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行星的形成机制

已有 9743 次阅读 2023-9-10 18:25 |个人分类:行星的形成机制|系统分类:科研笔记

本文涉及世界最前沿科学问题之一：行星如何形成？

宇宙射线，太阳风与CME（日冕物质抛射），使太阳系内充满了等离子体粒子。依据太阳系多重德拜球层（CMDS_日）机制， CMDS_日相邻层间强释电条的磁场约束、聚集等离子体粒子的同时，由等离子体粒子拖动分布在它们中尘埃，冰块，气体团随之聚集。在此基础上，又靠万有引力，逐渐形成行星。太阳系内星体的自转源于CMDS_日相邻层间气旋式星体释电条的驱动。由于CMDS_日相邻层间水星，金星释电条过弱，水星和金星自转过慢。金星轨道曾经大幅向日下沉，导致金星反向自转。金星曾经发生过极其强烈的火山喷发，其喷发物带走了部分金星的角动量，在回落金星表面时输送给了大气，造成了金星大气超旋。

等离子体的磁约束

1. 磁场对等离子体粒子（荷电粒子）施加的洛伦兹力，可使它们绕磁力线作回旋运动而被磁场约束住。如图1所示。

图1.洛伦兹力作用中荷电粒子的运动

2. 磁场的磁应力对等离子体整体施加宏观力约束等离子体。

在磁场中，等离子体粒子（荷电粒子）环绕磁场线的运动所形成的磁场与背景磁场的方向相反，会削弱背景磁场，在等离子体密度越高的区域削减越强，因而使等离子体边界处的磁场强度高于等离子体内部。故产生由等离子体边界向内的磁压力。因此，磁场对等离子体整体有约束作用。

（1）磁压

， B是磁场强度，是真空磁导率。

（2）磁压力

磁场的场强梯度会导致产生力，称为磁压力。沿磁场强度减小方向产生磁压力。任何磁场都有场边界条件所包含的相关磁压力。

如图2所示。

类似于气体的压差产生驱动气体流动的力，等离子体在磁压力作用下沿磁压力方向移动。

图2.磁压的形成示意图

3. 如果等离子体内存在电流，则等离子体电流与其自身产生的磁场的相互作用力（扎缩力）能使等离子体扎缩（约束）。

4. 等离子体的磁约束装置

（1）闭合螺线管

最简单的螺线管的磁场（图3A），可以将等离子体约束一段时间，但是螺线管两端是开口的，等离子体可以从两端逃出，影响约束效果。将螺线管弯曲，并将两端连接起来，构成闭合螺线管（图3B），这样就解决了两端的逃逸问题。

图3.螺线管与闭合螺线管

（2）托克马克

等离子体在闭合环形螺线管的磁场中还是无法很好的约束。由于等离子是高度电离的或完全电离的，其导电性能非常好，如果等离子体在环向上有一个电流，该电流的磁场与螺线管的磁场的合成，会产生一个螺旋环绕等离子体的磁场，约束会更好。

如何让等离子体产生环向电流呢，原理也很简单，就是把闭合螺线管和变压器结合起来，将闭合螺线管及线圈中等离子体整体当作变压器的副线圈，当变压器的主线圈中的电流变化时，在副线圈中等离子体中就会产生环向电流。这就构成了基本的托卡马克结构，如图4A所示。托克马克中磁场螺旋环绕等离子体，使等离子体得到很好的约束, 如图4B所示。托克马克中螺旋环绕等离子体的磁场的形成机制，如图4C所示。通过托克马克磁约束等离子体态的核燃料。可使实现核聚变(1-6)。

图4. 托克马克磁约束

A.托克马克基本结构；B.托克马克中等离子体及磁场；C.托克马克中磁场的形成机制

托克马克磁约束--8.jpg

太阳系内等离子体环境

由于宇宙射线，太阳风与CME（日冕物质抛射），太阳系内充满了等离子体粒子(7-12)。

太阳系多重德拜球层（CMDS_日）

在太阳内部，尤其在其中心区域，由于引力势能与核聚变能量的释放，导致中心区域的物质处于高温等离子体状态。由于正、负荷电粒子的质量差别，它们的扩散率不同，导致在中心区域及附近形成球层形德拜鞘，即电双层。由此进一步衍生出多重德拜球层，即太阳或太阳系多重德拜球层（CMDS_日），相邻层荷电等量异号，如图5所示（13）。

图5.太阳系多重德拜球层（Charged multiple Debye spherical layers of the solar system）

太阳多重德拜球层.jpg

CMDS_日相邻层间释电条及其磁场

CMDS_日相邻层间既有充电又有释电，相邻层间充释电动态平衡。CMDS_日伴随太阳旋转。

1. 高于日球零纬度，CMDS_日相邻层间释电条主要以正气旋方式运动，其磁场类似于通电螺线管的磁场，如图6所示。由于该释电条中还有很小一部分沿释电条中轴线即沿日径向运动，其磁场类似为通电直导线的磁场。则高于日球零纬度，CMDS_日相邻层间同一释电条中两支电流的磁场的叠加后，其磁场（线）螺旋环绕该释电条。这颇似托克马克磁约束。如高于日球纬度3°，CMDS_日相邻层间CMDS_日-⁺（+：小行星带所在层；-：日冕所在层）一个释电条及其磁场，如图7所示。

图6. CMDS_日-⁺相邻层间气旋式释电条

高于日球零纬度，CMDS_日相邻层间中气旋式释电条及其磁场。其中A，C为北半球中释电条及其磁场；B,D为南半球释电条及其磁场。

太阳系多重德拜球层相邻层间释电条-2.jpg

图7.高于日球纬度3度释电条CMDS_日-⁺释电条

2 在极低日球纬度，如小于纬度3度，CMDS_日相邻层间释电条近似沿日经向即沿释电条中轴线运动，其磁场近似为通电直导线的磁场(14-15)。

太阳系中行星的形成

1. 当CMDS_日相邻层间出现相对稳定的巨大高异常电导率区域时，在CMDS_日相邻层间电场的作用中， CMDS_日相邻层间生成途经该区域强大的释电条。

2. CMDS_日相邻层间释电条，在极低日球纬度（0~3°），其正气旋式运动大幅减弱，主要沿日径向即沿释电条中轴线运动，其磁场的场线主要呈以中轴线为中心的同心圆。因此在在极低日球纬度，CMDS_日相邻层间释电条的磁约束力大幅减弱。

3. 行星的形成

（1）在CMDS_日相邻层间释电条的磁场中，释电条中等离子体粒子（荷电粒子）环绕磁场线的运动中所形成的磁场与背景磁场的方向相反，则会削弱背景磁场。由于释电条中轴线附近的等离子体密度高于远离中轴线区域的等离子体密度，则垂直于释电条中轴线，释电条的边界处的磁场强度高于等释电条内部，故产生由释电条边界向内的磁压。即释电条的磁场对释电条本身有约束作用。

（2） CMDS_日相邻层间释电条的磁场的约束力驱动释电条中等离子体粒子，并由等离子体粒子拖动分布它们中尘埃，冰块，气体团，一并向释电条中轴线聚集，如图8所示。

（3）在CMDS_日相邻层间释电条的磁场的约束力作用下，使分布于太阳系等离子体中的尘埃，冰块，气体团聚集。在此基础上，万有引力使尘埃，冰块，气体团等进一步聚集，逐渐形成星仔，行星及巨行星。

（4）因CMDS_日相邻层间行星释电条的上升力抵抗引力，行星通常不会被太阳吞没。

（5）慢速CME或太阳系外等离子体云注入，可在CMDS_日相邻层间形成相对稳定的巨大高异常电导率区域。这是星仔及行星形成的温床。

图8. CMDS_日相邻层间释电条的磁场对离散分布于等离子体中的尘埃，冰块，气体团的聚集

红色虚线：CMDS_日相邻层间释电条中等离子体团。

太阳系内行星运动的动力

1. 行星与太阳系质量中心之间的万有引力，近似为行星与太阳之间的万有引力。

2. CMDS_日相邻层间行星释电条的驱动力。

（1） CMDS_日相邻层间行星释电条驱动行星（沿日径向）上升，旋转。

（2） CMDS_日相邻层间行星释电条的磁场驱动行星按照其磁偶极矩分布于不同的CMDS_日相邻层间。其中，

较强负磁偶极矩的行星分布在CMDS_日-⁺；较强正磁偶极矩的行星分布在CMDS_日+^-。

若较强正磁偶极矩的行星出现在CMDS_日-⁺，则在CMDS_日-⁺该行星释电条的驱动力作用下，会出现，该行星上行至CMDS_日+^-，或迫使该行星内部发生变化（衰变）后，该行星磁偶极矩变负，或者极弱。否则该行星无法在CMDS_日-⁺继续稳定的椭圆轨道运动。

（3） CMDS_日的基本结构的确定，尤其在太阳外部，基于稳定椭圆轨道运动中较强磁偶极矩的行星（如地球，木星），该行星的磁偶磁矩方向必须顺向于CMDS_日相邻层间该行星气旋式释电条的磁场。

例如，在高于日球零纬度，CMDS_日-⁺（+：小行星带所在层；-：日冕所在层）气旋式地球释电条对地球的驱动，如图9所示。

图9. CMDS_日-⁺（+：小行星带所在层；-：日冕所在层）气旋式地球释电条中地球

A. 在日球北半球中，CMDS_日-⁺气旋式地球释电条中地球

B. 在日球南半球中，CMDS_日-⁺气旋式地球释电条中地球

太阳系中地球释电条中地球-3.jpg

讨论

1. 高于日球零纬度，通过CMDS_日相邻层释电条的磁场的约束力，聚集释电条内等离子体粒子，而间接地将离散分布于等离子体粒子中的尘埃，冰块，气体团等聚集。该过程可称之为CMDS_日相邻层间释电条的磁场对尘埃，冰块，气体团的渔网效应。日球纬度越高，CMDS_日相邻层间释电条的磁场的渔网效应越强。

2. 在CMDS_日相邻层间强释电条的磁场的渔网效应下，离散分布在太阳系等离子体中尘埃，冰块，气体团等被聚集，并在万有引力作用下，进一步被聚集，逐渐形成星仔，行星及巨行星。很明显，太阳系中离散分布的尘埃，冰块，气体团，单靠万有引力难以聚集形成星仔及行星。

3. 高于日球零纬度，CMDS_日相邻层间气旋式行星释电条驱动行星旋转。当CMDS_日相邻层间行星释电条的日球纬度太低，导致科里奥利力因数（，：太阳系旋转角速率；：纬度）过小，行星释电条驱动该行星旋转的力过弱。

4. CMDS_日相邻层间行星释电条的纬度范围为（ 0~该行星轨道面与太阳赤道面的夹角）。例如，CMDS_日-⁺地球释电条的纬度范围为（0~7.155°）。

5. 八大行星的轨道面与太阳赤道面的夹角皆高于日球纬度3度。其中，地球：7.155°；水星：3.38°；金星：3.86°；火星：5.65°；木星：为6.09°；土星：5.51°；天王星：6.48°；海王星：6.43°(16-17)。

6. 由于

（1）太阳系内星体的自转源于CMDS_日相邻层间气旋式该星体释电条的驱动。

（2）八大行星与多颗小行星的轨道面与太阳赤道面的夹角相近，即CMDS_日相邻层间这些星体的气旋式释电条分布的最高日球纬度相近，科里奥利力因数相近，气旋式星体释电条螺旋上升的旋转角速率相近。

因此，八大行星与多颗小行星的自转周期的数量级相同。这解释了阿尔文提出的等周律。

7. 由于CMDS_日-⁺水星释电条和CMDS_日-⁺金星释电条已经变得很弱，导致其释电条的磁场的渔网效应也很弱，造成没有卫星围绕它们。

8. 由于水星，金星的轨道面与太阳赤道面的夹角太小，导致CMDS_日相邻层间CMDS_日-⁺该行星释电条太弱，驱动该行星旋转的力太弱，造成其自转太慢。

9. 由于CMDS_日相邻层间CMDS_日-⁺金星释电条太弱，不但驱动金星旋转太慢，同时驱动金星上升的力也太弱，而金星质量较大，在金星与太阳系质量中心之间万有引力作用下其轨道下沉，即金星与太阳间距变小。

10. 金星下沉中，在科里奥利力作用下，反气旋式下沉，造成金星不但正向自转减慢，而且产生反向自转。

11. 在金星由较快正向自转变为极慢反向自转的过程中，尤其在反向自转初期，触发极其强烈的火山喷发，如图10所示，由于

（1）离心力大幅减弱，造成金星多重德拜球层（CMDS_金星）收缩，导致相邻层间CMDS_金星-⁺（-：地壳所在层；+：电离层D所在层）释电增强。CMDS_金星同理于CMDS_地球(18)。

（2）在反向自转初期，因CMDS_金星-⁺（-：地壳所在层；+：电离层D所在层）释电的磁场的方向不顺向于CMDS_日-⁺金星释电条磁场的方向，则在CMDS_日-⁺金星释电条磁场的驱动下，迫使CMDS_金星-⁺（-：地壳所在层；+：电离层D所在层）通过过强释电来削弱CMDS_金星-⁺（-：地壳所在层；+：电离层D所在层）释电。而CMDS_金星-⁺（-：地壳所在层；+：电离层D所在层）过强释电，触发超强火山喷发。