固体地球物理学概论第二章讲稿.ppt

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1、固体地球物理学概论第二章第一页，讲稿共八十四页哦第二页，讲稿共八十四页哦第三页，讲稿共八十四页哦第四页，讲稿共八十四页哦l2 2）日距分布特征）日距分布特征BodeBode定律定律l r rn n=0.4+0.3*2=0.4+0.3*2n nl其中其中n n为行星秩序数，水星取为行星秩序数，水星取，金星取，金星取0 0，地球，地球取取1 1，火星取，火星取2 2，木星取，木星取3 3，冥王星取，冥王星取8 8。l3 3）质量与密度分布特征）质量与密度分布特征l太阳占了太阳系总质量的太阳占了太阳系总质量的99.85%99.85%，行星占，行星占0.135%0.135%，其它占其它占0.015%0

2、.015%。若将行星分为三类，即。若将行星分为三类，即 类地星（水类地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和远日星（天王星、海王星、冥王星），则有远日星（天王星、海王星、冥王星），则有第五页，讲稿共八十四页哦l质量分布：类地星巨行星质量分布：类地星巨行星 远日星远日星l密度分布：类地星密度分布：类地星 巨行星巨行星 远日星远日星l4)4)太阳系的年龄太阳系的年龄l根据根据同位数测定同位数测定，地球、月球和陨石的，地球、月球和陨石的年龄约在年龄约在4545亿年亿年左右，如果太阳系中所左右，如果太阳系中所有的行星和陨石在同一时期形成，太阳

3、有的行星和陨石在同一时期形成，太阳系的年龄也应为系的年龄也应为4545亿年。亿年。第六页，讲稿共八十四页哦l5 5）太阳系天体的自转）太阳系天体的自转l行星的自转可分两种情况，行星的自转可分两种情况，类地星自转类地星自转速率差异较大，速率差异较大，金星需金星需244244天，火星只需天，火星只需1.031.03天；巨行星和远日星自转较快，均天；巨行星和远日星自转较快，均不到不到1 1天。天。l太阳自转有太阳自转有“赤道加速赤道加速”现象，现象，即赤道即赤道处自转约处自转约25.425.4天，两极附近约天，两极附近约3535天，其天，其内部旋转速度更快，可能比表面快十几内部旋转速度更快，可能比表

4、面快十几甚至几十倍。甚至几十倍。l行星自转轴也不同，行星自转轴也不同，见下图。见下图。第七页，讲稿共八十四页哦第八页，讲稿共八十四页哦2.2 2.2 太太 阳阳 系系 起起 源源 Origin of the Solar System 任任何何事事物物都都有有它它的的产产生生、发发展展和和衰衰亡亡的的过过程程，太太阳阳系系也也不不例例外外。太太阳阳系系的的起起源源，也即地球的起源问题。也即地球的起源问题。从从1775年年康康德德根根据据牛牛顿顿的的万万有有引引力力定定律律，提提出出星星云云假假说说以以来来，国国际际上上先先后后提提出出过过40多多种种假假说说，归归纳纳起起来来，主主要要有有“灾灾

5、变变说说”、“俘俘获获说说”、“原原始始星星云云说说”，以及以及“新星云假说新星云假说”。第九页，讲稿共八十四页哦一、新星云假说一、新星云假说1.灾变说灾变说这种假说认为，这种假说认为，太阳系的形成是某种极太阳系的形成是某种极其偶然事件的结果。它属于激变说其偶然事件的结果。它属于激变说灾变说认为，灾变说认为，太阳是先形成的，太阳是先形成的，行星和行星和卫星后形成。卫星后形成。由于某个事件，如一个恒星与太阳相撞由于某个事件，如一个恒星与太阳相撞或距离很近时，从太阳中或距离很近时，从太阳中“拉出拉出”一部一部分物质，并赋予巨大的转动角动量，这分物质，并赋予巨大的转动角动量，这些物质后来逐渐形成了行

6、星及其卫星。些物质后来逐渐形成了行星及其卫星。第十页，讲稿共八十四页哦1745年，法国生物学家布封（年，法国生物学家布封（G.L.L.Buffon，17071788）在）在一般的和特一般的和特殊的自然史殊的自然史中，提出了第一个行星形中，提出了第一个行星形成的成的“灾变说灾变说”。认为一颗慧星掠碰了认为一颗慧星掠碰了太阳，行星、卫星是由撞出的太阳物质太阳，行星、卫星是由撞出的太阳物质形成的。形成的。布封的学说，虽然在科学上是错误的，布封的学说，虽然在科学上是错误的，但在反对宗教的上帝创造说中起过进步但在反对宗教的上帝创造说中起过进步作用。作用。第十一页，讲稿共八十四页哦2 俘获说俘获说风靡一时

7、的俘获说是风靡一时的俘获说是1944年由年由前苏联地前苏联地球物理学家施密特球物理学家施密特（18911956）提出）提出来的。有时又被称为来的。有时又被称为“陨星学说陨星学说”。俘获说也是俘获说也是认为太阳是先形成的，但与认为太阳是先形成的，但与灾变说不同的是，它认为原始行星物质灾变说不同的是，它认为原始行星物质是来自其它星际，被太阳的引力俘获而是来自其它星际，被太阳的引力俘获而来的，如陨石。来的，如陨石。第十二页，讲稿共八十四页哦按按施施密密特特意意见见，地地球球从从来来不不是是全全部部炽炽热热的的或或气气态态的的，而而是是由由冷冷的的尘尘埃埃般般的的陨陨石石物物质质形形成成的的，这这是是

8、施施密密特特假假说说不不同同于于其其他假说的地方。他假说的地方。俘俘获获说说虽虽有有其其合合理理的的地地方方，但但仍仍存存在在着着许许多多没没有有解解决决的的问问题题。例例如如，当当太太阳阳和和星星际际物物质质云云的的角角动动量量相相差差很很大大时时，俘俘获获是是不不可可能能的的。1953年年施施密密特特自自己己也也承承认认这一点。这一点。第十三页，讲稿共八十四页哦3 星云假说星云假说 Nebular Hypothesis 星云假说属于星云假说属于“渐变说渐变说”范畴。范畴。这种学这种学说认为，说认为，太阳系乃由同一原始星云物质太阳系乃由同一原始星云物质形成，行星和卫星是由一度围绕太阳的形成，

9、行星和卫星是由一度围绕太阳的星云盘物质凝聚而成的，并非某种偶然星云盘物质凝聚而成的，并非某种偶然突变性事件的结果。突变性事件的结果。1755年，康德（年，康德（I.Kant，17241804）根据牛顿的万有引定律，根据牛顿的万有引定律，提出了关于太提出了关于太阳系起源的星云说。阳系起源的星云说。第十四页，讲稿共八十四页哦(1)(1)他认为形成太阳系的他认为形成太阳系的物质基础是星云，物质基础是星云，即大团的旋转着气体和尘埃；即大团的旋转着气体和尘埃；(2)(2)形成太阳系的形成太阳系的动力是自引力，动力是自引力，即星云即星云各部分的相互吸引力。各部分的相互吸引力。康德认为康德认为 处在混沌之中

10、的宇宙初始物质由处在混沌之中的宇宙初始物质由于引力作用集结起来，更大的和更密集的于引力作用集结起来，更大的和更密集的一些质点开始把周围较小的和比较不密的一些质点开始把周围较小的和比较不密的质点吸引过去；质点吸引过去；第十五页，讲稿共八十四页哦以后较小的物质凝团继续向工业已形成以后较小的物质凝团继续向工业已形成的中心体落去，由于的中心体落去，由于相撞使中心体获得相撞使中心体获得了更大的旋转运动，从而产生了巨大了更大的旋转运动，从而产生了巨大的灼热天体的灼热天体太阳。太阳。（3）随着旋转速度加大，大量微小尘埃）随着旋转速度加大，大量微小尘埃物质在旋转着原始太阳的赤道上集中起物质在旋转着原始太阳的赤

11、道上集中起来，来，形成了扁平的星云盘。形成了扁平的星云盘。第十六页，讲稿共八十四页哦以以后后，在在星星云云盘盘的的边边缘缘部部分分形形成成了了物物质质集集中中的的中中心心，并并从从这这些些中中心心产产生生了了行行星星和和环环绕行星的卫星。绕行星的卫星。在在41年年以以后后，拉拉普普拉拉斯斯（P.S.Laplace，17491827）提提出出了了和和康康德德的的内内容容相相似似的的“原始星云说原始星云说”。由由于于康康德德和和拉拉普普拉拉斯斯的的基基本本观观点点相相同同，都都认认为为地地球球是是从从原原始始星星云云转转化化而而来来，所所以以后后来来人人们们把把二二者者统统称称为为康康德德-拉拉普

12、普拉拉斯斯原原始始星星云说。云说。第十七页，讲稿共八十四页哦但是，但是，应该指出，两人的原始星云说也应该指出，两人的原始星云说也是是有区别的。拉普拉斯认为原始星云是炽有区别的。拉普拉斯认为原始星云是炽热发光的，而康德却没有提到这上点。热发光的，而康德却没有提到这上点。由于康德和拉普拉斯的学说，是建立在由于康德和拉普拉斯的学说，是建立在牛牛顿力学理论基础上顿力学理论基础上的，因此不可避免地的，因此不可避免地在科学上有它的在科学上有它的局限性。局限性。第十八页，讲稿共八十四页哦但是，它是人类认识宇宙过程中的又一但是，它是人类认识宇宙过程中的又一里程碑，它在宇宙起源学说的发展上起里程碑，它在宇宙起源

13、学说的发展上起过巨大的作用。过巨大的作用。康德康德-拉普拉斯的基本论点却受到了时拉普拉斯的基本论点却受到了时间的考验。间的考验。第十九页，讲稿共八十四页哦在在此此后后半半个个多多世世纪纪里里，人人们们普普遍遍赞赞同同星星云说。云说。但但是是，星星云云说说在在当当时时不不能能解解释释如如角角动动量量特殊分布的观测事实。特殊分布的观测事实。在在这这种种情情况况下下，又又出出现现一一系系列列新新的的假假说说。由由于于星星云云说说属属于于渐渐变变说说，那那么么，这这种种新新的假说被称为激变说。的假说被称为激变说。在在十十九九世世纪纪到到二二十十世世纪纪四四十十年年代代，是是各各种激变主产盛行时期。种激

14、变主产盛行时期。第二十页，讲稿共八十四页哦著名的激变说有：著名的激变说有：1878年，新西兰天文年，新西兰天文学家毕克顿（学家毕克顿（A.W.Bickerton）认为，两）认为，两颗恒星碰撞产生类似新星的爆炸，抛出颗恒星碰撞产生类似新星的爆炸，抛出的物质形成行星；的物质形成行星；英国的勒斯（英国的勒斯（J.K.Jeans）提出风靡一时）提出风靡一时的的“潮汐说潮汐说”，他认为有一颗恒星从太他认为有一颗恒星从太阳近旁一掠而过，使太阳涨出了隆起的阳近旁一掠而过，使太阳涨出了隆起的潮，分离出物质形成行星；潮，分离出物质形成行星；杰弗瑞斯的杰弗瑞斯的“碰撞说碰撞说”，更认为是另一更认为是另一颗恒星擦边

15、碰了太阳，才形成行星颗恒星擦边碰了太阳，才形成行星.等等等等.第二十一页，讲稿共八十四页哦在地球起源的学说的研究中，最困难的在地球起源的学说的研究中，最困难的问题依然是问题依然是角动量角动量问题。问题。角动量是转角动量是转动的一种量度，它大致等于质量、速动的一种量度，它大致等于质量、速度和轨道半径的乘积。度和轨道半径的乘积。在太阳系里，太阳的质量约为行星总质在太阳系里，太阳的质量约为行星总质量的量的750倍，倍，占全系统的占全系统的99%以上，但以上，但它的角动量却只有全系统的它的角动量却只有全系统的2%，行星，行星的质量虽小，但角动量却很大。的质量虽小，但角动量却很大。第二十二页，讲稿共八十

16、四页哦1972年，霍伊尔（年，霍伊尔（F.hoyle）从经典的）从经典的星云假说出发，考虑星际空间的磁场星云假说出发，考虑星际空间的磁场作用，定量地计算了太阳和行星的角作用，定量地计算了太阳和行星的角动量，从而有效地解释了太阳系特殊动量，从而有效地解释了太阳系特殊的角动量问题。的角动量问题。第二十三页，讲稿共八十四页哦到目前为止到目前为止,已有很多假说来解释太阳系已有很多假说来解释太阳系的起源的起源,但大家公认最好的假说是星云假但大家公认最好的假说是星云假说说.Many hypotheses have been developed to explain the origin of our so

17、lar system.The current best hypothesis is called the nebular hypothesis:第二十四页，讲稿共八十四页哦（1）A slowly spinning cloud of dust and gas in space(a nebula)begins to collapse due to the mutual gravitational attraction between all the particles which make up the nebula(i.e.,it begins to collapse under its own

18、 weight).第二十五页，讲稿共八十四页哦Massive Infant Stars Rock their Cradle 第二十六页，讲稿共八十四页哦The Rotten Egg Nebula:A Planetary Nebula in the Making第二十七页，讲稿共八十四页哦 Ant-like Space Structure Previews Death of Our Sun 第二十八页，讲稿共八十四页哦Hubble Sees the Glow of Star Formation in a Neighbor Galaxy 第二十九页，讲稿共八十四页哦Turtle In Space

19、Describes New Hubble Image第三十页，讲稿共八十四页哦Light and Shadow in the Carina Nebula 第三十一页，讲稿共八十四页哦Peering into the Heart of the Crab Nebula 第三十二页，讲稿共八十四页哦(2)As the nebula collapses,it begins to spin faster,and the spin rate increases as the nebula gets smaller.This is because of a property of spinning obje

20、cts called angular momentum.One law of physics says that the total angular momentum of a spinning object or system of objects(like the nebula)must remain the same as things change;it cannot be destroyed or created.If a spinning object,in this case our nebula,becomes smaller,it must spin faster to co

21、nserve its angular momentum.(This same effect works for figure skaters,by the way.)第三十三页，讲稿共八十四页哦(3)As the nebula collapses,the gravitational attraction between its parts wants to pull the nebula together into a ball.The spin of the nebula counteracts the effect of gravity,but only in one plane;the

22、result of these combined effects of gravity and spinning force the nebula,over a long period of time,to collapse into a spinning disk with a central bulge(think of a laser disk with a golf ball in the middle).第三十四页，讲稿共八十四页哦(4)The central bulge has more material in it than do the areas further out in

23、 the disk,and thus has a higher gravitational attraction;the result is that the bulge attracts additional material at an increasing rate.Eventually,the area becomes dense enough that it begins to warm dramatically.The bulge becomes a protostar.第三十五页，讲稿共八十四页哦(5)At some point,the central protostar gat

24、hers enough material to begin nuclear fusion.At that point,the protostar becomes a fully-fledged star.(6)Meanwhile out in the spinning disk,gas condenses into solid particles,and these particles and bits of dust begin to coalesce into small bodies called planetesimals(sort of mini planets).第三十六页，讲稿共

25、八十四页哦(7)Over time,the planetesimals collide and group together into larger and larger bodies,eventually reaching planetary size.(8)Eventually,the large planets sweep up most of the remaining planetesimals(and smaller bodies)and the solar system reaches a relatively stable configuration.Overall,this

26、process from collapse to solar system takes something like 0.1-1 billion years.第三十七页，讲稿共八十四页哦4、戴文赛的新星云假说、戴文赛的新星云假说戴文赛先生（戴文赛先生（19111979），天文学家，），天文学家，福建人，生前任南京大学天文系教授、福建人，生前任南京大学天文系教授、主任。主任。天体演化是他的研究方向，特别着重于天体演化是他的研究方向，特别着重于太阳系起源问题。太阳系起源问题。他在分析和评价国外他在分析和评价国外和多种假说的基础上，和多种假说的基础上，提出自己的太阳提出自己的太阳系起源（其中包括地球

27、起源）假说。系起源（其中包括地球起源）假说。第三十八页，讲稿共八十四页哦该假说继承和发展了康德和拉普斯的星该假说继承和发展了康德和拉普斯的星云说，较全面、较系统和有内在联系地云说，较全面、较系统和有内在联系地论述了太阳系各种特征的由来，论述了太阳系各种特征的由来，其中对其中对波特定则的说明，对木星、土星、天王波特定则的说明，对木星、土星、天王星的卫星和环带的说明以及角动量问题，星的卫星和环带的说明以及角动量问题，都得出不同于前人的解释。都得出不同于前人的解释。戴戴文文赛赛先先生生认认为为：行行星星的的形形成成要要经经过过“原原始始星星云云星星云云盘盘尘尘层层星星子子行行星星”这样几个步骤。这样

28、几个步骤。第三十九页，讲稿共八十四页哦（1）原始星云的形成）原始星云的形成原始星云是由一块星际云块塌缩并瓦解原始星云是由一块星际云块塌缩并瓦解而成的。而成的。首先要考虑星际云的塌缩，这里要用到首先要考虑星际云的塌缩，这里要用到研究物质团收缩和膨胀的研究物质团收缩和膨胀的一个重要物理一个重要物理定理定理维里定理。维里定理。维里定理所要分析的是，使其膨胀的能维里定理所要分析的是，使其膨胀的能量量U（如分子热运动热能）和使其收缩的（如分子热运动热能）和使其收缩的能量能量（如引力位势）是否平衡。（如引力位势）是否平衡。第四十页，讲稿共八十四页哦根据根据U、的物理意义不难得出：的物理意义不难得出：当当

29、2U+0时，物资团膨胀；时，物资团膨胀；当当 2U+0时，物资团收缩；时，物资团收缩；当当 2U+0时，该物资团处于既不膨时，该物资团处于既不膨胀也不收缩的平衡状态。胀也不收缩的平衡状态。对对于于一一个个天天体体系系统统，同同样样要要考考虑虑维维里里定定理。理。根根据据维维里里定定理理，当当忽忽略略自自转转、磁磁场场及及湍湍流流，只只考考虑虑引引力力势势能能和和热热能能时时，可可得得出出如下星际云自吸引塌缩条件：如下星际云自吸引塌缩条件：第四十一页，讲稿共八十四页哦 M2.44103M0.式式中中 M0=1.991033g，为为太太阳阳现现质质量量。M为为星星际际云云质质量量。该该式式表表明明

30、，星星际际云云质质量量比比太太阳阳现质量大三个数量级，它才会塌缩。现质量大三个数量级，它才会塌缩。当当星星际际云云塌塌缩缩到到密密度度为为10-15g/cm3时时，内内部部会会发发生生不不稳稳定定情情况况，即即：出出现现扰扰动动物物时时，会会造造成成涡涡流流，将将星星际际云云瓦瓦解解为为上上千千个个小小云云，其其中中之一则是太阳系前身之一则是太阳系前身原始星云。原始星云。原原始始星星云云其其质质量量为为M0，=11.3。原原始始星星云云的的角角动动量量约约为为今今日日太太阳阳系系角角动动量量的的158200倍。倍。第四十二页，讲稿共八十四页哦（2）、星云盘的形成星云盘的形成原原始始星星云云盘盘

31、继继续续塌塌缩缩，半半径径逐逐渐渐减减小小，因因角角动动量量守守恒恒，造造成成自自转转速速度度增增大大。赤赤道道面面上上的的外外边边缘缘物物质质，当当其其惯惯性性离离心心力力与与中中心心部部分分引引力力相相抗抗衡衡时时，便便停停下下来来，逐逐渐渐形形式式类类似似“铁铁饼饼”的的星星云云盘盘。星星云云盘盘形形成成的的同同时时，云云盘盘中中心的原始太阳亦形成。心的原始太阳亦形成。第四十三页，讲稿共八十四页哦为为了了对对星星云云盘盘的的的的温温度度、厚厚度度和和密密度度做做出出估估计，需要介绍计，需要介绍罗奇密度的概念。罗奇密度的概念。首首先先让让我我们们看看图图2.2-1所所示示大大小小球球吸吸引

32、引的的例例子子。分析分析两个小球在大球作用下聚集的条件两个小球在大球作用下聚集的条件。第四十四页，讲稿共八十四页哦大大球球作作用用于于靠靠近近它它的的小小球球1和和远远离离它它的的小小球球2的引力，分别为的引力，分别为因因为为F1F2，若若没没有有其其它它力力的的作作用用，这这两两个个小小球球就就要要在在共共同同靠靠近近大大球球的的过过程程中中，彼彼此此分分开开。但但是是，两两个个小小球球之之间间还还存存在在引力引力，大小为，大小为第四十五页，讲稿共八十四页哦这这个个力力使使两两个个小小球球彼彼此此聚聚集集。显显然然，使两个小球聚集而不致分开的条件是使两个小球聚集而不致分开的条件是 f12F1

33、F2 第四十六页，讲稿共八十四页哦将将F1 、F2 和和 f12的表达式代入上式，经的表达式代入上式，经整理后变成：整理后变成：04（Ma3）式中式中0称为罗奇密度，上式称为聚集条件。称为罗奇密度，上式称为聚集条件。上述关系是在一个大球和两个小球这种上述关系是在一个大球和两个小球这种情况下导出来的。情况下导出来的。第四十七页，讲稿共八十四页哦作作为为一一般般情情况况，除除引引力力外外，还还存存在在小小球球轨轨道道运运动动的的离离心心力力、电电磁磁力力等等其其它它作作用用，这这时时上上式式中中的的系系数数不不为为4，可可能能还还要要大大些些，一般写成一般写成，故此得出，故此得出 0（Ma3）可可

34、以以用用上上式式分分析析气气体体星星云云在在太太阳阳引引力力下下的稳定性问题。的稳定性问题。第四十八页，讲稿共八十四页哦当气体星云的密度当气体星云的密度达到由太阳质量和距达到由太阳质量和距离决定的罗奇密度离决定的罗奇密度0 0时，太阳的引力与气时，太阳的引力与气体星云内物质自身引力相平衡。体星云内物质自身引力相平衡。当超过当超过罗奇密度时，实现了星云自身引力的稳罗奇密度时，实现了星云自身引力的稳定性，开始行星的聚集过程。定性，开始行星的聚集过程。第四十九页，讲稿共八十四页哦现太阳质量现太阳质量M=1.9910=1.99103333g g，日日地地距距离离=1.4910=1.49101313cm

35、cm。若若仅仅考考虑虑引引力力（取取=4=4）可可 计计 算算；罗罗 奇奇 密密 度度0 0=2.310=2.310-3-3g/cmg/cm3 3。地地球球密密度度=5.5g/cm=5.5g/cm3 3 0 0，故故地地球球在在太太阳阳引引力力作作用用下下，不不会会被被分分离离，但可产生变形（固体潮）。但可产生变形（固体潮）。第五十页，讲稿共八十四页哦星云盘温度星云盘温度 由太阳辐射、云盘消光和云由太阳辐射、云盘消光和云盘热辐射决定，由能量平衡方程可以推盘热辐射决定，由能量平衡方程可以推算出，云盘内界温度为算出，云盘内界温度为1900K，云盘外，云盘外界温度为界温度为15K。第五十一页，讲稿共

36、八十四页哦（3）尘层的形成）尘层的形成云盘中云盘中尘粒（包括土物质和冰物质）跟尘粒（包括土物质和冰物质）跟气体一起绕太阳转动，气体一起绕太阳转动，同时也做布朗运同时也做布朗运动，彼此发生碰撞，结合成颗粒（碰撞动，彼此发生碰撞，结合成颗粒（碰撞吸积），并在引力吸积），并在引力z方向分量作用下，颗方向分量作用下，颗粒克服气体阻力，粒克服气体阻力，向赤道沉降，逐渐形向赤道沉降，逐渐形成尘层。成尘层。第五十二页，讲稿共八十四页哦（4）星子的形成星子的形成当尘层的当尘层的物质密度足够大物质密度足够大时，时，局部扰动会导局部扰动会导致引力不稳定性，使尘层瓦解为许多物质团致引力不稳定性，使尘层瓦解为许多物质

37、团。物质团的密度随时间而指数式增长。物质团的密度随时间而指数式增长。当物质当物质团的密度超过罗奇密度时，就可以自吸引塌团的密度超过罗奇密度时，就可以自吸引塌缩，聚集成固体星子。缩，聚集成固体星子。瓦瓦解解之之后后的的星星子子质质量量估估计计为为1018g（内内区区）到到1020g（外外区区）。各各物物质质团团自自吸吸引引收收缩缩，很很快快形成星子。形成星子。估估计计地地球球处处由由物物质质团团形形成成星星子子的的时时间间为为104a，木星处的时间为木星处的时间为106a。第五十三页，讲稿共八十四页哦(5)(5)行星（胎）的形成行星（胎）的形成初始星子绕太阳作开普勒运动外，还有初始星子绕太阳作开

38、普勒运动外，还有随机运动。大量的星子轨道是杂乱章的，随机运动。大量的星子轨道是杂乱章的，因而频繁地相遇和碰撞，发生结合或者因而频繁地相遇和碰撞，发生结合或者碎裂。碎裂。实验表明，相对速度小于实验表明，相对速度小于0.5km/s的星子碰撞，其结果总是结合，而相对的星子碰撞，其结果总是结合，而相对速度大于速度大于1 km/s的星子碰撞，其结果可能的星子碰撞，其结果可能发生碎裂。前者成为更大星子，后者成发生碎裂。前者成为更大星子，后者成为更小星子。为更小星子。第五十四页，讲稿共八十四页哦大大星星子子引引力力较较强强，更更有有效效地地吸吸积积周周围围的的物物质质和和小小星星子子（引引力力吸吸积积），迅

39、迅速速成成长长。小小星星子子引引力力较较弱弱，吸吸积积残残余余尘尘粒粒而而缓缓慢慢生生长长。较较大大星星子子（直直径径大大于于1 km）因因为为自自身身吸吸引引力力场场强强，由由碰碰撞撞聚聚积积为为主主过过渡渡到到引引力力吸吸积积为为主主。物物质质不不断断聚聚集集到到大大星星子子上上，使使其其生生长长更更快快更更大大，最最大大星星子子成成为行星胎。为行星胎。第五十五页，讲稿共八十四页哦由由星星子子结结合合行行星星时时间间，各各人人用用不不同同方方法法估估算算，就就地地球球而而言言，竟竟差差34量量级级。据据戴戴文文赛赛估估计计，地地球球形形成成时时间间为为106107a，木木星星（固固体体核核

40、）形形成成时时间间为为107a，水水星星为为104106a。这这与与陨陨星星母母体体的的形形成成时时间间为几千万年大致相符。为几千万年大致相符。第五十六页，讲稿共八十四页哦二、新星云假说对若干观测事实二、新星云假说对若干观测事实 的解释的解释一个假说能否成立，不仅在于这个假说一个假说能否成立，不仅在于这个假说能自圆其说，而且在于能否解释已有的能自圆其说，而且在于能否解释已有的观测事实，并为以后新的观测事实所证观测事实，并为以后新的观测事实所证明。明。1、行星轨道运动的解释、行星轨道运动的解释行星要解释的是轨道运动的行星要解释的是轨道运动的同向性、共同向性、共面性和近圆性。面性和近圆性。第五十七

41、页，讲稿共八十四页哦对对于于同同向向性性，显显然然这这是是因因为为它它们们由由同同一一自转的原始星云形成的必然结果。自转的原始星云形成的必然结果。对对于于共共面面性性和和近近圆圆性性，也也可可以以从从“尘尘层层星星子子行行星星（胎胎）”过过程程的的随随机机性性质质加加以以解解释释。对对于于随随机机过过程程，有有其其必必然然的的统计规律。统计规律。在在众众多多星星子子集集聚聚成成行行星星时时。通通过过碰碰撞撞聚聚积积和和引引力力吸吸积积，使使轨轨道道偏偏心心率率e和和轨轨道道倾倾角角i平均化较好，即平均化较好，即e和和i 的值都较小。的值都较小。第五十八页，讲稿共八十四页哦2、行星体积、质量和密

42、度分布的解、行星体积、质量和密度分布的解 释释行星可分为三类：行星可分为三类：类地行星，巨行星和类地行星，巨行星和远日行星远日行星。各行星的质量、半径和密度。各行星的质量、半径和密度已在前面作了介绍。已在前面作了介绍。显然，显然，行星大小和质量分布特征是两头行星大小和质量分布特征是两头小、中间大，行星的密度分布特征是类小、中间大，行星的密度分布特征是类地行星大、巨行星小、远日行星居中。地行星大、巨行星小、远日行星居中。这种分布特征是行星形成总过程的必然这种分布特征是行星形成总过程的必然结果，反映了各类行星在形成条件上的结果，反映了各类行星在形成条件上的差别。差别。第五十九页，讲稿共八十四页哦类

43、类地地行行星星区区温温度度高高，只只有有土土物物质质凝凝聚聚，而而冰冰物物质质和和气气物物质质大大部部分分挥挥发发掉掉。远远日日行行星星区区太太阳阳引引力力弱弱，所所需需逃逃逸逸速速度度小小，因因而而大大部部分分气气物质逃离太阳系。物质逃离太阳系。巨巨行行星星区区的的温温度度不不如如类类地地行行星星区区高高，巨巨行行星星区区的的逃逃逸逸度度不不如如行行星星区区小小，因因此此这这个个地地区区保保持有相当数值的气物质（其它两种都居中）。持有相当数值的气物质（其它两种都居中）。这这就就导导致致三三个个区区的的化化学学组组成成的的差差异异。含含土土物物质质多多的的类类地地行行星星密密度度大大，含含气气

44、物物质质多多的的巨巨行行星密度小，含冰物质多的远日行星密度居中星密度小，含冰物质多的远日行星密度居中。第六十页，讲稿共八十四页哦3、行星轨道半径分布的解释、行星轨道半径分布的解释行行星星公公转转轨轨道道半半径径的的分分布布，遵遵从从统统计计规规律律波波特特定定则则。它它有有多多种种表表示示式式。其其中中，可可由由相相邻邻轨轨道道半半长长轴轴n表表示示成成如如下下等等比比级数形式：级数形式：a n1an1.690.26观观测测值值与与计计算算值值在在内内行行星星符符合合得得很很好好，而外行星符合得较差。而外行星符合得较差。第六十一页，讲稿共八十四页哦4 行星定居顺序及数目的解释行星定居顺序及数目

45、的解释因为尘层的密度随远离太阳而减小因为尘层的密度随远离太阳而减小，星，星子生长率与密度成正比，子生长率与密度成正比，故可知靠近太故可知靠近太阳的行星先形成。阳的行星先形成。水星胎形成时，金星水星胎形成时，金星区已有了大星子，它同水星胎争夺边界区已有了大星子，它同水星胎争夺边界区物质。如果它离水星近，因边界物质区物质。如果它离水星近，因边界物质少，不会生长快；它也不会离地球区近，少，不会生长快；它也不会离地球区近，因为还与那里的大星子争夺物质。因为还与那里的大星子争夺物质。第六十二页，讲稿共八十四页哦形成行星的数量与星云盘内可吸积物质形成行星的数量与星云盘内可吸积物质的数量有关。的数量有关。若

46、星云盘内可吸积物质为若星云盘内可吸积物质为0.00135M0时，时，形成九个行星和小行星；形成九个行星和小行星；当云盘内可吸当云盘内可吸积物质积物质增加增加12倍倍时，时，只形成三个行星只形成三个行星；当云盘内可吸积物质当云盘内可吸积物质增加增加340倍倍时，则时，则只只形成一个天体，太阳系便成双星系了形成一个天体，太阳系便成双星系了。第六十三页，讲稿共八十四页哦 5 角动量分布的解释角动量分布的解释如前所述，太阳系中太阳的质量大、角如前所述，太阳系中太阳的质量大、角动量却小，行星及其卫星的质量小、角动量却小，行星及其卫星的质量小、角动量却大，相差非常悬殊。动量却大，相差非常悬殊。这一角动量的

47、特殊分布，很自然使人们这一角动量的特殊分布，很自然使人们想到，原始太阳质量占原始星云绝大部想到，原始太阳质量占原始星云绝大部分，它刚形成时角动量一定比现在大得分，它刚形成时角动量一定比现在大得多，多，需要某种机制转移掉它的角动量。需要某种机制转移掉它的角动量。这种机制就是这种机制就是“沙兹曼机制沙兹曼机制”。第六十四页，讲稿共八十四页哦太阳系中太阳和行星的角动量分布，与太阳系中太阳和行星的角动量分布，与太阳的演化和行星的形成过程有关。太阳的演化和行星的形成过程有关。计算表明，太阳在其发展的金牛计算表明，太阳在其发展的金牛T阶段之阶段之前，角动量需要减少几十倍，才能保证前，角动量需要减少几十倍，

48、才能保证太阳继续收缩。太阳继续收缩。在这里在这里“沙兹曼机制沙兹曼机制”是有效的，是有效的，因为因为那时太阳自转快，表层活动剧烈，能够那时太阳自转快，表层活动剧烈，能够抛出很多带电粒子，这些带电粒子沿着抛出很多带电粒子，这些带电粒子沿着与太阳共转的磁力线运动，由于当时的与太阳共转的磁力线运动，由于当时的磁场比现在强得多，所以可以带走大量磁场比现在强得多，所以可以带走大量角动量。角动量。第六十五页，讲稿共八十四页哦三、地球的形成和演化三、地球的形成和演化（the Formation and Evolution of the earth1、地球的形成、地球的形成地球是太阳系中一个普通成员，一颗地球

49、是太阳系中一个普通成员，一颗“规规则则”行星，因此，可以用太阳系起源的戴行星，因此，可以用太阳系起源的戴文赛假说，在解释一般行星的形成过程中，文赛假说，在解释一般行星的形成过程中，也解释地球的形成。也解释地球的形成。概括地说，一个冷的、自转的原始星云概括地说，一个冷的、自转的原始星云（质量（质量1.3M0）因自吸引而收缩）因自吸引而收缩,，中部，中部形成太阳，外部形成星云盘，凝聚的固体形成太阳，外部形成星云盘，凝聚的固体颗粒沉降到云盘中面（赤道面）附近尘层。颗粒沉降到云盘中面（赤道面）附近尘层。第六十六页，讲稿共八十四页哦尘尘层层各各区区的的物物理理-化化学学条条件件不不同同。当当尘尘层层的的

50、物物质质密密度度足足够够大大，可可以以发发生生引引力力不不稳稳定定性性而而瓦瓦解解为为许许多多物物质质团团。这这些些物物质质团团集集聚聚为为星星子子，星星子子又又因因吸吸积积而而集集聚聚成成行行星星。这这就就是是太太阳阳系系形形成成的的一一般般轮轮廓廓，也也就是各行星形成过程中的共性。就是各行星形成过程中的共性。在在尘尘层层的的地地球球区区内内，最最大大星星子子成成为为地地球球胎胎。由由于于尘尘层层内内各各区区的的星星子子有有大大致致相相同同的的组组成成，所所以以地地球球吸吸积积生生长长的的初初期期是是均均一吸积的。一吸积的。第六十七页，讲稿共八十四页哦但但是是，由由于于大大星星子子及及行行星