有一个点比较容易被忽略,但却很重要:角动量。
整个太阳系,太阳的质量占了99.86%之强,但是角动量却完全反了过来,只弱弱地占了0.6%。木星作为离太阳足够远、质量高达所有太阳以外天体质量2.5倍之多的庞然大物,角动量雄踞太阳系榜首。
所以只对调位置是有点不负责任的,还要确定它们的轨道速度是否也要对调。鉴于有“地球上会看到怎样的景象”这样的问题,我猜题主是想问一个稳定态下的场景,那么就假设要使它们的轨道速度也发生交换。这样重新算出的需要木星、金星达到的角动量是:
木星:7.27e42
金星:4.94e40
也就是说,除太阳以外的部分的角动量,减少了1.8641e40 + 1.9292e43 - 7.27e42 - 4.94e40 = 1.199e43
由于角动量守恒,我们在交换金木二星的过程中,一定是把这些损失的角动量转移到了其它地方。转移到哪儿呢?
从上表可知,e43量级的角动量转移到任何一颗行星上,都会导致它大幅加速,从而形成一个偏心率超高的新轨道,甚至可能直接甩飞出太阳系;这样的一颗行星,有很大概率会在数万年尺度内与其它行星发生碰撞,从而产生大量陨石;如果是这样的话,在地球上看到的场景将会是:
这显然不是题主想看到的稳态。所以吃瓜群众纷纷看向了唯一能接住这巨量能量的天体——太阳。
太阳的角动量为1.88e41,比损失的值1.199e43少了两个数量级,它真的接得住吗?接得住,并且对太阳来说没什么实质损失,甚至还会让它的寿命变得更长——只不过发生的变化对于人类来说仍然是一场浩劫。当太阳的角动量增加到1.88e41+1.199e43=1.22e43时,发生的事情是这样的:
太阳的平均角速度增加了100倍,最外层的物质从2km/s(赤道附近)提速到了200km/s,达到了太阳表面的逃逸速度617km/s的三分之一,离心力的加大导致太阳的形状发生巨大变化,极半径会减少几乎10%,变得更扁:
但这不是重点,重点是,由于自转加快,核心区域受到的重力被抵消,这会导致两件事:1,太阳整体体积增大;2,核心区域的温度降低,压力降低,进而导致核聚变速率降低——太阳功率下降了。
第一点还好,体积增大会使外层大气更快地逃逸到太空,太阳风会变强一些而已;第二点就很致命了——接收到的太阳能大幅减少,地球会变得非常冷。冷到比电影《后天》中的台风眼更冷的程度,冷到自然界再也找不到液态水的程度。如果愚蠢的人类没有充足的时间去应对,基本上是要嗝屁的节奏。唯一的好消息是,太阳可以多活几亿年了。
不过话说回来,能交换行星轨道,有这种天顶星科技怎么会被冻死?于是第二种设想就值得讨论了:如果金木二星只是瞬间交换了位置,却保留了各自的轨道速度呢?
运用高中物理知识可知,金星会划出一条偏心率超高的椭圆轨道,而木星,由于它的轨道速度远低于金星,它此时的位置就是远日点——它会非常靠近太阳,成为热木星。
有一些问题值得假想:
参考:
(多图预警)
好了,现在我们用超级空间转移技术(?)把木星转移到了金星轨道附近——
然後派遣地球轨道上的宇航员向新搬来的木星拍了一张照片....
木星有将近12个金星直径的大小,可以看到,从地球附近看金星位置上的木星,已经是一个足够大的小黑点了!(奇怪的修饰词
在地面上,甚至昼间都可以看到木星。因为木星体积巨大,视星等(天体亮度的单位,越低天体就越亮)也会远低于金星的视星等-4.6,木星会成为黄昏黎明、甚至全天可以用肉眼看到的一颗亮星。
这样一来,从地球上近距离观测木星就成了一件非常方便的事情,刚开始入门天文望远镜的天文爱好者肯定首先会把望远镜对準木星,然后拍一张大红斑的特写之类的。各国航天局肯定也会策劃大量的木星及其卫星们的探测任务(如果卫星们也转移过来了的话)。
至于体积庞大的木星是否会对周边的星球造成影响,只能说短期内影响甚微(当然短期是以万年为单位的)
我试着模拟了木星转移到金星轨道上1000年後的轨道情况,木星逐渐形成了比原本金星轨道稍大的近圆形稳定轨道,並逐渐影响水星轨道,使其从原本的椭圆轨道变成了近似圆形的轨道。
(下面的gif大约有8.25MB)
每次靠近地球时,地球都会受到木星引力的影响而發生轻微的轨道偏移。在短期内影响不大,但长期作用下可能会导致地球与木星的相近点间的距离越来越短,最终将地球抛到太阳系外围(甚至相撞)。
木星有着太阳系最庞大的卫星系统,共有79颗已知的卫星(截止2019年年初),如果所有卫星也跟着木星一块儿过来了,可能是下面这个样子:
那么地球被木星外围小卫星袭击的概率也会很大...
我们先来看看木卫二的大气压,大约是0.1 µPa,幾乎可以忽略不计,根据水的相位图,我们知道在气压接近于零时,冰会直接升华为水蒸气。
因此,汪洋大海的景象不会出现在木卫二上,木星周围各个由水冰和硅酸盐组成的卫星表面的冰会逐渐升华成为水蒸气並逃逸到太空里,最後被太阳风吹到太阳系外围...
不过不排除在此期间木卫二上会大量出现“蒸汽喷泉”的现象!
上百千米的喷泉直衝天空,肯定会非常壮观...!
不过,木星原本充当了一个帮助地球抵御小行星侵犯的"守卫"(当然这不是他的本意),想要潜入内太阳系的小行星不是被木星巨大的引力"掰弯"了轨道就是被木星纳为它的卫星(或者撞进它怀里),如果木星离开了原本的位置,就会导致部分外太阳系的小行星肆虐地球...
想起来也挺恐怖的..
金星到了木星轨道上对它本身的影响不会很大,在轨道上对地球也近乎没有影响(毕竟太远了..)。
不过很难说不会对金星厚重的大气层内的温室作用产生影响,金星的温室效应本身是由于受到的大量太阳辐射被大气内充实的温室气体(比如二氧化碳,水蒸气等)吸收导致表面温度極高,反过来高温又导致岩石裏放出更多的温室气体,使得金星常年气温高达400℃。
我认为让金星远离太阳後,由于受到太阳辐射变少,金星極端的温室效应也会逐渐变缓,甚至出现短暂的“宜居期”,不过作为一个没有磁场存在的星球,金星的情况最终大概会变得比现在的火星更差。
不过金星有地热资源可以利用.. 在木星位置上的话将会成为人类探索外太阳系的重要中转站...
根据评论区裏 @特殊的临时工 的提醒:木星在过于靠近太阳时,可能会受到过多太阳辐射而膨胀,最终向着“热木星”演化。大概长这样↓
热木星是一类行星的划分,指过于靠近它的主恒星的气态巨行星。他们由于受到大量的恒星辐射而体积庞大,温度極高。
木星到金星的位置後不一定会成为热木星,但也会因为受到更多的热量而逐渐升温膨胀並丢失大气。
(二更)
对于木星的卫星,还应该考虑到木星在靠近太阳后希尔球也会变小,导致外围卫星离开轨道。
希尔球是指一个天体的引力能束缚更小的天体,且更小的天体不会被更大的天体所控制的空间。
简单来说就是:木星能束缚住自己的卫星的空间范围,在这个范围内太阳的引力不会夺走木星的卫星。
希尔球半径的计算公式是,其中 和 分别是天体(木星)和它所围绕的天体(太阳)的质量, 是天体轨道的半长轴, 是它的轨道离心率。
木星原本的希尔球半径约有5300万公里,在转移到金星轨道後,将近圆形的轨道离心率看似接近于0,就可以计算它的希尔球半径: , 它的希尔球半径减小到了约738.87万公里——对于绝大多数卫星来说,已经是可以逃离木星引力范围的程度了!
我们来看看最靠近木星的十颗卫星的半长轴长度:
其中最靠近木星的4颗卫星木卫十六~木卫十四,统称为内圈卫星,稍微靠外的木卫一~木卫四统称为伽利略卫星,这8颗卫星沿着幾乎呈正圆的顺行轨道公转,轨道相对木星的赤道面倾斜度近乎零,所以又称为规则卫星。其余的所有卫星都叫做不规则卫星,其中又劃分为数个卫星群,这里就不细说了
可以从表中看到,在79颗卫星中,只有8颗规则卫星在希尔球范围内,也就是说,除了最靠裏的8颗规则卫星外,截至目前發现的其余71颗不规则卫星会全部逃离轨道!(不考虑卫星相互碰撞导致卫星进入希尔球范围)
到时候,对内太阳系其他行星肯定是一场灾难...
就写到这里了orz