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 自然科学

对行星质量、成分及密度差异起因的定量新解释

发布时间:2019-12-04 点击: 来源:未知
现在对行星质量、成分及密度差异起因的解释虽很多,但系统进行论证的假说却很罕见,至今还存在很多争议和分歧意见。本文拟在下面先对有关假说进行简介与评述然后通过理论分析和计算对有关问题进行定量的新解释。
1. 对有关假说的简介与评述
已知太阳系八大行星的质量、成分及密度的有关数据,列于表1;从中可以看出,它们的有关数据是互不相同的,有些数据的差别还特别巨大。现对其成因名目繁多的解释择要进行简介与评述。
表1  八大行星质量、成分及密度的有关参数

有关参数 水 星 金 星 地 球 火 星 小行星带 木 星 土 星 天王星 海王星
石铁含量比 1:2 11:9 2.5:1 3:1 —— —— —— —— ——
石铁核相对质量 0.056 0.815 1.000 0.107 2~3 10~15 9.5~19 <0.55 <1
氢、氦丰度(%) —— —— —— —— —— 98 <98 3.4~10 <10
冰物质丰度(%) —— —— —— —— —— <2 <2 64~92 ≈78
观测平均相对密度 5.43 5.25 5.52 3.94 —— 1.34 0.70 1.41 1.64
三种假设条件下
理论计算的真实
平均相对密度
5.81
5.17
5.91
5.64
4.54
5.0
5.46
4.34
4.36
5.28
3.67
4.22
—— —— —— —— ——
行星相对质量 0.056 0.815 1.000 0.107 2~3 318 95.2 14.6 17.2
注:①表中带“——”号者,表示数据不详或数值极微小;②海王星的氢、氦及冰物质丰度一般认为与天王星很接近,但找不到准确数据;③所列类地行星的三种“真实平均相对密度”,是假定三种温度及压力条件下推算出来的,它们不是真实的平均密度,而只反映各类地行星密度的相对值(有关数据来自参考文献[4])。④冰物质是H2O、CH4及NH3的统称。
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作者简介:赵菊初,男,职称为研究员级高级工程师,并为中国机械工程学会高级会员。曾设计百余种生产急需、10多种援外的专用机械设备。发表20多篇改进常用机械零件设计理论及方法的论文。针对地球物理学及太阳系演化方面的重大疑难问题撰写论文20余篇。
 
现在有一种假说对水星含铁量高达66%的异常情况的解释是,它曾遭遇其它星体的严重撞击,导致失去了密度较低的一部分外壳,因此留下了密度及含铁量相对较多的部分。但据报导,用以解释水星含铁量特别大
的“碰撞说”模型,遇到的问题是,这些原类地行星的初始轨道一定要有很大的偏心率才能相撞,它不能解释类地行星随后怎么能形成今天这样相当稳定且接近圆形的轨道。偏心率去除的假说之一认为,类地行星所在的气体盘尚未被太阳驱离时,残余气体的“引力拖拉”终将降低行星的能量,平滑化它们的轨道。但反对的意见认为,如果存在这样的气体,一开始它就会防止类地行星的轨道变得如此大的偏心率。因此,这种假说很难自圆其说。其它假说更无法找到观测证据,也经不起定量计算的检验;更何况,表1所列类地行星的三种“理论计算的真实平均相对密度”与它们的含铁量依次向外递减的规律完全吻合,这绝不可能都用碰撞说来进行解释。
近年来,对太阳系化学演化过程的3种主要理论模型,即热凝聚模型、冷聚集模型和等离子体凝聚模型,都对行星成分和密度的差异未能作出合理的解释 ,而且提出者之间仍存在着较明显的分歧与争议。实验证明,压力降低可使冰物质的冰点降低;观测已发现,在类木行星的大气中都含有少量冰物质的气态成分。例如,木星大气中约含1%左右的其他气体,其中包括甲烷、水蒸气、氨气等,其表面探测温度值为125K;天王星与海王星大气中含气态甲烷分别高达2.3%及2%,还发现二者冰物质的含量都随高度降低而增加,而二者大气温度却反常地随高度降低而降低,底层温度分别为49K及38K,远低于冰物质在常压下甲烷的冰点及沸点(分别为90.5K及111.5K),更远低于氨及水的冰点(分别为198K及273K)。由于星云盘中含有较多具有强烈温室效应的甲烷,能阻挡热能的辐射;而现在天王星和海王星高层大气的周围几乎都是真空,其辐射散热条件比当时星云盘内部的散热条件要好得多,故现在天王星外围的温度会远低于当时星云盘内部的温度。这说明,在整个星云盘的演化时期内,冰物质很可能都处于气态而从未凝固过。从而可说明用各轨道区域冰物质凝固条件不同,来解释行星成分及质量差别也是证据不足的。更何况,上述三种模型用太阳风对各种气体粒子及尘粒的驱赶与分选作用,或以密度不同的物质从宇宙空间进入太阳系,来解释各行星成分及密度的差异,还存在非常严重的矛盾。
观测表明,木星的石铁质核心的质量约为地球质量的10~15倍,平均约占其总质量的4%;另据报导,原始太阳系星云中所含直径为10微米以下的尘粒约占总质量的0.4%~1%,它们是行星石铁物质的唯一来源。土星的石铁质核心的质量约为地球质量的9.5~19倍,平均约占其总质量的15%。这说明木星与土星的石铁质成分远多于原始星云,由此可以断定,在木、土区可能出现了以下两种情况之一:①有大量石铁物质从内侧迁移至该区域,②或者有大量氢氦物质向外逃离该区域。但这两种情况都是现有观点无法解释得清的。
如果说是由于太阳风把天、海区的氢、氦吹走了,致使天王星和海王星的氢氦含量很少,那么就要出现一个疑问,即天海区那么多冰物质又来自哪里?如果说也是太阳风将它们从木土区吹来的,那么又要出现一个疑问,即太阳风为什么不把更容易吹走的氢、氦也从木土区一起吹走?据观测,天王星和海王星的冰物质含量很接近,平均都为78%左右;由此可算出其冰物质总含量约等于24个地球的质量;而木星和土星的冰物质含量都在2%以下;由此还要出现一个更大的疑问,即太阳风为什么有选择性的将很难吹走的冰物质几乎全部吹到天海区,而将很容易吹走的氢、氦几乎全部保留在木土区?如果按上述假说认为的那样,木土区的冰物质都因温度很低而凝固成为“冰”的颗粒,那么,它们绝无可能再被吹到天海区。如果按上述假说认为的那样,是太阳风将类地区的氢、氦及冰物质全部吹走了,致使类地行星都由石铁物质组成,但尘粒的质量比一般分子至少大14个数量级以上,太阳风是绝无可能把它吹走的,因此也就起不了使尘粒按密度分异的作用