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第二部分(1)——天体的收缩

(2009-04-10 18:28:22)
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天体收缩

引力

能量

天体的收缩

本书的第二部分介绍天体的收缩原理,并以太阳系中的天体进行说明。虽然只以行星和卫星等作为例子,但是这种收缩原理同样适用于恒星、黑洞等天体。

引力收缩----天体内能的主要来源

宇宙中分布着各种各样的天体,有行星、恒星、中子星、黑洞等等。在太阳系中,天体也同样分成不同类别。太阳是一颗发光恒星,占据着太阳系绝大多数的质量;水星、金星、地球、火星为大密度的类地行星;木星、土星、天王星、海王星是巨大的气体星球,它们的密度都很小;还存在着冥王星、月亮、谷神星等形状规则的矮行星、卫星和小行星;以及其它形状不规则的小天体以及彗星。

研究分析太阳系中的这些不同类型的天体,我们会发现这样一个规律:小质量的天体都呈现出不规则的形状,当质量达到一定值时,都呈现出规则的球形,当然也存在着由不规则形状到规则球体过度的类型,有一些天体向球形收缩但却没有完全实现,在它们身上可以明显的发现这种收缩的痕迹。由此可以得出这样一个结论:当一个天体的质量达到一定值时,它们都会向球体收缩。对于任何一个物体来说,它们都有向其中心收缩的趋势,而只有当其相对质量达到一定值时,这种形体上的收缩才会实现。

我们来分析一个形状不规则的天体,这样的天体在太阳系中广泛存在,比如小行星或者行星的小卫星。假设这个天体由一块一体的岩石组成,可以将此天体看作一个刚体,为了求此天体任意截面上的压力,可以将这个物体考虑成靠万有引力吸引在一起的两部分,而不考虑内部的分子力,因为分子力对压力没有贡献,如下图所示:第二部分(1)——天体的收缩

第二部分(1)——天体的收缩

太阳系中的小行星多数都是单一岩石组成,这主要是受到其它天体的影响,使这些小天体无法以自己为主体吸引其它更小的天体。当然,如果这个天体表面的重力加速度大于其它天体在此距离上产生的重力加速度,这个天体就可以成为一个可以吸附其它天体的主体,从而发展成为质量更大的天体。从这一点来说,如果太阳系中太阳的形成早于其它天体,就可以推断出行星形成初期的最小质量,现在的科学界不认为行星是靠不断吸引其它天体而不断长大的。因为吸附的小天体只会在很小的程度上增加天体的质量。本文也认为在天体系统形成时便有着与现今近似的质量。

当一个天体的质量不断增大,它会收缩成一个球体。当这个星球的质量进一步增大,它会不会进一步收缩,以及怎样收缩呢?

天体的质量普遍都非常巨大,如果一个单一的大石块质量足够大,它会将自己最薄弱部位压碎并向球型发展。同样,当一个星球质量足够大时,它也会向中心继续收缩,从而在星球内部表现出圈层结构。星球的形成过程目前只是猜想,也许一个星球是由一些成分近乎相同的物质集合而成,星球在形成的早期应当是一个均质球体,内部的收缩机制使它产生了圈层结构。当其内部的组成物质无法承受质量引起的巨大压力时,内部的物质就会重新组合,缩小原子之间的距离,使它们之间的排斥力能够抵抗这种压力,并同时释放出能量。由于原子外围的电子运行在特定的轨道,所以这种压缩原子空间距离产生的结果就是密度在一定范围内一致,从而在星球内部产生了不同密度的圈层。由于巨大的压力压得天体收缩,所以这个过程必然是一个释放能量的过程。如果这个天体未经外力破坏,它内部的能量将一直释放下去,直到枯竭。一个球状天体如果质量太小,则它收缩释放的能量也小,星球表面或者没有火山,或者早已经熄灭。地球有着几个不同的圈层结构,曾经发生过多次的收缩过程,到目前为止,地球内部依然存在着巨大的能量,火山地震仍时有发生。

假设星球是由均质的宇宙尘演化而成,以下图表示:

第二部分(1)——天体的收缩

作者认为上图表示了一个类地行星的演化过程,也许对其它星球也同样适用。如果假设一个星球刚开始形成时是一个均质球体,并近似的将它的密度看作与目前星球表面的密度相似,我们就可以计算出由于天体内部收缩,星球产生了多少热量。

假设当星球内部压力为 P时,组成物质开始重新组合,内部物质密度增加,体积缩小,设收缩前体积为V1 ,收缩后的体积为V2 ,半径由 R1变成R2 。如下图

第二部分(1)——天体的收缩

 

第二部分(1)——天体的收缩

以地球为例,我们先来了解一下地球物理学的有关知识。地球内部的压力是指不同深度上单位面积上的压力,实质上是压强。在地球内部某深处的一点,来自其周围各个方向的压力大致相等,其值与该点上方覆盖的物质的重量成正比。与液体的压力公式相同,地球内部某一点的压力P也可以表示为:P=ρg h(即静压力P 等于其深度 h 和该深度以上的地球物质平均密度 ρ与平均重力加速度 g 的乘积)。

地球内部的压力总是随着深度连续增加的。如果知道了地球内部物质的在各深度上的密度,便可求出不同深度的压力值。例如,地壳的平均密度为 2.75g /cm 3 ,根据地球内部的压力公式,当深度增加 1km ,压力将增加约 27.5MPa。计算证明,压力值在莫霍面处约 1200MPa 、古登堡面处约 135200MPa 、地心处达 361700MPa  

在地球内部,重力因深度而不同。由于地球内部的惯性离心力变得更加微弱,故地球内部的重力可简单地看成是引力。地球大体上是一个由均质同心球层组成的球体,在这样的球体内部,影响重力大小的不是地球的总质量,而只是所在深度以下的质量。如质点位于地下 2885km 深处的核 - 幔界面上时,对质点具有引力的只是地核,而地壳与地幔对质点的引力因其呈圈层状而正好相互抵消。根据上述原理,利用地球内部的密度分布规律,便可求出地球内部不同深部的重力值。从地表到地下 2885km 的核 - 幔界面,重力值大体上随深度而增加,但变化不大,在 2885km 处达到极大值(约 1069Gal )。这是因为地壳、地幔的密度低,而地核的密度高,以致质量减小对重力的影响比距离减小的影响要小一些。从 2885km   到地心处,由于质量逐渐减小为零,故重力也从极大值迅速减小为零。

对地球内部性质的探测主要依赖地震波。地震波的传播如同光波的传播一样,当遇到不同波速介质的突变界面时,地震波射线就会发生反射和折射,这种界面称为波速不连续面。假如地球物质完全是均一的,那么由震源发出的地震波都将以直线和不变的速度前进。但实际分析的结果表明,地震波总是沿着弯曲的路径传播并且不同深度的波速不一致,这表明地球内部的物质是不均一的。传播路线的连续缓慢弯曲表示物质密度和弹性性质是逐渐变化的,传播速度的跳跃及传播路线的折射与反射表示物质密度和弹性性质发生了显著变化。

地震波的传播速度总体上是随深度而递增变化的。但其中出现两个明显的一级波速不连续界面、 一个明显的低速带和几个次一级的波速不连续面。

莫霍洛维奇不连续面(简称莫霍面):该不连续面是 1909 年由前南斯拉夫学者莫霍洛维奇首先发现的。其出现的深度在大陆之下平均为 33km ,在大洋之下平均为 7km 。在该界面附近,纵波的速度从 7.0km /s 左右突然增加到 8.1km /s 左右;横波的速度也从 4.2km /s 突然增至 4.4km /s 。莫霍面以上的地球表层称为地壳。

 

地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据

 

第二部分(1)——天体的收缩

古登堡不连续面(简称古登堡面):该不连续面是 1914 年由美国地球物理学家古登堡首先发现的,它位于地下 2885km 的深处。在此不连续面上下,纵波速度由 13.64km /s 突然降低为 7.98km /s ,横波速度由 7.23km /s 向下突然消失。并且在该不连续面上地震波出现极明显的反射、折射现象。古登堡面以上到莫霍面之间的地球部分称为地幔;古登堡面以下到地心之间的地球部分称为地核。

低速带(或低速层):低速带出现的深度一般介于 60 ~ 250km  之间,接近地幔的顶部。在低速带内,地震波速度不仅未随深度而增加,反而比上层减小 5 %~ 10 %左右。低速带的上、下没有明显的界面,波速的变化是渐变的;同时,低速带的埋深在横向上是起伏不平的,厚度在不同地区也有较大变化。横波的低速带是全球性普遍发育的,纵波的低速带在某些地区可以缺失或处于较深部位。低速带在地球中所构成的圈层被称为软流圈。软流圈之上的地球部分被称为岩石圈。

因此,地球的内部构造可以以莫霍面和古登堡面划分为地壳、地幔和地核三个主要圈层。根据次一级界面,还可以把地幔进一步划分为上地幔和下地幔,把地核进一步划分为外地核、过渡层及内地核。在上地幔上部存在着一个软流圈,软流圈以上的上地幔部分与地壳一起构成岩石圈。

假设地球形成初期是由密度近似于现在地球表面的岩石积聚而成,并且逐渐收缩成现今的圈层结构。地球内部圈层结构数据如上表,则可以求出地球内部圈层在收缩之前的体积。收缩前后的体积差与收缩开始时的压力的乘积就是机械能做功所产生的能量。首先,在地壳的下端,压力达到1200MPa时,地球内部的岩石开始了第一步收缩,地球内部的岩石收缩成了密度3.32-3.64 的物质,也就是上地幔中的物质。可以将地球内部物质的收缩考虑成是阶梯式的,渐进的。比如说,地核中的物质在收缩的时候,是先变成上地幔中的物质状态,之后是下地幔中的物质状态,到最后才成为了地核中的物质状态。

第二部分(1)——天体的收缩

第二部分(1)——天体的收缩

第二部分(1)——天体的收缩

第二部分(1)——天体的收缩

可见,地球收缩产生的能量是相当巨大的,在收缩的初期,整个地球表面都是沸腾的,到处都是火山喷发,地球表面被沸腾的熔岩覆盖,全部的水都被蒸发到了空中,随着时间的推移,热量慢慢散失,最终导致了地球表面冷却下来,岩石凝固成了地壳,内部遗留的能量仍旧以火山和地震的形式释放,即使到目前为止,仍旧没有平静下来。

引力收缩是天体内能的主要来源,只有当一个天体质量足够大,发生了体积收缩的时候,它的内部才会产生能量,那些没有发生体积收缩,即使外形已经成为了球体,它的内部也不会产生能量,那些形状不规则的天体就更不会产生内能了。所以,太阳系中的小天体不会有火山现象。当然,天体的质量越大,内部收缩的就越剧烈,释放的能量也就越多。在行星当中,理所当然的是木星在收缩过程中释放的能量最多。在它收缩的初期,它释放出的能量是如此的巨大,以至于它附近被冰裹着的天体都被木星释放的能量融化蒸发,只留下了内部的岩石,这也正是木星的几个加利略卫星密度相对较大的原因,它们与类地行星的形成相类似。只不过木星释放的能量相对于太阳要小的多,但是它与卫星的距离也要相比类地行星之与太阳的距离也要小得多。金星是地球的姐妹星,它应当与地球有着类似的圈层结构,并且它的内部仍然存在着巨大的能量,象地球一样,火山仍然在它表面喷发。

天体收缩的微观原理

每一个物体都有向其中心收缩的趋势,当物体的自身由于引力产生的内部压力超过了物体组成物质所能承受的最大压力时,这个物体就将向它的中心收缩,并且开始向外释放能量。

天体收缩将使内部原子如何改变,微观上如何进行呢?

天体收缩分为四个阶段,第一阶段是外形上的收缩,当天体质量达到一定值时,天体将由一个不规则的物体向规则的球体转变,在这个过程中,天体体积没有改变,并没有实质的收缩,只是表面积在变小。所以,天体内部没有产生能量,这个过程也不会释放能量。

当这个天体的质量继续增加,就进入了收缩的确第二个阶段,天体内部开始收缩,在天体内部一定的深度,压力将使原子之间相互靠近,天体体积缩小,由压力产生的机械能转化成为内能,以热的形式向外释放,这一阶段体积收缩有限,释放的能量也不会太多,发生的是物理变化,就如同压缩空气一样。

第三个阶段,当天体质量继续增加,内部压力增大,原子之间距离缩短,达到了发生化学反应的距离,内部原子之间就将发生化学反应,原子之间结合的更加紧密,并释放出更多的能量,这部分能量是化学能,天体体积明显缩小并且释放出大量能量。

第四阶段,如果天体质量依旧继续增加,内部压力使原子之间的距离进一步缩短,达到了发生核反应的距离,两个或多个原子就将发生聚变反应,组合成一个大的原子,由于大原子之间的电磁排斥力明显的增加,所以可以抵抗住天体内部的压力。这一步是核反应,将释放出更多的能量。天体的体积明显的缩小,并且由于巨大的质量转化成了能量释放,所以天体的质量也会明显减少。核聚变反应是宇宙中普遍存在的现象,也是产生不同物质的原因。不同于现今的天体内部分层结构形成的原因,本书中的观点是:天体在形成的初期是由近乎成分相同的物质组成的,包括太阳系中的小行星都可以看作是形成行星的基本物质,而这些小天体之间的密度的差别不是很大,所以,不应该是在行星形成的初期,存在着高密度的天体,它们吸引其它低密度的天体形成星球,或者是高密度的碎片沉到了天体的核心,形成了圈层结构,这两种行星内部结构的成因不是本书中的观点。行星都是由近乎均一的物质组成,内部的分层结构是分子或原子间相互靠近,或者重新组合的结果。

当然,聚变反应也不是天体收缩的终点,如果天体的质量足够大,内部的压力极高,质子和中子之间的强相互作用力也无法抗拒这种压力的时候,原子核将被彻底的压垮,质子和中子将会重新组合,形成了与原子不同的新的微粒结构,伴随着这个过程,将会有更多的能量以不同于已知的辐射形式释放。这样的微粒与原子截然不同,以至于它们根本无法在地球上存在,实际上,这样获得的是其它空间中的物质。同样,如果天体的质量继续增加,还会进一步收缩,但是这样的现象已经不存在于我们所生活的空间了。

下面将通过图示解释收缩的不同的阶段微观原理:

1、          第一阶段,由于内部没有发生改变,所以原子之间没有变化;

2、          第二阶段,原子之间的距离缩小,克服了一定的阻力并释放出了少许的

能量;如下图所示:

 

第二部分(1)——天体的收缩

第二部分(1)——天体的收缩

3、         第三阶段,原子之间的距离继续减小,达到发生化学反应的距离时,不

同原子之间将发生氧化还原反应,并且释放出大量能量;如下图所示:

第二部分(1)——天体的收缩

两个原子在内部压力f的作用下相互靠近,原子核之间的距离由 r1变为r2 ,机械能做功为f(r1-r2) ,机械能转化为化学能,并以热能的形式释放出来。

4、          第四阶段,巨大的压力使原子之间达到了发生核反应的距离,原子将发

生聚变反应,原子核重新组合形成新的元素,相信地球内部有很多超重元素来源与此。除了只有一个质子的氢原子之外,所有的元素都是由质子和中子共同构成的,不存在着由单纯的多个质子构成的物质,也不存在只由中子构成的物质。也许只有质子和中子之间的相互作用才能够构成原子核,也就是说,原子核内部的强相互作用也许只是质子和中子之间的作用。一个质子可以通过强相互作用连接一个或多于一个的中子,同样一个中子也可以通过强相互作用连接一个或多个质子。强相互作用需要一个特定的距离,当距离变化时,这种作用将迅速消失。当作用在两个原子上的作用力足够大时,两个原子核将合并成为一个新的原子核。合并的过程如下图:

第二部分(1)——天体的收缩

原子核的变化过程如下图:

第二部分(1)——天体的收缩

外力所做的功为 f*r,并且能量转化为核能。

1、          第五阶段,由于天体的质量非常巨大,以至于原子已经无法承受住这样

的压力,强相互作用已经抵抗不了外来的力,原子核被破坏,核子之间开始发生重新组合,诞生了新的组成元素,天体的体积进一步缩小,释放出了更加巨大的能量。恒星或者黑洞或许就是这样诞生的。合并的过程以下图表示:

第二部分(1)——天体的收缩

 

这一过程形成了带有两份电荷的核子,不带电核子的质量和体积也明显的增加。在两个质子合并成一个新核子的同时,会放出巨大的能量,能量一方面来自于两个质子的撞击,另一方面来源于新的核子的收缩。

当然,如果天体的质量继续增加,天体本身还会收缩,并释放能量,只不过那时所形成的物质距离我们所生活的空间更加遥远。

 

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