For faster navigation, this Iframe is preloading the Wikiwand page for 坡印廷–罗伯逊效应.

坡印廷–罗伯逊效应

坡印亭-罗伯逊效应(英语:Poynting–Robertson effect),又称坡印亭-罗伯逊阻力,以约翰·亨利·坡印亭霍华德·珀西·罗伯逊命名,是太阳辐射令太阳系中的尘埃微粒,缓慢地往系中心螺旋前进的效应。这种抗力实质上为,与微粒移动方向成切线的辐射压分量。坡印亭在1903年在“以太理论”的基础上,给出这种效应的描述,而以太理论在1905年至1915年间逐渐被相对论所取代。罗伯逊在1937年使用了相对论的概念,来描述这种效应。

解释

[编辑]

这个效应可用两种方式理解,当中会用到不同的参考系

从不同的角度看太阳来的辐射(S)及粒子的热辐射(T):观测者(a)与粒子一起移动,而观测者(b)则相对于太阳静止。

尘埃颗粒环绕太阳而行,从它们的角度出发的话(见右图的(a)部分),太阳的辐射看起来就像是从其稍前方向来的(光行差)。因此吸收这辐射,会导致一股反运动方向的作用力(由于辐射以光速行进,而尘埃的运动速度要被光速慢好几个数量级,所以行差角极其细小)。

把太阳系视作一个系统,从这样一个系统的角度出发的话(见右图的(b)部分),尘埃颗粒只能从它前面的方向吸收到阳光,因此颗粒的角动量不变。然而,根据质能等价,颗粒在吸收光子的同时,还得到了额外的质量。因此为了保证动量守恒(注意动量与质量成正比),颗粒必须减速,因而降到半径较小的轨道。

注意光子的再放射,从颗粒的参考系(a)看来,是均匀的。然而,从太阳系的参考系(b)看来,放射是不均匀的,因此光子会从尘埃颗粒那儿带走角动量。在尘埃颗粒轨道运动不变的情况下,降低角动量似乎有违直觉,但是这是放射时尘埃颗粒的质量减少的直接后果,而角动量与质量成正比。

在理解坡印亭-罗伯逊阻力时,可把它视为一惯性力,其作用方向与尘埃颗粒的轨道运动方向相反,因此它会导致颗粒的角动量下降。需要注意的是,尽管颗粒的角动量下降,但是其轨道速度仍然会持续上升。

坡印亭-罗伯逊阻力等于:

其中v为颗粒的速率,c为光速,W为入射辐射的功率r为颗粒半径,G万有引力常数Ms为太阳质量,Ls为太阳光度R为颗粒的轨道大小。

由于重力与物体半径的立方体积)成反比,而物体接收及放射辐射的功率则与其半径的平方表面积)成反比,因此坡印亭-罗伯逊效应对小的物体,有着更显著的影响。由于太阳的重力与,而坡印亭-罗伯逊力则与成正比,所以坡印亭-罗伯逊效应在物体接近太阳时,效力会相对地提高,而与此同时,效应不单向物体施加阻力,亦会减低其轨道离心率

一大小为几微米的岩质尘粒,从一天文单位外的地方出发,要好几千年才能够移动到会被蒸发掉的距离。

对于比这种尘粒小得多的粒子而言,令它们向外旋出的辐射压,比令它们旋入的坡印亭-罗伯逊效应要强。而对半径约为半微米的岩质尘粒而言,此时辐射压与重力相等,尽管坡印亭-罗伯逊效应还是有影响力的,但是这些粒子总会被太阳风吹出太阳系[1]。中间大小的粒子,会因其大小及初速矢量的不同,而会旋入或旋出。

罗伯逊研究过点源辐射束中的尘埃运动。而盖斯(Guess)也研究过这个问题,但他研究的是球源辐射,并发现远现辐射源的粒子运动,其作用力与罗伯逊下的结论一致 [2]

辐射压所造成的力与重力间的比值,可得无量纲的尘埃参数,其表示式如下:

其中米氏散射系数,而则为尘埃颗粒的密度及大小[3]

尘埃颗粒的运动方程如下:

其中为恒星半径[4]

参考资料

[编辑]
  1. ^ interplanetary dust particle (IDP). Britannica. [2011-11-18]. (原始内容存档于2008-01-05). 
  2. ^ Guess, A. W. Poynting-Robertson Effect for a Spherical Source of Radiation. Astrophysical Journal. 1962, 135: 855–866. Bibcode:1962ApJ...135..855G. doi:10.1086/147329. 
  3. ^ Burns; Lamy; Soter. Radiation Forces on Small Particles in the Solar System. Icarus. 1979, 40 (1): 1–48. Bibcode:1979Icar...40....1B. doi:10.1016/0019-1035(79)90050-2. 
  4. ^ Kressel, J. H. Dust Dynamics in Nascent Protoplanetary Disks. Masters Thesis (Old Dominion University). 1996. 

参考文献

[编辑]
  • Poynting, J. H. Radiation in the solar system: its Effect on Temperature and its Pressure on Small Bodies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Royal Astronomical Society). November 1903, 64 (Appendix): 1–5. Bibcode:1903MNRAS..64A...1P.  (Abstract of Philosophical Transactions paper)
  • Robertson, H. P. Dynamical effects of radiation in the solar system. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Royal Astronomical Society). April 1937, 97: 423–438. Bibcode:1937MNRAS..97..423R. 
{{bottomLinkPreText}} {{bottomLinkText}}
坡印廷–罗伯逊效应
Listen to this article

This browser is not supported by Wikiwand :(
Wikiwand requires a browser with modern capabilities in order to provide you with the best reading experience.
Please download and use one of the following browsers:

This article was just edited, click to reload
This article has been deleted on Wikipedia (Why?)

Back to homepage

Please click Add in the dialog above
Please click Allow in the top-left corner,
then click Install Now in the dialog
Please click Open in the download dialog,
then click Install
Please click the "Downloads" icon in the Safari toolbar, open the first download in the list,
then click Install
{{::$root.activation.text}}

Install Wikiwand

Install on Chrome Install on Firefox
Don't forget to rate us

Tell your friends about Wikiwand!

Gmail Facebook Twitter Link

Enjoying Wikiwand?

Tell your friends and spread the love:
Share on Gmail Share on Facebook Share on Twitter Share on Buffer

Our magic isn't perfect

You can help our automatic cover photo selection by reporting an unsuitable photo.

This photo is visually disturbing This photo is not a good choice

Thank you for helping!


Your input will affect cover photo selection, along with input from other users.

X

Get ready for Wikiwand 2.0 🎉! the new version arrives on September 1st! Don't want to wait?