太陽系的演化

太陽系的演化第一頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日太陽系天體行星Planets:

thebigbodiesorbitingtheSun矮行星dwarfplanets:canhavetheirownmoonsbutnotmassiveenoughtoscatterotherobjects衛(wèi)星Satellitesa.k.a.moons:variouslysizedobjectsorbitingtheplanets小行星Asteroids

：smalldenseobjectsorbitingtheSun,10,000inthemainasteroidbeltbetweentheorbitsofMarsandJupiter,and35,000KuiperBelt(30-100AU)objectsgreaterthan100kmindiameter彗星Comets

：smallicyobjectswithhighlyeccentricorbits第二頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日8planets:Mercury,Venus,earth,Mars,Jupiter,SaturnUranus,Neptune5knowndwarfplanets:Ceres(mainasteroidbelt),Pluto,Eris,Makemake,Haumea(Kuiperbelt),butdozenstohundredtobediscovered146moons+21waitingforconfirmation,none/fewaroundrockyplanets,50moonsaroundJupiter

thesystemsofmoonscanbedividedintoregularobjects(spherical)withdirectorbitsversusirregularobjectswitheccentricorbits第三頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日CompositionofSolarSysteminmass

Sun:99.85%

Planets:0.135%

Comets:0.01%?

Satellites:0.00005%?

MinorPlanets:0.0000002%?

Meteoroids:0.0000001%?InterplanetaryMedium:0.0000001%?第四頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Inner

solar

systemOrbitofPlanets,linesComets:whitearrowsAsteroids:yellowdotsrevolveinthesamedirectionasSun,separateorderly,第五頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日InnerplanetslieonathinplaneAsteroidshavelargerorbitinclinationstoeclipse第六頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日

outer

solar

systemNeptune之外很多小天體--Kuiper-BeltPluto和其他一些天體軌道穿越Neptune軌道.這些天體形成一族2:3plutinos短周期彗星外緣與Kuiper-Belt相接第七頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Pluto軌道平面相對(duì)黃道傾斜17度;彗星更大.但行星基本上在一平面第八頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日distant

solar

system第九頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日CometsarenotconfinedtotheEclipticplane,whileasteroidsalmostdo第十頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Eccentricityandinclinationoforbit第十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Comets:classification(accordingtoorbitsize)Comets(>1500withwellknownorbits)LongPeriod(LP)ShortPeriod(SP)NewReturningJupiterfamilyHalleytypeT>200yT<200yT<20yT>20ya>10000AUa<10000AU第十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日PlanetdistanceeccentricityOrbitInclinationtoEclipticEquatorialInclinationToOrbitMercury0.390.20567.07.0Venus0.720.00683.4177.4Earth1.000.0167023.5Mars1.520.09341.924.0Ceres2.770.07910.6Jupiter5.200.04831.33.1Saturn9.540.05602.526.7Uranus19.190.04610.897.9Neptune30.060.00971.829Pluto39.350.248217122.5MainAsteroidbelt2-3.5AUKuiperbelt30-50AUOortcloud3000-100,000AU第十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日自轉(zhuǎn)方向多數(shù)和軌道一致;類木行星自轉(zhuǎn)快第十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日太陽系天體的軌道特征除Pluto之外基本在一平面軌道基本上是圓的，除了水星和Pluto之外軌道方向和太陽自轉(zhuǎn)方向一致行星的自轉(zhuǎn)方向和軌道基本同向小天體主要分布在主小行星帶(火星和木星之間)和Kuiper帶(Neptune之外)短周期彗星遠(yuǎn)日點(diǎn)和Kuiper帶相接第十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日行星分類bycomposition:Terrestrial(類地)orrockyplanets:Mercury,Venus,Earth,andMars:Composition:rockandmetalhighdensities,slowrotation,solidsurfaces,noringsandfewsatellites.Jovian(類木)orgasplanets:Jupiter,Saturn,Uranus,andNeptune:Composition:primarilyofhydrogenandheliumgenerallylowdensities,rapidrotation,deepatmospheres,ringsandlotsofsatellites.bysize:smallplanets:Mercury,Venus,Earth,Mars.diameterslessthan13000km.giantplanets:Jupiter,Saturn,UranusandNeptune.diametersgreaterthan48000km.Thegiantplanetsaresometimesalsoreferredtoasgasgiants.第十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日行星分類bypositionrelativetotheSun:innerplanets:Mercury,Venus,EarthandMars.outerplanets:Jupiter,Saturn,Uranus,Neptune.TheasteroidbeltbetweenMarsandJupiterformstheboundarybetweentheinnersolarsystemandtheoutersolarsystem.第十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日可居住區(qū)域(Habitablezone)液態(tài)水：273K<T<373K溫度估計(jì):行星黑體近似實(shí)際情況比這復(fù)雜：行星不完全吸收(反照率),輻射也非黑體，行星轉(zhuǎn)動(dòng)慢等，實(shí)際溫度比上面高此外跟軌道偏心率也有關(guān)第十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Gasgiantplanets,

JovianSmallrockyplanets類地和類木行星分界與位置上分界一致Terrestrialplanets第十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日MercuryEarth

InternalstructureofTerrestrialplanetsFractionofcoreincreaseswithmass(exceptMercury)第二十頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日J(rèn)upiter

InternalstructureofgasgiantsCore(rockyplanet)metallicH/He:duetohighpressureliquidmolecule:Atmosphere:cloudsofmethaneandammonia1000kmmainly,H2,Her=12,000km50,000kmFortney2007第二十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日PlanetmassEquatorialRadiusAveragedensityRotationPeriodOblatenessAlbedoMercury0.0550.3825.4358.650.00.06Venus0.8150.9495.25243.010.00.77Earth1.001.005.520.9970.00340.30Mars0.1070.5333.931.0260.00520.15Jupiter317.911.191.330.4140.06480.51Saturn95.29.460.710.4440.10760.50Uranus14.544.011.240.7180.0300.66Neptune17.133.811.670.6710.0220.62Pluto0.00220.1822.16.3870.00.60MainphysicalcharacteristicsofplanetsinsolarsystemMostplanetsarefairlyround,giantsplanetsismoreoblatethanrockyplanetsduetolargespin第二十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日fourseasonsofSaturnHST每隔一年,連續(xù)6年的Saturn照片,行星的赤道與黃道夾角27度,有四季,軌道周期7年Magnificentringsinoutplanets第二十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Saturn’sringPhototakenbyCassiniin2004Gap-moonsWaves–excitedbymoons第二十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Theringmadeofathinarrayoficeanddustparticlesinaplane

tilted27degreesfromthemainringplane.Thebulkofitsmaterialstartsaboutsixmillionkilometersawayfromtheplanetandextendsoutwardroughlyanother12millionkilometers.OneofSaturn'sfarthestmoons,Phoebe,circleswithinthenewfoundring,andislikelythesourceofitsmaterial.Verbisceretal.2009,NatureSpitzerdiscoveredanenormousringaroundSaturn:第二十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日小行星(Asteroids)主小行星帶,2.15-3.3AU:最大三個(gè)Ceres(1,003km),Pallas(608km),andVesta(538km).第二十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日KirkwoodgapsGapsoccurat4:1,7:2,3:1,5:2,7:3,and2:1resonances,whileconcentrationsoccuratthe3:2(Hildagroup),4:3(Thule),and1:1(Trojangroup)resonances第二十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日小行星多數(shù)是巖石，少量是鐵Stoneyasteroid

243Idaand

itssatellite

DactylAsdarkassoot,carbonaceousasteroid253

Mathildeisrichincarboncompoundsandother

darksubstancescommonintheouterregionof

theMainAsteroidBelt。Icy

materialclosetoMarsclosetoJupiter第二十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Edgeworth-Kuiper

Belt

ObjectsMostEKOsorbittheSuninadisk-shapedregionlyingmostlywithintheplaneoftheplanetsbeyondtheorbitofNeptune,ormorethan30AUsoutwardsfromtheSun.第二十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Icybody第三十頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Moons第三十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日AgeofoursolarsystemMethod:radioactivedatingofcertaintypemeteorites,whichhasnotbeenalteredsinceitsformation

238U206Pb=4.47Gyr

235U207Pb=704MyrAtomUreplacesZrinZrSiO4duringformationofthemineral,whichrejectsPb235U/238U=1/137.88Calcium-AluminiumInclusion(CAI,鈣鋁包體)

in

carbonaceouschondritemeteorites(碳質(zhì)球粒隕石).

minerals:anorthite,melilite,perovskite,aluminousspinel,hibonite,calcicpyroxene,andforsterite-richolivine

4562.8Myr(Bouvier&Wadhwa2010NatureGeoscience,3,637)

第三十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日太陽系特征總結(jié)主要質(zhì)量集中在太陽(99.85%)，主要角動(dòng)量在行星(99.5%)除Pluto之外基本在一平面軌道基本上是圓的，除了水星和Pluto之外軌道方向和太陽自轉(zhuǎn)方向一致大部分行星的自轉(zhuǎn)方向和軌道方向一致，但夾角分布廣在雪線外氣體行星而在內(nèi)巖石行星：

類木行星：低密、厚大氣、轉(zhuǎn)速快、多月亮、內(nèi)部流體、富冰、H/He

類地行星：高密、薄或者沒有大氣、轉(zhuǎn)動(dòng)慢、巖石，窮冰和H/He第三十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日太陽系特征總結(jié)月亮有二類：球?qū)ΨQ規(guī)則天體直接軌道，和不規(guī)則偏心軌道小行星主要分布在火星和木星之間主小行星帶上，以巖石(硅酸鹽)為主少量鐵；另外Kuiper帶天體，富冰

小行星分布不均勻,存在gap等結(jié)構(gòu)彗星短壽命，來源Oort星云和kuiper帶太陽系形成于4562.8Myr之前第三十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Part2:DynamicProcessesZeroorder:sun’sgravity,closedorbits--KeplerianmotionorbitalperturbationsareimportantforlongtermevolutionM:massofcentralbodym:massoforbitingbodyr:distanceofmfromMmi:massofdisturbingbody“i”ri:distanceofmifromMRi:disturbingfunctionU:GravitationalpotentialDependenceon:massofdisturbingbodyproximitytodisturbingbody第三十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Orbitalperturbations&orbitalelementsPerturbationsThirdbodyNon-gravitationalforcesNon-sphericalmassesLongtermeffectsSources:SolarradiationHeatingPrecession:changeintheorientationoftheorbitSize,shapeandorbitalplane:changein(a,e,i)

oftheorbit第三十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Orbitalperturbations:consequencesCollisionsImportantintheearlysolarsystemNotonlytheresultofperturbationsCapturetoorbitImportantforgiantplanetsScatteringofsolarsystemobjectsEscapeorbitsDistantpopulationsofsmallbodiesChaoticorbitsStableorunstableconfigurations:resonances第三十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Whatisaresonance?

IntegerrelationbetweenperiodsPeriodicstructureofthedisturbingfunctionRiResonancesOrbit-orbitSpin-orbitMeanmotion(orbitalperiods)Secular(Precessionperiods)(usuallyamplificationofe,i)(e.g.Earth-Moon)tidallockingPerturbationsaddupcoherently第三十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Mean-motionresonanceSimple,smallintegerrelationbetweenorbitalperiods(Kepler’s3rdlaw)

Favoredmeanmotionresonanceinsolarsystem:T1:T2=N/(N+1),N:smallinteger

第三十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Example2:1meanmotionresonancet=0t=T1t=2T1=T2tT12T14T16T18T1…R120第四十頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Example2:1resonanceSatellite1:2:1resonantorbitwithEarth’smoon(green)Satellite2:notinaresonantorbit(yellow)第四十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Resonanceinthesolarsystem:afewexamplesJupitersmoons(Laplace)Ioin2:1resonancewithEuropa,Europain2:1resonancewithGanymedeSaturn’smoons&ringsMimas&Tethys,Enceladus&Dione(2:1),GravitywavesinSaturn’sringsKirkwoodgapsinasteroidbeltResonancescanleadtoeccentricorbitscollisionsEmptyregionsofasteroidsTrojanasteroids:(1:1resonancewithJupiter)第四十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日LagrangianpointsAnanalyticsolutiontothe3-bodyproblemispossibleforaspecificcase:withtwoco-orbitingbodieswithnearlycircularorbitsandathirdsmallbody.Therearefivepointsatwhichthethirdbodycanbeplacedanditwillremainfixedrelativetotheothertwobodies.OnlyL4andL5arestable.Potentialintheco-rotationframeZerogradient第四十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日MMRcanleadtoeitherstabilizingorde-stabilizing.Theconditionforthestabilizingisthetwoobjectsneverapproaching,exampleTrojansandGreeksin1:1MMRwithJupiter.第四十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日MMRinKuiper-BeltAsurprisingobservationalresultisthatmanyoftheKuiperBeltobjectsareinornearameanmotionresonancewithNeptune.第四十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日SecularresonanceTheprecessionoftwoorbitsissynchronized(aprecessionoftheperihelion,oftheascendingnode,orboth).Asmallbodyinsecularresonancewithamuchlargerone(e.g.aplanet)willprecessatthesamerateasthelargebody.Overlongtimes(amillionyears,orso)asecularresonancewillchangetheeccentricity(e)andinclinationofthesmallbody(i).Resonance:g=gn(perihelion:affectse)s=sn(nodal:affectsi)Credit:Mobidellitalk2008第四十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日TidallockingTidallockingmakesonesideofanastronomicalbodyalwaysfaceanother,liketheMoonandtheEarth.Atidallylockedbodytakesjustaslongtorotatearounditsownaxisasitdoestorevolvearounditspartner.地球的不同部分受力不等(距離不同)TidalbulgerRsPCxy地球中心:二極壓縮,軌道平面拉伸第四十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日由于地球轉(zhuǎn)動(dòng)角速度比月亮球軌道快,

tidalbulge超前,月亮受到向前的力,地球把角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給月球,月球軌道半徑增大,地球自轉(zhuǎn)變慢，直到同步。類似月球也受地球潮汐力作用，月球自轉(zhuǎn)與軌道同步可能此起因.第四十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日AfewexamplesoftidallockingMercuryistidallylockedtotheSunina3:2rotation-orbitresonanceMostmoonsinsolarsystemsaretidallylockedwiththeirprimariesPlutoandCharonareanextremeexampleofatidallockedeachother.Charonisthelargestplantinsolarsystem,andveryclosetothePluto.第四十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Disk-Planetinteraction:TypeIMigrationInteractionbetweensmallplanetandthemassivegasdiskcanbesignificantinthevicinityofLindbladresonancesmisaninteger,ke~,epicyclicfrequencymeangasangularvelocityEquivalenttoMMRParticlesinthediskdonotmoveinacircularorbit,butwithadditionalepicyclemotion.Inthecasem=1,theymovesinanorderedeccentricorbits(spiralwave)..第五十頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Planetexcitedaspiralwaveinthedisk.Thediskoutsidetheorbitexertsanegativetorqueontheplanetswhereasdiskinsideimposeapositivetorque.OuterLindbladresonancesliesclosertotheplanetthaninneronesstrongertorquePlanetmigratesinwardThetorquelowerseandi第五十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Giantplanetsexerttidaltorquesonsurroundinggas,repellingitandformingagapindisk.Diskalsoexertsatorqueontheplanet,causingradialmigration.

Disk-Planetinteraction:TypeIImigrations第五十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Tidaltorqueondiskwithsurfacedensity

ΣfromplanetatrpViscoustorqueGapopenedifTt>Tv

whichmeansWardetal.(1997),Icarus,126,261第五十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Planetiscoupledwiththedisk;diskmaterialinflowonviscositytimescales第五十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日J(rèn)anus,179kmPrometheus(86,km)MoonDaphnis(8kilometers)Keelergapanalogyofplanet-diskinteraction:moon--Saturnring第五十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，2022年，8月28日Planet-asteroidinteraction:scatteringmigrationAplanetgainsenergyandmovesoutwardwhenitscattersanobjectintoacloserorbit;itlosesenergyandmovesinwardwhenitscattersanobjectintoafartherorbit.-energyconservation-NeptunescattersobjectsinKui