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摘要
本文根据角动量传输原理，阐明了卫星自转周期与公转周期的关系，论述了角动量转换对卫星公转轨道变迁的影响，分析了金星卫星迷失的原因。
关键词：角动量传输原理，卫星自转周期，卫星轨道变迁，金星卫星
月球，人们用肉眼直接能看到的唯一的一颗天然卫星，它有两种运动形式——自转和公转。月球的自转和公转之间有一种很有趣的现象，即随着公转，月球始终以相同的一面对着地球，在地球上总也看不到月球另一面的景色，这说明月球自转周期与公转周期相同。 天文学家通过观测发现，自转周期与公转周期相同现象，在太阳系的卫星中并不罕见。火星的两颗卫星、土星的二十多颗卫星（土卫九除外），都具有这种运动特征。这意味着卫星自转周期与公转周期相同，并不是一种偶然现象，其中必然存在着某种内在的联系。 为什么会出现这种现象呢？卫星运转周期的同步性，反映了卫星自转与公转运动的协调性，它与卫星的角动量转换有关。根据旋转质量场作用效应，太阳与行星间存在着角动量转换关系，当太阳自转角速度大于行星公转角速度时，太阳将向行星传输角动量；反之，当行星公转角速度大于太阳自转角速度时，行星将向太阳传输角动量。太阳与行星之间的这种角动量转移规律，称为角动量传输原理。 卫星的运转与行星具有相似性，卫星与行星之间也遵循角动量传输原理。以地月系为例，地球自转与月球公转之间存在着角动量转换关系。那么，月球的自转相对于地球，又将发生怎样的角动量转换呢？ 在地月之间，月球围绕地球做圆周运动。如果换个角度，让我们站在月球表面，视自己静止不动，就会觉得地球在围绕着月球周转，其情形如同在地球上看太阳的东升西落。以此，我们就可以把月球的自转，转换成地球围绕月球周转这样一种运动形式。假设在月球形成之初，它的自转周期小于公转周期，如十四天自转一周，即在一个公转周期内，月球自转二周。这时在月球上所得出的观测结果是，地球围绕月球周转的角速度小于月球的自转角速度。根据角动量传输原理，月球将向地球传输角动量，月球自转角动量将逐渐减小，表现为自转角速度减慢，自转周期增长，情形与太阳向行星传输角动量过程相同。 如若月球的自转周期大于公转周期，假设六十天自转一周，即在一个自转周期内，月球已公转二周。按照以上推理，相当于地球围绕月球周转的角速度大于月球的自转角速度。根据角动量传输原理，月球将从环绕运动的地球获得自转角动量，表现为自转角速度不断加快，自转周期逐渐缩短。 由此不难看出，无论月球初始的自转速度如何，在角动量传输原理作用下，角动量在月地之间转换必将达到一种平衡，其结果是月球自转角速度与公转角速度渐趋一致，月球自转周期与公转周期相等，这就是月球自古以来始终以相同的一面朝向地球的原因。月球的这一运动规律，同样适用于太阳系内的其他卫星，于是，太阳系中出现了大批自转周期与公转周期相同的卫星。 然而，太阳系中除了这些运转周期同步的卫星以外，同时还存在着大量的自转周期与公转周期不同的卫星，这又该如何解释呢？ 下面就以水星的运动为例，来说明这一问题。水星是太阳系中运动速度最快的行星，绕太阳公转一周的时间为88天。按照角动量传输原理，像水星这样没有卫星的行星，其自转周期应该与公转周期保持同步。最初科学家们也持有这种观点，推断水星的自转周期与公转周期相等，都是88天。但是，1965年经射电天文学家测定，水星的自转周期只有58.646天，远远小于公转周期，这是怎么回事呢？ 如果单纯考虑水星自转产生的角动量转换效应，那么在过去的某一时期，水星的自转周期与公转周期相等，这一点毋庸置疑。可是，在公转轨道上运行的水星，还将受到太阳旋转质量场的作用，结果使水星的公转周期发生了变化。由于水星公转角速度小于太阳自转角速度，所以水星的公转角动量将不断增加，表现为公转半径增大，公转周期增长。就是说，水星的公转周期是一个不断增加的变量，而水星的自转周期又是一个依赖于公转周期的协变量，所以水星的公转周期始终长于自转周期。 卫星的运行状况与水星具有相似性。在行星与卫星之间，由于行星存在着自转，在公转轨道上运行的卫星，与之发生角动量转换，因此卫星的公转角动量始终处在变化之中，这就是卫星自转周期与公转周期不相同的原因。 像月球这样的卫星，由于公转周期变化较慢，相对地来说，自转周期能够跟上公转周期的变化节律，因而出现了自转周期与公转周期相同现象。 二、卫星的公转周期与轨道变迁 火星有两颗卫星，都是顺行卫星，即卫星的公转方向与火星的自转方向相同。天文学家们在长期的观测中发现，这两颗卫星具有两种不同的运动趋势，其中一颗轨道半径逐渐缩小，不断向火星靠近；而另一颗轨道半径逐渐增大，渐渐远离火星。同是火星的卫星，为什么会产生两种不同的运动趋势呢？ 一经分析就可以发现，轨道半径逐渐缩小、不断靠近火星的火卫一，其公转周期为7小时39分，是火星自转周期24小时37分的0.31倍。从火星上看，火卫一这个月亮每天有两次西升东落，这表明火卫一的公转角速度大于火星的自转角速度。根据角动量传输原理，火卫一将把自身的公转角动量传输给火星，转换成火星的自转角动量；而火卫一在失去角动量的同时，公转速度下降，轨道半径缩短，于是产生了向火星靠近的运动趋势。 火卫二的运行状况与火卫一恰好相反，它的公转周期为30小时18分，大于火星的自转周期，即火卫二的公转角速度小于火星的自转角速度。根据角动量传输原理，火卫二将从火星旋转的质量场获得角动量，轨道半径逐渐增大，公转速度不断增加，于是产生了远离火星的运动趋势。 同样道理，我们可以对月球的运动进行预测和分析。由于月球的公转周期为27.3天，而地球的自转周期仅为1天，所以地球的自转角速度大于月球的公转角速度。根据角动量传输原理，地球将不断地向月球传输角动量，表现为地球自转角速度逐渐减小，自转周期逐渐增长；同时，月球的公转角速度逐渐增加，公转轨道半径随之增大，公转周期增长。地球向月球传输的角动量，用公式表示为： L=R m△v = G’Mmt /TR ；（G’= 2πkG） 其中：式中M为地球质量，m为月球质量，t 为月球在轨道上的运行时间，T为地球自转周期，R为月球的轨道半径，k = 0.40为比例系数， G为万有引力常数。 上述公式表明，月球在围绕地球的运动过程中，所获得的公转角动量，与两星体的质量、月球的运行时间三者之积成正比，与地球的自转周期和月球的轨道半径成反比。 地月之间角动量转换所带来的变化是，地球上每个月的天数在逐渐增多，月球在渐渐远离地球。据史前文明遗留下来的玛雅历记载，四亿年前，月球绕地球公转一周的时间比现在短，仅二十天左右，这说明月球的公转周期确实在增长。科学家通过测算，月球每年远离地球约3.8厘米，可见月球远离地球，也是一个不争的事实。 通过以上分析，我们还可以对地球自身运动有所了解。地球自转角速度减慢，意味着每天的时间（小时数）在增加。由此推断，亿万年前，一天的时间比现在短，而将来一天的时间要比现在长。 在太阳系中不仅有顺行卫星，同时还存在着逆行卫星，如木卫八、九、十一、海王卫一等卫星都属于逆行卫星。像这些逆行卫星，由于它们的公转方向与行星的自转方向相反，所以逆行卫星的公转角动量与行星的自转角动量的矢量方向是相反的。逆行卫星在与行星进行角动量转换过程中，行星的公转角动量将直接抵减卫星的公转角动量，其结果是逆行卫星的运动速度将迅速减慢，轨道半径随之缩短，最终坠落于行星之上。鉴于逆行卫星的这种必然结局，由此不难理解，太阳系中现存的逆行卫星少之又少的原因。 三、迷失的金星卫星 金星，在地球的天空中最亮的一颗行星，体积和质量与地球相近，素有地球秭妹星之称。然而，与地球不同的是金星没有卫星，这一点令天文学家们感到十分困惑。因为在太阳系的行星家族中，即使像火星这样的小行星（质量只有地球质量0.11倍），仍携有两颗卫星，而金星却没有自己的卫星，这似乎不合情理。 1672年，法国著名天文学家、巴黎天文台首任台长卡西尼观测到一个离金星十分近的天体，金星有卫星吗？卡西尼决定先不把他的发现公诸于世。但十四年后，在1686年，他再次观测到了这个天体，于是他把这一发现写入了自己的日记。据估计这个天体的直径约为金星直径的四分之一，即3000公里左右，其比例与地月之比相仿，并且与金星有相同的相位。几乎没有人怀疑卡西尼的发现，他的观测技术和经验，在那个时代是无与伦比的，当时的许多天文发现，都是出自他的天文观测。 继卡西尼之后，又有许多人报告说发现了金星的这颗卫星。1740年，英国一位名叫肖特的望远镜制造家发表了他对金星卫星的多次观测资料。德国数学家朗伯还对金星卫星的轨道进行了计算，认为它的轨道半径为40万公里，公转周期为11天5小时。直到1764年，还有三位天文学家报告说观测到了金星的卫星。一时间，金星有卫星一事似乎已成为定论。但自此以后，再没有人提及此事了，因为在望远镜中，人们再没有看到过金星卫星的身影，仅仅事隔300年，这颗卫星就销声匿迹了。 关于金星是否有没有过自己卫星，在天文学界一直存在着争论，下面让我们来探讨这个问题。 5.8亿年前，在太阳系的那场灾变中，地球俘获了“法厄同”星的爆炸碎块，组建了自己的卫星系统。当然，存在至今的只有月球，其余的卫星在与地球的角动量转换过程中，或是获得了公转角动量，轨道半径不断增大，摆脱了地球引力的束缚，驶向宇宙深处；或是失去了角动量，轨道半径不断减小，最终坠落于地球之上。 金星作为临近地球的姊妹星，我们完全有理由认为，它与地球一样，也俘获了“法厄同”星的爆炸碎块，组建起了自己的卫星系统。这些星体碎块有的从金星运动前方切入金星轨道，成为顺行卫星；有的从金星后方切入金星轨道，成为逆行卫星。但金星的自转与地球不同，它是一颗逆向自转的行星，即它的自转和公转方向相反，且自转周期极长为244.3天，正因为如此，决定了金星卫星的命运。 由于顺行卫星的公转方向与金星自转方向相反，所以，在与金星的角动量传输过程中，卫星将失去公转角动量，轨道半径越来越小，终将坠落于金星之上。而逆行卫星公转方向虽然与金星自转方向相同，但它们的公转周期基本都小于金星的自转周期，即卫星的公转角速度大于金星的自转角速度，所以，在与金星的角动量传输过程中，卫星同样要失去角动量，轨道半径逐渐缩小，其结局与顺行卫星相同。就是说，无论是顺行卫星，还是逆行卫星，由于它们在与金星进行角动量转换过程中，都要失去公转角动量，因而轨道半径越来越小，最终都将坠落于金星之上而毁灭，这就是金星卫星系统解体的原因。 因此上说，三百多年前卡西尼确实发现了金星的卫星，只不过这颗卫星在1764年以后已坠落于金星之上。作为一种间接的证据，就是金星当今的大气环境。不难想象，当一颗巨大的卫星以螺旋轨迹坠向金星的情景，山崩地裂、海水蒸发……。观测表明，金星表面的大气压是地球的100倍，大气中二氧化碳的含量可达97%以上，发生着强烈的温室效应；表面温度达480度，没有地区、季节和昼夜的变化；在离地面30—40公里处，有一层厚达25公里的浓云，由浓硫酸雾组成。金星的自然环境十分恶劣；在赤道区，有一条自南向北穿过赤道的、长达1200公里的大裂谷，这是否是卫星撞击所造成的呢？相信当人类宇宙探测器登临金星的时候，一定能找到卫星坠落的证据。 在太阳系中，大多数行星的赤道面与其公转轨道面是近似重合的，但天王星例外，它的赤道面与轨道面的夹角为97.92度，自转轴几乎倒在了轨道面上。即使这样，行星的特殊运动方式，并不影响卫星对行星旋转质量场的依赖关系，五颗卫星都运行在天王星的赤道平面上，与天王星的公转轨道平面保持垂直，这是角动量传输原理作用的结果。 角动量传输原理同样适用于人造卫星，可以推断，在赤道面上运行的人造卫星，如果公转周期小于二十四小时，那么轨道半径将越来越小，最终将在大气层中坠毁；如果公转周期大于二十四小时，那么轨道半径将越来越大，最终将摆脱地球引力的束缚，消逝在宇宙深处；只有与地球自转同步的人造卫星，才能稳定地运行在太空轨道上。 通过分析卫星的运动规律，可以得出这样的结论，所有卫星对行星的自转都具有依赖关系，卫星的自转周期与公转周期具有同步协调性，卫星的公转角动量与行星的自转角动量在运动中互相转换。
参考文献：
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徐万民 （xwm641129@sina.com） 上传2007.04
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