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波得法则、小行星和彗星


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17 世纪德国的波得较详细地研究了太阳系里大行星的排列,提出了一个波得法则。实际上他利用了与他同时代的提丢斯的发现,所以这个法则也称为提丢斯—波得法则。这个法则认为行星轨道大小若用天文单位来计算,就

可以由下列经验公式表达:

an=0.4+0.3×2n-2(天文单位)

其中 n 为行星的序号,不过水星应取 n=-∞。按这个式子在 n=5 的距离上缺一颗行星,木星和土星的 n 应分别是 6 和 7,在 n=8 的距离上发现了天王星,在约相当于 n=9 的距离上发现了海王星。本世纪 30 年代发现的冥王星按说应该是 n=10,但实际上仍接近于 n=9,很可能和它形成的情况有关。冥王星之外是否还有真正相当于 n=10 的大行星,虽然一直引起人们的兴趣,但至今尚未能定论。

提丢斯和波得都认为木星和火星的轨道差别太大,中间似乎还应该有一颗行星。直到 1801 年元旦之夜才发现了名为谷神星的行星,并由著名数学家高斯计算出它的轨道半长径为 2.77 天文单位,正好符合波得法则的预言。不过随后又陆续发现了另外三颗半长径与谷神星接近的行星,到 19 世纪末已经发现了 500 多颗。由于所有这些新发现的行星都很小,其中最大的谷神星半径只有 380 千米,所以它们统统被称为小行星,现在经编号的已有两千多,如果把照片上的暗弱小行星都算上,总数要多达 50 万颗。

小行星的成分可以从它们表面的反射能力来判断。绝大多数小行垦除硅酸盐岩石成分外还含有较多的碳和硫化物,被称为 C 类小行星。另有一些主要为岩石构成,称为 S 类小行星。还有少数由铁、镍之类的金属为主构成,称为 M 类小行星。

波得法则不仅对行星有效,在木星、土星、天王星等卫星较多的卫星系统中也可以找到类似的经验公式。一般规则卫星都满足经验公式,不满足的是不规则卫星。由此看来,波得法则应该有它内在的必然性,很可能和太阳系的诞生和演化过程有关,但至今未得到合理的理论解释。

彗星是太阳系里较特殊的天体,它们的轨道多数是抛物线,少数是极为窄长的椭圆或双曲线。具有椭圆轨道的彗星周期性地在太阳附近出现。彗星的轨道可以与黄道面成任意夹角。

彗星要到离太阳相当近才会被发现,出现肉眼能看到的大而亮的彗星的机会极少。这些大而亮的彗星都有长长的尾巴,被称为扫帚星,不论中外过去都被当做不祥之物,认为它预兆着国家衰亡或其它天灾人祸。20 世纪初,对彗星的本质和运行规律有了很多了解之后,还有人担心哈雷彗星的尾巴扫过地球会形成灾难。实际上当它于 1910 年真的扫过地球时,什么特殊现象也没有发生,证明那都是杞人忧天。

我国古代很早就对彗星的本质有较正确的认识。《晋书·天文志》里说“彗本无光,傅日而为光,故夕见则东指,晨见则西指。在日南北,皆随日光而指,顿挫其芒,或长或短”。彗星离太阳较远时是由尘埃、石块、冰块以及凝成固态的氨、甲烷等化合物结合而成的固体,称为彗核,半径约为百米到几十千米。当它运行到太阳附近时,受到太阳光和热的照射,冷凝物质和固体里吸附的气体挥发出来在核外形成发光的气团,叫做彗发,连同彗核合称为彗头。这时它的大小约可达 10 万千米。当它更接近太阳时,彗发物质受太阳辐射和太阳风的推力,迫使其一部分背离太阳的方向流动,成为彗尾。在太阳附近彗尾的长度可以有一两百万千米,大彗星的彗尾甚至长达上亿千米。彗尾里的物质比实验室的真空还要稀薄很多,根本不可能对地球有什么影响。当然,如果一颗大彗星与地球当面对撞倒是会造成一些灾害。

彗尾其实并不一定尾随彗头,它只是永远背向太阳,彗星绕过太阳向远

方离去时彗尾实际指前方。彗尾的形状随时都有变化。彗尾一般可以分为两部分:由等离子体气态物质构成的离子彗尾和由尘埃物质构成的尘埃彗尾。前者的质点较小受太阳辐射压和太阳风的作用较大,往往形成细长彗尾直接背向太阳;而后者的颗粒较大受太阳风的推力较小,往往散布较宽而且呈弯曲形。

一颗大而明亮的彗星出现时是很壮观的景象,有时甚至可以和日月争辉。不过彗星发光的能量全都来自太阳。彗核靠反射太阳光,是连续光谱,而彗发彗尾则是受太阳辐射和太阳风激发之后的跃迁辐射,光谱里有原子的发射谱线也有分子的发射谱线。彗星物质结合得不紧密,穿越大行星轨道区运行中受到太阳和大行星引力的作用,往往会发生分裂,甚至瓦解成碎片。大彗星发生分裂的机会更多。

彗星的质量至今没有准确测定过,只做过一些估计。以前曾对一颗大彗星进行详细观测,发现它经过木星的卫星附近对卫星几乎毫无影响。后来它与地球的距离曾近到 240 万千米,经测定它对地球绕日周期的影响尚不及 1 秒。按此推算它的质量不可能超过地球质量的 1/5000。现在估计大彗星质量在 1017 至 1022 克,小彗星的质量则只有 1010 克。


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