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  • 1 # 艾伯史密斯

    答:太陽系中,擁有行星環是:木星、土星、天王星和海王星;如果你查詢天文學資料,會知道太陽系的八大行星中,這四顆剛好是氣態的巨型行星,其他四顆是固態行星(水星、金星、地球、火星)。

    一、直覺告訴我們,這不會是巧合!

    其實我們瞭解行星環的形成原理後,會發現這兩者就存在因果關係,在瞭解行星環的形成前,我們需要來了解一個重要的概念——洛希極限!一聽就知道是一個歪果仁提出來的!

    沒錯,這是法國數學家兼天文學家洛希,於1850年提出來的概念,他透過牛頓萬有引力定律,從理論上推匯出,一個大天體存在一個引力範圍,在極限之內的小天體,將會被大天體的潮汐力撕碎。

    二、什麼叫潮汐力?

    我們地球的潮漲潮落,就是受到月亮和太陽兩者潮汐力的作用!

    還是不夠形象對吧,那我們來看黑洞吸引恆星的例子,如下圖,恆星被黑洞的引力拉長,就是因為黑洞附近的潮汐力非常大,其原理是一樣的!

    潮汐力的本質就是萬有引力,形成的原因:天體不是理想的質點,而是有體積,導致受到另外一個天體的引力不平衡,因為根據萬有引力定律,兩者靠近一側的部分受到的萬有引力作用大,揹著的一側引力作用小,兩者之差就是潮汐力,當潮汐力足夠大時,就足以撕碎整個天體。

    說到這裡,大家應該想到,行星環為什麼都是些直徑小的天體啦!因為大直徑的都將被行星的潮汐力撕碎了!

    三、那麼為什麼只有大質量氣態行星形成呢行星環呢?

    這個問題的回答,要複雜很多,沒有公式說不清楚,對數學公式過敏的,你只需要知道:大質量的行星,只能形成氣態行星,質量越大,洛希半徑越大,吸引小天體的能力也越大,這是形成行星環的重要條件!然後可以在這止步了!

    ………………

    四、喜歡看數學公式的,可以繼續往下看

    洛希極限的距離邊界是:小天體自身的引力,與大天體造成的潮汐力相等。

    假設F1為小天體m上,質量為u所受小天體的引力,根據萬有引力定律有:

    F2為u所受大天體M的潮汐力,根據潮汐力公式有:

    其中d為大小天體的中心距離,R為大天體半徑。

    根據洛希極限的邊界條件F1=F2,立馬可以得到:

    我們把大小天體看成球形,就可以轉為為密度之間的關係:

    從而得到洛希極限的近似公式:

    這個是把小天體看成剛體時的洛希極限公式,與實際情況範圍小了很多。

    如果把小天體看成流體,流體是由很多質點組成,只由萬有引力提供“聚集”的力量,計算過程將複雜很多,得到的洛希極限範圍也將擴大,準確的公式為:

    其中a為與小天體形狀有關的無量綱係數,估計有人快看不下去啦!

    其實這個公式可以近似簡化為:

    簡單計算洛希極限,這個近似公式已經足夠用,我們單獨拿出來分析。

    五、洛希極限分析

    很容易看到,洛希極限取決於兩個資料,大天體半徑和兩天體的密度差,我們一一分析各種情況:

    (1)當小天體密度,大於大天體密度14.5倍時,即ρm>ρM,有d<R,洛希半徑比大天體自身半徑還小,那麼這個小天體無論放哪都沒事;

    (2)當兩天體密度相等時,洛希極限是大天體半徑的2.44倍;

    (3)當ρM略小於ρm時,其中的(1/3)次方將把兩者比值後的數值,向“1”拉近;

    (4)當ρM略大於ρm時,(1/3)次方也將把兩者比值後的數值,向“1”拉近;

    作為估算,2.44倍大天體直徑夠用,畢竟高密度或者極低密度的小天體並不常見。

    我們需要注意的是,作為分母的R*(ρM)^1/3,這不就是正比於大天體的密度嘛!

    所以,對於固定密度的小天體來說,大天體的質量越大,其洛希半徑越大。而且洛希半徑內,也是環繞大天體做圓周運動(或者近似圓周)的穩定區域,所以這些被撕碎的小天體,可以穩定地圍繞著大天體執行,從而形成行星環。

    而且質量越大的天體,吸引小天體的能力越強,這就導致越大的天體,更容易擁有行星環!事實證明,目前發現的所有行星環,都在洛希半徑內,比如土星最遠的星環距離土星136500公里,而2.44倍土星半徑為146400公里。

    像地球這樣的固態行星,理論上是可以擁有行星環的,但是因為自身引力不夠強大,吸引不了其他小天體;就算吸引到了,也因為洛希半徑的範圍太小,稍微受到擾動就容易失去星環;只有大質量,最好加上低密度的恆星,其半徑才能足夠大,洛希範圍(2.44R)才能足夠廣,從而擁有更大的優勢形成穩定的行星環。

    當然,不是說在洛希半徑內的天體將被無限撕碎,而是看這些天體是由什麼力量聚合的,比如固態的岩石,或者冰塊,就是分子間的作用力,這比萬有引力強的多。

    該力量和大天體的潮汐力相互制衡,使得這些碎塊不能相互聚合,最終形成了土星等氣態行星的行星環。

  • 2 # 地理愛好者

    個人觀點,期待更多優質答案!

    太陽系八大行星,地球排第三,有行星環的行星分別是:木星、土星、天王星和海王星,排在後四位,屬於巨行星(木星、土星)和遠日行星(天王星、海王星)。

    木星、土星、天王星和海王星都有行星環,只不過土星的最為顯眼,其他三個行星環相對暗淡。水星、金星、地球、火星,統稱類地行星,和其他四大行星相比,距離太陽更近。

    行星環是如何形成的呢?

    1、環繞行星的冰物質、岩石碎片和塵埃的體積比較小,無法使團聚成一個衛星,只能以碎片的形式環繞行星運動;

    2、行星環可能是其他天然衛星遭受到撞擊以後的碎片,被行星俘獲,圍繞行星運動;

    3、在洛希極限內受到潮汐力拉扯而瓦解的天然衛星產生的碎屑。為何地球沒有行星環?

    可能地球的體積和質量不夠大,不足以俘獲很多岩石碎片、冰物質、塵埃或者其他天體碎片;可能是地球距離太陽較近,溫度可能使得冰物質更容易融化或者蒸發,或者被太陽吸引吞噬;也可能被木星幫了大忙,擋了下來……

    簡單回答,期待更多優質答案!

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