系里质量未能定出的天体一般都是较小的，如小行星、小的卫星和彗星等。在计算小行星和小卫星的角动量时，是假设一个合理的密度值，以它乘体积来求得质量。全部小行星的总质量约为地球质量的千分之一。

彗星的总数我们不知道，只有很少的彗星定出了质量，所以未计算彗星的角动量。估计彗星的总质量不超过地球质量的一亿分之一，所以彗星的总角动量只占太阳系的很小部分。只占太阳系总质量0.135％的行星和卫星等等，它们的角动量却占了太阳系总角动量的99.4％以上。这其中，木星的角动量占了61.5％，土星占了25.0％。而质量占99.865％的太阳，其角动量却只占太阳系总角动量的0.6％不到。这就是所谓太阳系的角动量分布异常，任何关于太阳系起源的理论都必须能够满意地说明这种分布情况。

卫星系统的角动量分布情况同行星系统很不一样．只有地月系里月球绕地球的轨道角动量比地球的自转角动量大四倍，对于其余卫星系统，都是作为中心体的行星的自转角动量比卫星绕行星的轨道角动量大十倍到一百多倍(火卫系统除外)。

在太阳系各天体的角动量计算出桌以后，考虑到角动量是矢量，可以求它们的矢量和，得到太阳系总角动量的数值和取向。结果是：太阳系总角动量矢量的数值等于3．155×10^50克.厘米^2／秒(不包括彗星的角动量)，矢量和地球公转轴的夹角等于1°37′，和地球自转轴的夹角等于23°2′，和银河系自转轴的夹角等于6l°44′。垂直于太阳系总角动量矢量的平面就是所谓不变平面。不变平面最接近木星的轨道面，这是因为木星是最大的行星，它的角动量占了太阳系总角动量的3／5还多。

7、类木行星与类地行星

当我们观察从水星到海王星这些行星时，我们会注意到它们似乎分属于截然不同的两类。靠近太阳的行星全都是体积较小、密度较大的由岩石组成的。它们一般拥有相当稀薄的大气，自转速度也往往较为缓慢。这些行星即所谓类地行星，这个名称是按照它们原型——地球而取的。这类行星包括水星、金星、地球及其卫星——月亮和火星。另外四颗行星——木星、土星，天王星和海王星——往往称作类木行星，由木星而得名。比起类地行星它们要大得多，但密度要小得多，主要由氢和氦组成，它们大部处于液态。它们拥有重而稠密的大气，考虑到它们如此巨大，自转速度是很高的。这些行星由于体积大有时也叫做巨行星，又由于它们的组成比类地行星更接近于太阳的组成而被称为“太阳行星”。

类地行星几乎不含有氢和氦，而是由氧、硅和铁所构成。按照化学组成，小行星同类地行星最为相似，而彗星则同类木行星非常相似。

类地行星和类木行星之间的差异的确很惊人，而这一点正是必须依靠太阳系的起源来解释的。如果假定类地行星同太阳和类木行星起源于由原始物质组成的同一块云团，那么为什么类木行星保留了曾是这块原初云团的原始组分的绝太部分的轻元素呢?此问题的答案必然是构成任何一种太阳系起源理论的基石。

当我们把类木行星和类地行星的大气加以比较时，我们看到了它们之间的一个最为明显的区别。类木行星具有由比例大约为三分之二的氢和三分之一的氦组成的延伸很广的大气层。较大的类地行星(地球、金星和火星)则拥有富含碳、氮和氧的较薄的大气层。较小的类地行星(水星和月亮)根本没有大气。上述这些很大的差异的原因可以通过下述两个事实予以说明：一是行星之间在质量上存在很大的不同，二是它们的表面温度有很大不同，后者主要是到太阳的距离的远近造成的。一颗行星的质量越大，它的表面上的引力就越大，因而它更容易保留住它的大气中的各种气体。再者，由于类木行星的温度较低，分子就运动得比较缓慢，因而它们就不大可能达到逃逸到宇宙空间的速度。

类木行星距离太阳很远，这一事实至少可部分地解释它们自转速度为何较大。类地行星的自转速度可能由于受到太阳潮汐力的作用在几十亿年间的漫长历程中减慢了下来。但是，如果把太阳对各行星的自转的减慢作用加以比较时，我们会发现，有几颗行星（比如地球和火星）的自转似乎比所预期的慢。这表明，作用在这几颗行星的太阳潮汐力在过去比现在大得多。对此情况的一种解释是，假定这些行星的体积原先比现在要大得多。这个假说符合下述事实：如果假定地球是由构成太阳的同样物质所组成，那么地球为取得它现在含有的铁、氧和硅的数量，它原来的质量必须和木星的质量相等。所以，很有可能，类地行星原来都是象类木行星那样的巨大气体球。太阳附近的高温使它们丧失了绝大部分的氢和氦，仅留下了现在构成这些行星的岩石质的核心。

知识点：提丢斯

提丢斯（Titius, Johann Daniel）德国天文学家。1729年1月2日生于普鲁士的科尼茨（今波兰的霍伊尼斯）；1796年12月16日卒于萨克森的维腾贝格。

提丢斯是一位布商兼地方议会议员的儿子，其父死后由舅父养大。这位舅父是一个博物学家，他支持和鼓励少年提丢斯对于科学的兴趣。1752年，提丢斯在莱比锡大学获得硕士学位。1756年他在维磋贝格大学接受教授职位，并在那里终其一生。使他名垂科学史的一件事，是他在1786年提出诸行星与太阳的平均距离非常接近于用下式表示的简单关系：A=4+（2^n×3）,此处n的值依次取-∞、0，1，2，3，等等。这样就产生了一个数列：4，7，10，16，28，52，100，…它与水星、金星、地球、火星、----木星以及土星到太阳的相对距离相吻合。没有任何行星可以填补火星和木星之间的那个空缺。这一关系刚提出时并未受到人们的重视。1772年经波得*发表后才逐渐引起天文学家们的注意。此后，人们便称它为波得定则，可怜的提丢斯却被冷落一边。但是，七十年以后人们发现了海王星，便发觉这条“定则”其实只是一种巧合，并无实际的科学意义。尽管如此，它确曾鼓励了奥尔勃斯*和其它一些人朝火星和木星之间的那个空白处去搜索行星类的天体，并且发现了众多的小行星。在火星和木星之间有一个假象行星，叫“第五未知行星”，所以有猜测在火星和木星之间的小行星带是“第五未知行星”爆炸后留下的残骸。

第五章 认知太阳系（3）

第五章认知太阳系（3）