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山东师范人学硕士学位论文 金星水星异常自转的自然形成机制 中文摘要 金星的缓慢逆向自转在太阳系行星中是非常独特的。太阳系大多数行 星都是快速正向自转，典型的自转周期只有约1 天或不到1 天，黄赤交角 也比较小；而金星的自转周期却长达2 4 3 天，并且是逆向自转，即自转方 向与行星公转方向相反。自从人类发现金星的这一自转特性以来，这一特 殊现象的形成原因便成为太阳系演化中的一个重要研究课题。 金星目前的自转状态是生来就有的还是后天演变来的，是什么机制使 其演变的，这是至今仍然在研究的问题。一般认为，金星原来具有典型的 快速正转的状态，在后来的演化过程中，由于潮汐作用或行星内部流体核 与幔间的摩擦作用，使得自转逐渐发生变化；也有研究认为可能是早期受 到大星子的偶然碰撞所致。各种观点都能说明一些问题，但是都需要各种 不同的初始状态，自然形成的概率不大。偶然事件如果真发生过，能说明 金星的逆转，但也不能同时解释水星的缓慢转动。 本文探讨了金星异常自转形成的一种可能机制，行星际物质的作用。 在太阳系各大行星共同形成说的基础上，本文从太阳引力场中行星际物质 径向分布的不均匀性假设出发，推导并计算了行星际物质对类地行星自转 的影响。我们的研究显示，金星在演化过程中与周围星子和其他行星际物 质非对称碰撞可以获得反向角动量，使得金星由典型自转演化到目前状态。 用同一理论模型也能解释水星的缓慢自转。全文内容共分为四章。 第一章综述，首先介绍了本课题研究需要的基础知识太阳系大行 星的概况和当前太阳系行星形成的基本理论，同时在介绍了人类对水星和 金星自转的研究历史和现状的基础上，简介了本课题研究的目的和意义。 第二章详细阐述了本课题的第一个研究模型和结果。该模型是在行星 共同形成学说的基础上，探讨了行星形成后，径向不均匀分布的行星际物 质对金星和水星的自转产生一种可能影响。在粗略的假定行星际物质不随 时间变化的情况下，讨论了金星和水星在公转过程中由于行星际物质的作 用而损失的角动量，得到金星和水星的自转分别经历5 0 亿年和2 0 亿年， 山东师范大学硕士学位论文 就可能由通常的自转变为目前的异常自转状态。 第三章阐述了本课题采用的第二个研究模型，即改进的模型。该模型不 仅考虑了实际问题中行星际物质随时间的变化，还同时探讨了行星在公转和 自转过程中受行星际物质作用而损失的角动量。研究对象不仅限于金星和水 星，还涉及到所有的类地行星。结果更加有说服力的证明，在4 5 亿年之前， 所有的类地行星自转都可处在典型的快速正向自转状态，自转变化最大的是 金星和水星，在大约3 5 亿年前金星和水星的自转就可能稳定到目前状态。 最后一章对本文的工作进行了总结，同时指出了该工作中存在的不足之 处和需要进一步改进的问题。 关键词：金星、水星、角动量、自转周期、行星际物质 分类号：p 1 8 5 山东师范大学硕士学位论文 an a t u r a lf o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ea b n o r m a l r o t a t i o no fv e n u sa n dm e r c u r y a bs t r a c t t h es l o wa n dr e t r o g r a d er o t a t i o ns t a t eo fv e n u si sv e r yp e c u l i a ra m o n gt h e p l a n e t si nt h es o l a rs y s t e m m o s tp l a n e t sh a v ef a s ta n dd i r e c tr o t a t i o nw i t ha s m a l lo b l i q u i t y , t y p i c a lr o t a t i o np e r i o di sa b o u to re v e nl e s st h a no n ed a y ；b u tt h e r o t a t i o np e r i o do fv e n u si s2 4 3d a y sa n di t sr o t a t i o ni sr e t r o g r a d e ，t h a ti st os a y v e n u s d i r e c t i o no fs p i na n dr e v o l u t i o ni so p p o s i t e s i n c et h eu n i q u er o t a t i o n s t a t eo fv e n u sw a sd i s c o v e r e d ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ec h a r a c t e rh a s b e e na l li m p o r t a n tr e s e a r c h f u lq u e s t i o ni nt h ee v o l u t i o no ft h es o l a rs y s t e m i ti ss t i l lar e s e a r c hp r o b l e mn o wt h a tt h ep r e s e n tr o t a t i o ns t a t ei so r i g i n a t e d w i t ht h ef o r m a t i o no fv e n u so re v o l v e df r o md i r e c tt or e t r o g r a d er o t a t i o na f e ri t s f o r m a t i o n ，a n dw h a tm e c h a n i s mh a sm a d et h ee v o l u t i o n i ti sg e n e r a l l yb e l i e v e d t h a tv e n u so r i g i n a t e dw i t ht h et y p i c a lf a s ta n dd i r e c tr o t a t i o n b u ti nt h el a t e e v o l u t i o np r o c e s s ，a sar e s u l to fa t m o s p h e r i ct i d e sa n dc o r e - m a n t l ef r i c t i o ni n s i d e t h ep l a n e t ，t h er o t a t i o ni sc h a n g e dg r a d u a l l y w h i l es o m eo t h e r sc o n s i d e r e dt h a t t h ec h a n g eo fv e n u s r o t a t i o np e r h a p sd u et ot h ee a r l yg i a n tp l a n e t e s i m a l s c o l l i s i o n s a l lt h e s ev i e wc a ne x p l a i ns o m eq u e s t i o n s ，b u te x i s ts o m ed i f f i c u l t i e s ， t h ep r o b a b i l i t yw o u l dn o tb ev e r yl a r g e a tt h es a m et i m e ，i fo c c a s i o n a l e m e r g e n c yr e a l l yo c c u r e d ，e v e ni tc a ne x p l a i nt h er e t r o g r a d er o t a t i o no fv e n u s ， c a nte x p l a i nt h es l o wr o t a t i o no fm e r c u r y i nt h i s l e t t e rw ed i s c u s sa n o t h e rp o s s i b l em e c h a n i s mt h a tm a yl e a dt ot h e a b n o r m a lr o t a t i o no fv e n u s ，t h ee f f e c to fi n t e r p l a n e t a r ym a t t e r o nt h eb a s eo f t h ec o r p o r a t ef o r m a t i o nh y p o t h e s i so ft h ep l a n e t s ，w ec a l c u l a t et h ee f f e c to nt h e t e r r e s t r i a lp l a n e t ss p i nf r o mt h ea c t i o no fi n t e r p l a n e t a r ym a t t e rw h i c hi s a s y m m e t r i c a l l yd i s t r i b u t e di nt h er a d i a ld i r e c t i o n o u rr e s u l t ss h o wd u r i n gt h e e v o l u t i o np r o c e s sv e n u sc o u l dh a v eg a i nr e v e r s ea n g u l a rm o m e n t u mf r o mt h e a s y m m e t r i cc o l l i s i o n sw i t hp l a n e t e s i m a l sa n do t h e ri n t e r s t e l l a rm a t t e ra r o u n d ， 山东师范大学硕士学位论文 t h e ni t sr o t a t i o ne v o l v e dt ot h ep r e s e n ts t a t ef r o mt h et y p i c a ls t a t e u s i n gt h e s a m em o d e lw ea l s oc a r le x p l a i nt h es l o wr o t a t i o no fm e r c u r y t h i sp a p e r c o n s i s t so ff o u rc h a p t e r s i nc h a p t e r1 ，w ei n t r o d u c e dt h eg e n e r a ls i t u m i o no ft h ep l a n e t si nt h es o l a r s y s t e m ，s h o w e dt h r e ef o r m a t i o nh y p o t h e s i so ft h es o l a rs y s t e ma n di n t r o d u c e d t h eh i s t o r ya n dt h ep r e s e n ts t u d ys i t u a t i o no fv e n u s ，a n dt h es i g n i f i c a n c ea n d p u r p o s eo fo u rs t u d y i nc h a p t e r2 ，w ee x p a t i a t e do u rf i r s tm o d e la n dr e s u l t o nt h eb a s i so ft h e c o r p o r a t ef o r m a t i o nh y p o t h e s i s ，w ed i s c u s s e dap o s s i b i l i t yt h a tt h ee f f e c to f a s y m m e t r i ci n t e r p l a n e t a r ym a t t e rc h a n g e dt h er o t a t i o no fv e n u sa n dm e r c u r y s i n c et h e yf o r m e dc o m p l e t e l y w ea s s u m e dt h ed e n s i t yo fi n t e r p l a n e t a r ym a t t e r w e r ef i x e d o u rr e s u l ts h o w e du n d e rt h ea s s u m e dc o n d i t i o n s ，t h ec u r r e n t r o t a t i o no fv e n u sa n dm e r c u r yc o u l db ea c h i e v e di n5b i l l i o ny e a r sa n d2b i l l i o n y e a r sr e s p e c t i v e l y i nc h a p t e r3 ，w ei n t r o d u c e do u ra m e l i o r a t e dm o d e l w ei m p r o v e dt h e i n f l u e n c eo nt e r r e s t r i a lp l a n e t s s p i n ，i n c l u d i n g t h el o s so ft h ea n g u l a r m o m e n t u md u et or e v o l u t i o na n ds p i n ，a n dt h ed e n s i t yo fi n t e r p l a n e t a r ym a t t e r c h a n g e dv e r s u st i m e o u rr e s u l t ss h o w e da l lt h et e r r e s t r i a lp l a n e t sw e r ei nt h e t y p i c a lf a s tp r o g r a d er o t a t i o ns t a t eb e f o r e4 5b i l l i o ny e a r s ，a n dt h er o t a t i o n s t a t e so fv e n u sa n dm e r c u r yr e m a i n e ds t e a d yb e f o r ea b o u t3 5b i l l i o ny e a r s i nc h a p t e r4 ，w em a d eac o n c l u s i o na b o u to u rw o r k ，p o i n t e do u tt h e s i m p l i c i t i e sa n dp r o b l e m st ob em o d i f i e di no u rf u t u r ew o r k k e yw o r d s ：v e n u s ，m e r c u r y , a n g u l a rm o m e n t u m ，s p i np e r i o d ，i n t e r p l a n e t a r y m a t t e r c l cn u m b e r ：p 18 5 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注： 如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位敝作者答名：习，孔半 导师签- 7 ：夏两嗜 导师签： 红溯饬 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名：封，乱中 签字日期：2 。7 年y 月7 日 导师肄复瞒茵 签字醐：2 0 07 引碉下 山东师范大学硕上学位论文 第一章综述弟一早碌途 金星和水星异常自转的研究是天体物理的一个重要课题，对于了解太阳 系起源和演化具有重要意义。本章简要介绍研究金星和水星异常自转所需要 的基本预备知识太阳系大行星的基本概况和太阳系行星的形成机制，并 在总结金星和水星异常自转研究的历史和现状的基础上，说明本课题研究的 目的和意义。 1 1 太阳系大行星的基本概况 根据2 0 0 6 年8 月2 4 日第2 6 届国际天文学联合会的最新标准，太阳系 内的天体被归类为三类：行星、矮行星以及太阳系小天体。行星就是指的八 大行星，按从里向外的顺序依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、 天王星、海王星。传统九大行星中的冥王星被国际天文学联合会排除到大行 星行列之外l 2 1 ，而归为矮行星。矮行星( d w a r fp l a n e t ) 亦称侏儒行星，是 这次天文学联合会上新定义的一类天体，它们的大小介于大行星与小天体之 间，与大行星最主要的区别在于，不能清除邻近轨道上的其他小天体，与其 他小天体的区别在于，不仅绕着太阳运转，且有近似球形的表面。目前太 阳系中被划为矮行星的，除了冥王星外，还有谷神星( c e r e s ) 和2 0 0 3 年新发 现的u b 3 1 3 ( e r i s ) 。谷神星是木星和火星之间小行星带中目前知道的最大的天 体，它未能清除小行星带上与其邻近的小天体3 1 。而冥王星和u b 3 13 则是新 发现的k u i p e r 带中已知的最大天体，u b 3 1 3 无论在质量还是赤道半径方面， 都要大于冥王星。k u i p e r 带是1 9 9 2 年开始在海王星轨道外发现的由大量绕 太阳运转冰体组成的另一个范围广阔的小行星带锚】。它从海王星轨道一直延 伸到离太阳1 0 0 0 多个天文单位( a u ) 处，估计可达到遥远的o o r t 云。在这 个带中估计有小天体几千万颗，目前已通过多次观测确定轨道根数的就有 1 0 0 0 多个。太阳系小天体不仅包含这大量的k u i p e r 带天体，还包括火星与 木星之间小行星带中的天体，它们仍被称为小行星( a s t e r o i d s ) ，也包括彗 1 山东师范大学硕士学位论文 星以及行星的卫星等众多天体。 通过长时间的大量观测，太阳系大行星的轨道要素已经基本确定下来， 近年来已经没有改变或者改变很少。表1 1 根据最新的数据给出了大行星和 三个矮行星的几个主要轨道要烈9 1 ，其中注：- ：者为矮行星。 表1 1 八大行星和矮行星的几个轨道参数 行星半长轴( a u )偏心率倾角( 。) 公转周期( ) ，r ) 水星 o 3 8 7 1 0o 2 0 5 6 317 0 0 4 90 2 4 0 8 金星 o 7 2 3 3 3o 0 0 6 7 7 3 3 3 9 4 7 0 6 1 5 2 地球 1 0 0 0 0 0o 0 1 6 7 l oo 0 0 0 01 0 0 0 0 火星 1 5 2 3 6 6o 0 9 3 4 1 21 8 5 0 61 8 8 0 8 c e r e s 2 7 6 6 50 0 7 8 3 7 5 1 q ：5 墨丝 4 6 0 1 木星 5 2 0 3 3 60 0 4 8 3 9 31 3 0 5 31 1 8 6 2 土星 9 5 3 7 0 70 0 5 4 1 5l2 4 8 4 52 9 4 5 7 天王星 1 9 1 9 1 3o 0 4 71 6 80 7 6 9 98 4 0 1 8 海王星3 0 0 6 9 0o 0 0 8 5 8 6 1 7 6 9 21 6 4 7 8 p l u t o 3 9 4 8 1 7 q ：2 垡墨q 墨1 2 ：! 垒1 2 2 4 8 4 u b 3 1 3 6 8 1 4 6 4 q ：垒呈2 塑里垒当：z 箜墨 5 6 2 5 5 从表1 1 的第一栏中，我们首先可以看到行星距离分布规律，该规律被 研究了2 0 0 多年。最初行星的半长径用公式表示为a 。= 0 4 + 0 3 2 卜2 ，各大 行星分别取n = 一，2 ，3 ，4 ，6 ，7 ，这就是著名提丢斯一波得定则1 0 1 。有意义的是， 后来发现的小行星带的中心正好位于n = 5 、天王星位于n = 8 的位置。但是， 海王星和冥王星的位置偏离很大。为了正确描述这个规律并探讨其形成机制， 人们随后提出了各种假说，其中有一种就是与本文研究有关的形成行星的原 始星云物质密度波说1 1 1 。 从表1 1 的第二栏和第三栏中可分别看出，大行星的轨道具有以下两个 特性：( 1 ) 八大行星的轨道面与地球公转轨道面( 黄道面) 的夹角，即轨道倾 角，都很小，除了水星的轨道倾角7 。外，其他行星的轨道几乎都在同一个 2 山东师范大学硕士学位论文 平面内，行星轨道运动的这一特性称为“共面性”。( 2 ) 大行星的偏心率都很 小，除了水星的偏心率略大于o 2 外，其他大行星的都小于0 1 ，即公转轨道 比较接近于圆，这称为行星轨道运动的“近圆性 。另外，观测显示，行星的 公转方向都相同，这个方向也是太阳自转的方向。在八大行星中，除了金星 和天王星以外其他行星的自转方向也如此。这个特性称为行星运动的“同向 性 。实际上，太阳系中规则卫星的运动方式也大多具有大行星轨道运动的 共面性、同向性、近圆性的特点。 从表1 1 也可以看出，矮行星的轨道倾角都较大，而且冥王星和u b 3 1 3 的偏心率也较大。矮行星与大行星的这个差异应该与太阳系起源的机制及天 体的演化过程有关。 要研究行星自转的起源，还需了解太阳系行星的某些物理性质。表1 2 中给出了太阳、各大行星以及三个矮行星的质量、赤道半径、密度、自转周 期、黄赤交角、逃逸速度等物理参数1 0 1 。从表中可以看出，行星的大小和质 量分布以及密度都有一定的规律，它们可以分为两组。第一组是水星、金星、 地球以及火星，它们的性质相近，都质量小，体积小，密度大( 3 9 克立方 厘米) ，这4 颗行星统称为类地行星( t e r r e s t r i a lp l a n e t s ) 。另一组是木星、土 星、天王星和海王星，它们都质量大、体积大，密度较小，它们统称为类木 行星( j o v i a np l a n e t s ) ，或巨行星。类木行星还有共同特征是卫星多，都有很 厚的大气圈，其表面特征很难了解。 特别需要注意的是表1 2 中的行星自转周期和黄赤交角。在八大行星当 中，除水星和金星外，其他大行星的自转周期基本是一致的，都在9 小时到 2 5 小时之间，这应该显示了太阳系大行星自转的某种特性，被称为“同时性”。 但水星和金星的自转则比较反常，自转周期都很长，而且金星的黄赤交角， 即自转轴的倾斜角，特别与众不同，大于1 7 7 。，就是逆向自转了。水星和 金星这种反常自转形成的物理机制是本文的研究课题。 山东师范大学硕士学位论文 表1 - 2 太阳系中各大天体的物理参数 质量赤道半径密度自转周期黄赤交角逃逸速度 星体 ( k g ) ( k i n ) gc m 3 ( 。) k ms 。1 太阳1 9 8 9 x 1 0 3 06 9 5 5 0 01 4 12 5 3 8 3 5 d7 2 56 1 7 7 水星3 3 0 2 x 1 0 2 32 4 4 05 4 35 8 6 4 6 d04 2 5 金星 4 8 6 9 x 1 0 2 46 0 5 25 2 42 4 3 0 l8 d1 7 7 3 31 0 3 6 地球 5 9 7 4 x 1 0 2 46 3 7 85 5 22 3 9 3 4 h2 3 4 51 1 1 8 火星6 4 1 9 x 1 0 2 3 3 3 9 73 9 42 4 6 2 3 h2 5 1 95 0 2 c e r e s 9 4 7 x 1 0 2 0 4 7 42 1 9 0 7 5 h x o 5 2 木星1 8 9 9 x 1 0 2 77 1 4 9 21 3 39 9 2 5 h3 0 85 9 5 4 土星5 6 8 5 x i 0 2 66 0 2 6 80 7 01 0 6 5 6 h2 6 7 33 5 4 9 天王星8 6 6 2 x 1 0 2 52 5 5 5 91 3 01 7 2 4 h9 7 9 22 1 2 6 海王星1 0 2 8 x 1 0 2 6 2 4 7 6 4 1 7 6 1 6 1 1 h 2 8 8 02 3 5 3 p l u t 0 1 3 1 4 x 1 0 2 21 1 5 l2 o6 3 8 7 d1 1 9 61 2 3 u b 3 1 3 1 5 x 1 0 2 21 2 0 02 1xx1 2 9 注木者为矮行星，x 为目前未知 1 2 太阳系行星的形成机制 太阳系行星的形成机制与行星自转问题之间有着密切的关系。太阳系起 源包含两个基本问题：形成行星的物质从何而来以及行星是如何形成的。围 绕这两个问题，产生了各种各样的学说。这里重点介绍三种主要的观点：灾 变说、俘获说以及太阳系的共同形成学说。 1 2 1 行星形成的灾变说 1 9 1 6 年英国天文学家金斯( j h j e a n s ) 提出了太阳系起源的潮汐说1 1 2 , 1 3 l ， 该学说认为有一个比太阳大的恒星运行到太阳附近，使得太阳正面生出一个 像瘤的隆起物。瘤在恒星的吸引作用下逐渐长大，最终脱离太阳成为朝向恒 星的长条，朝恒星离去的方向弯曲。行星在长条内部凝聚而成。土星和木星 形成于长条中部较密较粗处，长条两端较细处形成了水星和远日行星。金斯 同时认为卫星系统的形成方式与行星系统一致：行星轨道的偏心率开始时比 较大，行星经过近日点时，受到太阳的潮汐作用抛出物质，这些物质后来形 4 山东师范大学硕士学位论文 成了卫星。太阳抛出的物质有一部分未参加行星的形成，而是扩散为弥漫媒 质，这些媒质对行星的运动起阻尼作用，使行星轨道偏心率变小。行星的自 转，是由于落入的质点的打击，落入的质点把角动量带给了行星，而太阳本 身就在自转。 提出类似灾变说还有美国天文学家摩尔顿( e r m o u l t o n ) 和张伯伦 ( t c c h a m b e r l a i n ) ，英国天文学家捷弗里斯( h j e f f r e y s ) ，美国的天文学家 罗素( h n r u s s e l l ) 和英国天文学家里特顿( r a l y t t l e t o n ) ，英国天文学家霍 意耳( e h o y l e ) 等1 4 1 。 1 2 2 行星形成的俘获说 苏联地球物理学家施密特于1 9 4 4 年提出的太阳系起源的学说认为，太阳 比行星先形成1 5 】。几十亿年前太阳在银河系星际空间运动时俘获了大量的质 点和气体，这些围绕太阳的尘埃云，称为原行星云，行星就是在原行星云中 逐渐形成。由于行星是在原行星云变扁之后才形成的，所以它们的公转轨道 大致在同一个平面上；同时由于原行星云沿一个方向绕太阳转动，所以由这 些物质形成的行星朝同一个方向绕太阳转动。原行星云质点积聚成行星的过 程中，质点公转角动量的一部分转化为行星的自转角动量，也就是认为落入 生长着的行星胎的质点把角动量带给行星胎，使它正向自转起来。 爱尔兰天文学家艾奇沃斯( k e e d g e w o r t h ) 于1 9 4 9 年提出的太阳系起源 学说认为1 6 1 ，恒星由星际物质形成后，周围一般还有残余的星际物质，恒星 爆发时抛射出的物质也在其中。太阳俘获了这些残余的星际物质，在其周围 形成了一个旋转着的星云盘。由于银河系的较差自转，被太阳俘获的星际物 质一开始就具有角动量。俘获来的物质最初分布在半径很大的球内，表层绕 太阳转动，而太阳开始则没有自转，俘获来的物质有一部分落入太阳，才使 得它自转起来。俘获来的物质有随机速度，所以就会有碰撞。有的碰撞后结 合在一起，随机速度减小，星云盘逐渐变扁，密度变大，碰撞更加频繁，尘 5 山东师范大学硕士学位论文 粒积聚为凝团，通过进一步的吸积，就形成了原行星，原行星再进一步转化 为行星。 类似的还有英国天文学家彭得列( b w p e n d r e d ) 和威廉姆斯( i p w i l l i a m s ) 1 9 6 8 年提出的太阳系行星形成的学说 1 7 , 1 8 1 ，印度天文学家米特拉( v m i t r a ) 1 9 7 0 年也提出过类似的学训1 9 - ，2 1 。 1 2 3 太阳系共同形成学说 共同形成说是康德、拉普拉斯的基本观点。后人从不同的角度丰富和发 展了这一观点。1 9 4 4 年，德国天文学家魏扎克( c ev o n w e i z s i i c k e r ) 曾提出 太阳和大行星是在同一片星云里形成，并强调流体力学过程在太阳系形成过 程中的作用【2 3 1 。英国天文学家霍意耳( e h o y l e ) 于1 9 5 5 年放弃原行星云来源 的灾变说，也主张星云说 2 4 , 2 5 1 。他认为，太阳和行星卫星是由同一个星际云 形成的。原行星云先由气体凝聚为液体、固体，然后积聚为星子、行星，该 学说利用吸积理论较合理地解释了大行星自转的起源。 英国天文学家麦克雷( w h m c c r e a ) 于1 9 6 0 年提出的太阳系起源的学说 认为2 6 - 2 8 ，形成太阳系的星云首先破裂为许多小云，这些小云具有随机运动 速度，经常互相碰撞，绝大部分小云结合为原太阳，少量剩余的则围绕原太 阳转动起来，其中一部分形成了行星。 此外，美国的化学家尤雷( h c u r e y ) 、天文学家惠i f l ( f l w h i p p l e ) ，加拿 大天文学家卡米隆( a g w c a m e r o n ) 以及日本学者林忠四郎( c h a y a s h i ) 等3 0 多家也都于上世纪中后期提出了类似的太阳系起源以及行星形成的观点 2 9 - 3 3 1 ，虽然具体的形成机制不尽相同，但是都认为整个太阳系是由同一片星 云形成，星云的中心部分形成太阳，外部成为行星和卫星。 1 2 4 各种学说评价及比较 各类灾变说，包括潮汐说、星子说以及碰撞说等，都有一个共同的看法， 即认为形成行星的物质是因某一偶然的巨变事件从太阳中分出的，这很难令 6 山东师范大学硕士学位论文 人信服，因为物质温度太高，极易扩散，难以凝聚为行星。 俘获说的共同观点是认为太阳首先形成，然后在运行过程中俘获太阳附 近或者在银河系空间的星际物质，形成原始星云，后来演变成行星。一般认 为，这种俘获的可能性很小。俘获说认为太阳系角动量来自银河系的较差自 转，这种说法也是不能成立的，因为要是由银河系较差自转提供角动量，那 么太阳系的总角动量矢量方向与银河系自转轴的方向应该是一致的，而实际 上二者却有高达6 1 7 。的夹角。 共同形成说认为整个太阳系所有的星体都是由同一原始星云形成的，星 云中心部分的物质形成太阳，外围部分的物质形成行星等天体。比较而言， 该学说能说明的太阳系特征较多，较合理。因此，上个世纪中后期以来，越 来越多的人倾向于太阳系形成的共同形成学说 2 3 - 3 3 】，甚至一些原来坚持灾变 说或俘获说的人也改变立场，转而认同共同形成学说 3 4 - 3 6 】。因此，本文将共 同形成学说作为研究行星自转的理论基础。 1 3 金星水星自转的研究历史和现状 通过表1 2 可以看出，金星水星有着与众不同的自转状态。一般大行星 的自转周期在1 d a y 左右，而金星和水星的自转周期则特别长，分别为2 4 3 d a y 和5 9 d a y ；除了天王星外，一般大行星的黄赤交角小于3 0 9 ，即转动方向都与 行星公转方向相同，称为顺向自转，而金星的黄赤交角却为1 7 7 。，即逆向自 转，这就使得金星的自转尤其引人注意。 从表1 1 看到，水星的公转周期为0 2 4 年，约8 8 天。显然，水星的自 转周期与公转周期满足2 ：3 整数比，即2 ：3 共振。对于水星的这种共振耦合 现象，在“太阳系动力学 中有详细的理论论i i e t 3 7 1 。因此一般认为，水星的 自转机制问题没有异议了。但是，我们仍然有疑问，共振使水星的自转稳定 在目前的2 ：3 共振状态，为什么不是其他整数比? 如l ：3 或1 ：4 等。如果 水星原来的自转是典型的快速自转，其周期必须经过由小到大的变化，才能 山东师范大学硕士学位论文 到达目前的共振。这个变化的机制是什么，至今未见报道。总而言之，人们 对水星自转的关心远远不及对金星。 自从1 9 6 2 年人类首次发现金星缓慢逆向自转这奇特现象以来3 引，其形 成原因便吸引了许多人的注意。金星当前的自转状态是生来就有的还是后天 演变来的，是什么机制使其演变的，这是至今仍然在研究的一个重要课题。 为了解释这个问题，人们曾提出了各种假设。 1 3 1 潮汐和核幔摩擦说 一种观点认为，金星原来具有典型的快速正向自转的状态，但在后来由 于受到太阳和其他行星的引力潮汐作用、大气潮汐摩擦以及地核与地幔摩擦 力的作用，自转逐渐变慢。 1 9 7 9 年，法国的l a g o 和c a z e n a v e 研究了固体潮汐和大气潮汐对金星自 转的影响，探讨了这些机制作用下自转角速度和倾斜度随着时间可能的演化， 为了在一个合理时间尺度上取得期待的演化结果，对这些机制的数量大小量 级都做了一些限制3 9 1 。美国加利福尼亚技术学院的d o b r o v o l s k i s 认为金星的 大气潮汐能帮助金星稳定其缓慢逆转状态，固体潮汐的频率也会影响影响自 转稳定性柏】。法国的l a s k a r 和r o b u t e l 认为潮汐耗散稳定了金星自转轴的倾 斜度h 1 1 。 也有学者认为金星的缓慢逆转主要是由于地核地幔之间的摩擦力作用。 美国的t o u m a 和英国的w i s d o m 分析了地核地幔摩擦力在金星自转演化过程 中的作用4 2 】；法国学者a l e x a n d r e 研究了地核地幔摩擦力对轴向不对称的行 星自转的影响，指出地核地幔摩擦力对水星金星自转的长期影响是它们自转 变化的重要原因，但是对地球和火星的影响是可以忽略的1 4 3 。 还有学者强调，金星目前的特殊自转状态是潮汐作用和地核地幔摩擦力 在金星演化过程中共同作用的结果似7 】，他们同时讨论了这两个因素的可能 影响。 8 山东师范大学硕士学位论文 1 3 2 大星子碰撞说 也有观点认为，上述机制的作用不足以使行星自转发生如此巨大的改变， 异常自转可能是早期受到了大星子的强烈碰撞所致。美国学者w e t h e r i l l 通过 对类地行星吸积增长过程的三维模拟认为，类地行星吸积过程中行星可能受 到三倍于火星质量的大星子的高速撞击，撞击方向不同，对行星角动量的影 响就很不一样，这就会使得行星的角动量在很大程度上具有偶然性4 引。加拿 大学者t r e m a i n e 也认为，在行星形成的过程中大星子对行星可能的撞击对行 星角动量的分配是有影响的渺1 。美国学者h a r r i s 和s i n g e r 认为虽然金星现在 的自转是逆向的，并且自转速度是几乎可以忽略的，但是金星很可能具有一 个典型行星的原始自转状态，即正向自转且周期在1 0 到2 0 小时之间，但是 由于俘获了一个逆行轨道上月亮大小的天体，突然就使金星的自转变慢，转 动动能转化为了热能，俘获的天体通过碰撞消失在金星表面5 0 j 1 1 。也有其他 学者持有类似看法| 5 2 , 5 3 1 。 1 3 3 共振说 还有一种观点认为金星的非常缓慢自转，是由于金星目前的自转周期与 地球的轨道运动会合共振。金星目前的自转周期( 2 4 3 0 1 8 d a y ) q 常接近理论上 的2 4 3 1 6 天，在这个数值上地球将会通过万有引力力矩控制金星的自转。学 者g o l d r e i c h 和p e a l e 研究了金星处于共振自转的稳定性，共振自转使得每次 与地球下合时金星都是同一个面朝向地球，同时指出金星如果具有与地球类 似的液态地核，自转共振俘获是完全可以理解的，如果地核对地幔自转角速 度的变化做出反应，最大的共振俘获几率就会发生抖5 7 1 。美国康奈尔大学的 g o l d 和s o t e r 认为，金星的自转不能从潮汐作用方面得到充分的解释，太阳 大气潮的力矩能够很大部分抵消太阳引力潮的力矩，这种情况下地球对金星 的较小作用就可以将金星的自转锁定在某一邻近的共振周期上5 8 1 。 9 山东师范大学硕士学位论文 1 3 4c o r r e i aa i e x a n d r e 的数值模拟研究 2 0 0 1 年，法国学者c o r r e i aa l e x a n d r e 和l a s k a r 在世界著名杂志“n a t u r e ” 上发表文章，报告了他们对金星自形成以来的自转演化进行的多方面的数值 模拟研究结果5 9 1 。2 0 0 3 年，他们又在美国的一本专门发表太阳系动力学研究 文章的杂志“i c a r u s 撰文，题为“l o n g - t e r me v o l u t i o no ft h es p i no fv e n u s d n u m e f i c a js i m u l a t i o n s ”，进一步作了全面数值模拟探讨鲫。模拟中涉及到大量 的原始条件，试图覆盖金星所有可能的形成和演化情形 5 9 , 6 0 ，特别关注了由 于行星长期摄动而导致的混乱区的演化，同时论证了金星的自转轴可能临时 的处于共振态中，试验了若干耗散模型和参数，以估计这些因素对自转历史 的影响。通过论证得到无论金星自转模型以及参数怎样，金星目前观测到的 自转状态可以由两种不同的过程得到：一种是在金星自转变慢的同时自转轴 转过了1 8 0 。；另一种是自转轴没有颠倒，但在演化过程中自转首先变慢直到 停止，然后又反向加速达到目前的状态。其他学者也提出过与第二种情形类 似的观点 6 1 , 6 2 ，认为金星形成时与其他大行星有一样的自转状态，即快速正 向自转，但是在演化过程中，由于受到其他因素的影响，金星的自转角速度 逐渐变小到零，然后又在相反的方向上加速，最后稳定在目前的这种状态上。 1 3 5 问题 上述各种模型，通过假定行星不同的自转初始条件，都或多或少的都能 得到一些合理的结论，但也都面临着大的困难，包括各种数值模拟工作在内 【6 3 1 。如需要假设各种不同的初始状态，特别像自转轴初始倾角不能小于9 0 。或 需要1 7 0 。这样的条件，尽管有可能，但自然形成的概率不太大。另外，偶 然大星子碰撞事件如果真发生过的话，即使能说明金星的逆转，但也不能同 时解释水星的缓慢转动。还有，尽管稳定的共振条件不是不可能的，但在共 振情形下俘获的可能性及其微小。此外，这样的俘获需要几率在1 0 。5 左右的 周期巧合，而由于目前达到的自转周期的测量精度，这是一种很容易排除的 1 0 山东师范大学硕士学位论文 情形例。 c o r r e i aa l e x a n d r e 的文章报告了在多种初始条件下，金星可能形成的4 种自转状态，仍然没有正面回答金星当前的状态是如何演化来到。 可见，金星自转的问题远没有结束。 1 4 本文研究的目的和意义 金星是最接近地球的行星，而且它们两者在很多方面极为相似，金星的 质量是地球质量的0 8 1 5 倍，赤道半径是地球的0 9 4 9 倍，体积是地球的0 8 5 6 倍，密度和地球极其接近，为地球的0 9 5 3 倍；两者运行轨道相似，只是金 星稍微靠近太阳一些。正因为这样，有人把金星比作地球的孪生姐妹7 1 。然 而目前的金星在许多方面却与地球有天壤之别。根据现代观n t 6 4 , 6 5 1 ，金星表 面温度高达4 6 8 v ，大气压强为地球表面的9 0 倍，以及空气中高度的二氧化 碳含量和硫酸液滴，当然也包括本文要重点探讨的金星的大周期缓慢逆转。 有科学家认为，数十亿年前，金星的情况和现在的地球差不多，是一个 适宜居住的地方。但由于二氧化碳的温室效应，再加上太阳辐射，金星大气 被严重破坏了，旋转速度也慢了，从而走上一条不同的发展道路。德克萨斯 西南研究院的戴维格林斯彭( d a v i dg r i n s p o o n ) 的计算表明6 6 1 ，金星在形成 之后至少2 0 亿年内依然是个具有勃勃生机的星球。行星学家们一直认为，金 星曾经与地球一样有着大规模的海洋和气候变迁，只是由于后来的温室效应， 金星才逐步成为现在的模样6 7 】。科学家由此担心金星现在的境遇将会是地球 的未来。 在这种情况下，对金星的研究就显得尤为意义重大。事实上，对太阳系 中每颗天体的研究不仅仅意味着天体物理学的发展，同时对了解太阳系起源 与行星的成因、演化、衰亡都有着重要的意义，更重要的是对金星的研究会 对人类有直接的警示作用，对人类居住的地球的演化，对人类和地球的生死 存亡有着重要的指导