金星自转的动力学演化

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第504页（3463字）

在考察太阳系天体的若干特征时，人们注意到，大行星(特别是其中体积较大的巨行星)以及已测定出自转周期的一些小行星，尽管质量彼此悬殊，但是它们的自转周期却都在几小时到一天左右，这种自转周期的相似性常称为“等周律”。

另外，多数行星的自转方向与其公转方向相同(即顺向)，也就是说，轨赤交角小于90°。由此可以推论，行星的自转状态与它的起源和演化有着密切联系。不过，与各行星自转具有共性的同时，也发现存在着不规则性的一面。在太阳系天体中，金星以其缓慢逆向自转而引人瞩目；它的自转周期等于243d，轨赤交角约为178°。

这样一来，对金星自转动力演化的探讨，就成了人们关注的一个课题，它在太阳系起源和演化的研究中也具有重要的理论意义。

长期以来，人们对金星自转的状况一无所知。这是因为金星被一层浓密的大气覆盖着，无法通过地面光学观测来确定它的自转周期。1959年11月当金星下合时，在美国成功地进行了第一次雷达观测，对观测资料的分析表明，金星的自转是极其缓慢并可能是逆向的。60年代初期，美国科学家曾对金星进行过一系列雷达观测，初步确定金星的自转周期约等于240d(逆向)。

1979年美国夏皮洛(I．I．Shapiro)等重新处理了1964～1977年的雷达观测资料，定出金星的自转周期为243．01±0．03d，轨赤交角近于180°。理论分析表明，如果自转周期等于243．16d，那么在金星每次下合时，都将以同一面朝着地球，这种一个行星的自转与另一个行星的公转相互制约的现象，称为会合共振。新的观测事实的出现，势必引起人们对这种罕见现象的成因进行理论探索的兴趣，1967年戈尔德里奇(P．Goldreich)和皮尔(S．Peale)建立了用来解释金星自转特征的理论模型。

随后又有不少理论研究结果相继发表。

由于太阳作用在金星上的固体潮扭矩大约是地球对金星永久形变部分引力扭矩的100倍，因此在固体潮影响下，金星的原始自转将因潮汐摩擦作用而长期减慢，最终演化成自转周期224．701d，轨赤交角近于0°的轨旋共振态(即自转周期和公转周期通约的状态)。显然，为了能对金星自转处于会合共振态做出圆满的解释，就必须找出在金星自转演化中起过作用的其他因素。

大家知道，金星以其大气层的特殊结构而不同于其他类地行星，在金星自转的动力学演化中，金星大气热潮汐应扮演过不容忽视的角色。理论分析表明，与固体潮扭矩相反，大气潮扭矩对自转速率起加速作用，同时又使轨赤交角朝180°演化。除此以外，如果在金星内部的核与幔之间存在较差自转，那么通过核幔边界面处的粘滞性摩擦作用，也会产生一个使自转变化的扭矩，它对自转速率演化的贡献与固体潮的作用相同，而对轨赤交角的影响却与大气潮相一致。

由上述定性分析可知，在讨论金星自转的动力演化时，必须综合考虑固体潮扭矩、大气潮扭矩、核幔粘滞性耦合作用，以及地球对金星永久形变部分的引力扭矩等的共同影响。

把金星的大气层和行星本体部分视为一个力学系统，该系统的哈密顿函数H可以表示为：

这里，C为金星的极主惯性矩，Ω_♀为其自转角速率，U₁为固体潮势，U₂为大气潮势，U₃为地球对金星赤道永久形变部分的引力势，U₄代表核幔粘滞性耦合作用。其中U₂的计算涉及金星大气密度的潮汐振荡，为了估算出由U₂产生的大气潮扭矩，就必须对金星大气的状态进行实测，并建立适用于金星大气热潮汐的模型。

因此，如何计算大气潮扭矩就成了建立金星自转演化理论模型过程中的主要难点。

自20世纪60年代以来，前苏联和美国对金星共发射了30个空间探测器，获得了大量有关金星大气基本状态的实测资料，可用来建立温度场、压力场、和密度场在金星大气层中的分布。利用数值方法对决定大气潮的流体动力学方程组求解后，可得到金星大气潮中各主要潮波(半日潮和全日潮等)的振幅，然后按全球积分就能求出对金星自转演化有贡献的长期项分量。

金星自转角速率Ω_♀和轨赤交角β的变率与哈密顿函数H的关系可表示为：

式中α为进动角，γ为自转角。已知(1)式中的各项后，通过选配金星的有关物理参数(诸如极主惯性矩C，潮汐洛夫数k，核幔边界处的运动学粘滞系数，金星的品质因子Q等)，易于对一阶线性微分方程组(2)式数值求解。

为了寻找能说明当前金星自转特征的某种机制，并探讨在45亿年期间金星自转演化的可能途径，1988年张承志等引进下述两条假定：(1)当前金星的自转已处于稳定状态，且该状态的时间尺度可取为10亿年左右；(2)金星大气是在约35亿年前形成的，此后它的物理和化学状态基本上保持不变。

然后，利用变步长的七阶龙格－库塔方法对方程组(2)式数值求解，只要对数值计算中所需的若干参数选配合理，计算结果表明金星目前的缓慢逆向自转状态是长期演化的结果。金星的初始自转周期在7^h－2^d间(满足等周律)；而初始轨赤交角落在90°～100°间，这也就是说，金星的逆向自转是具有宇宙成因的，而不是由顺向演化成逆向自转的。这些计算还表明，大约在距今10亿年前，作用于金星上的固体潮扭矩、大气潮扭矩，以及核幔粘滞性耦合作用已基本上能相互抵消，因此通过地球对金星永久形变部分的引力扭矩可以把金星俘获到轨旋共振态，目前金星仍处于这一共振态中。

这就是说，上述理论研究对金星是否处于会合共振态做出了肯定的回答。但是，上述理论计算只给出了关于金星自转演化途径的某些可能的图象；遗憾的是金星自转的实测值毕竟与其会合共振的理论值相差约0．2d，这是否表明金星尚未进入(或已脱离)会合共振态呢?对金星在45亿年前形成后就是逆向自转又如何解释呢?看来，还有不少问题等待着今后的理论研究做出回答。

1990年夏皮洛等分析了美国阿雷西博天文台于1964～1983年对金星的雷达观测资料，求出的金星自转周期为243．026±0．006d(逆向)；自转极的位置是：α₀=272°．25±0°．09，δ。

=67°．10±0°．09。同时，斯莱德(M．A．Slade)利用美国戈德斯通射电天文台于1972～1982年的雷达观测资料，独立地得到金星的自转周期为243．022±0．003d(逆向)；自转极的方向为：α₀=272°．816±0°．14，δ。=67°．218±0°．05。

这些结果表明，不仅自转周期的测定值与会合共振理论值相差约0．15d，而且自转轴的方向既不平行于金星轨道角动量方向，也不平行于太阳系总角动量方向。鉴于上述两组数值符合甚好，这就使人们有理由对金星是否处于会合共振态提出怀疑。

继续提高金星自转矢量检测方法(包括地面雷达和空间探测)的精度，不断改进金星大气潮扭矩的计算方法和理论模型，都将会对揭示金星自转的演化途径起积极作用。

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【参考文献】：

1 Goldreich P,Peale S. Astron J. , 1967,72 : 662～666

2 Shapiro I I,et al. Ap J Lett, 1979,230:L123～L126

3 Shen M,Zhang C - Z. Earth,Moon,and Planets, 1988,43: 275 ～287

4 Shen M,Zhang C-Z. Icarus,1990,85:129 ～ 144

5 Shapiro I I,et al. Astron J, 1990,100:1363～1368

6 Slade M A,et al. Astron J,1990,100:1369～1374

(南京大学张承志教授撰)