Газовый гигант
Газовый гигант — планета-гигант, состоящая в основном из водорода и гелия . [1] Юпитер и Сатурн — газовые гиганты Солнечной системы . Термин «газовый гигант» изначально был синонимом « планеты-гиганта ». Однако в 1990-х годах стало известно, что Уран и Нептун действительно представляют собой отдельный класс планет-гигантов, состоящих в основном из более тяжелых летучих веществ (которые называются « льдами »). По этой причине Уран и Нептун сейчас часто относят к отдельной категории ледяных гигантов . [2]
Юпитер и Сатурн состоят в основном из таких элементов, как водород и гелий, причем более тяжелые элементы составляют от 3 до 13 процентов их массы. [3] Считается, что они состоят из внешнего слоя сжатого молекулярного водорода, окружающего слой жидкого металлического водорода , и, вероятно, с расплавленным каменным ядром внутри. Самая внешняя часть их водородной атмосферы содержит множество слоев видимых облаков, которые в основном состоят из воды (несмотря на более раннюю уверенность в том, что воды больше нигде в Солнечной системе не было) и аммиака . Слой металлического водорода, расположенный в середине внутреннего пространства, составляет основную часть каждого газового гиганта и называется «металлическим», потому что очень большое атмосферное давление превращает водород в электрический проводник. Считается, что ядра газовых гигантов состоят из более тяжелых элементов при таких высоких температурах (20 000 К [19 700 ° C ; 35 500 ° F ]) и давлениях, что их свойства еще полностью не изучены. Расположение газовых гигантов Солнечной системы можно объяснить с помощью гипотезы Гранд-Така . [3]
Определяющие различия между коричневыми карликами с очень малой массой (масса которых может примерно в 13 раз превышать массу Юпитера). [4] ) и газовый гигант обсуждаются. [5] Одна школа мысли основана на формации; другой — о физике внутренних дел. [5] Часть споров касается того, должны ли коричневые карлики по определению испытывать ядерный синтез в какой-то момент своей истории.
Терминология
[ редактировать ]Термин газовый гигант был придуман в 1952 году писателем-фантастом Джеймсом Блишом. [6] и первоначально использовался для обозначения всех планет-гигантов . Возможно, это неправильное название, поскольку на большей части объема всех планет-гигантов давление настолько велико, что материя не находится в газообразной форме. [7] За исключением твердых тел в ядре и верхних слоях атмосферы, вся материя находится выше критической точки , где нет различия между жидкостями и газами. [8] Тем не менее этот термин прижился, поскольку ученые-планетологи обычно используют «камень», «газ» и «лед» как обозначения классов элементов и соединений, обычно встречающихся в качестве планетарных составляющих, независимо от того, в какой фазе может появиться вещество. внешняя Солнечная система, водород и гелий называются «газами»; вода, метан и аммиак в виде «льдов»; а силикаты и металлы - «камни». В этой терминологии, поскольку Уран и Нептун в основном состоят из льдов, а не из газа, их чаще называют ледяными гигантами и отличают от газовых гигантов.
Классификация
[ редактировать ]Теоретически газовые гиганты можно разделить на пять различных классов в соответствии с смоделированными физическими свойствами атмосферы и, следовательно, их внешним видом: аммиачные облака (I), водяные облака (II), безоблачные облака (III), облака щелочных металлов (IV) и облака щелочных металлов (IV). силикатные облака (V). Юпитер и Сатурн относятся к классу I. Горячие Юпитеры относятся к классу IV или V.
внесолнечный
[ редактировать ]
Холодные газовые гиганты
[ редактировать ]Холодный богатый водородом газовый гигант, более массивный, чем Юпитер, но менее примерно 500 ) лишь , будет МЭ (1,6 МДж немного больше по объему, чем Юпитер. [9] Для масс выше 500 E гравитация M заставит планету сжиматься (см. Вырожденная материя ). [9]
Нагрев Кельвина-Гельмгольца может привести к тому, что газовый гигант будет излучать больше энергии, чем он получает от своей родительской звезды. [10] [11]
Газовые карлики
[ редактировать ]Хотя слова «газ» и «гигант» часто сочетаются, водородные планеты не обязательно должны быть такими большими, как знакомые газовые гиганты Солнечной системы. Однако меньшие газовые планеты и планеты, расположенные ближе к своей звезде, будут терять атмосферную массу быстрее за счет гидродинамического выхода, чем более крупные планеты и планеты, расположенные дальше. [12] [13]
Газовый карлик можно определить как планету со скалистым ядром, накопившим толстую оболочку из водорода, гелия и других летучих веществ, в результате чего ее общий радиус составляет от 1,7 до 3,9 земного радиуса. [14] [15]
Самая маленькая известная внесолнечная планета, которая, вероятно, является «газовой планетой», — это Kepler-138d , которая имеет ту же массу, что и Земля, но на 60% больше и, следовательно, имеет плотность, указывающую на толстую газовую оболочку. [16]
Газовая планета с малой массой все равно может иметь радиус, напоминающий радиус газового гиганта, если у нее правильная температура. [17]
Осадки и метеорологические явления
[ редактировать ]Юпитерианская погода
[ редактировать ]Тепло, которое поднимается вверх из-за местных штормов, является основным фактором изменения погоды на газовых гигантах. [18] Большая часть, если не вся, тепла, выходящего из недр, поднимается вверх через высокие грозы. [18] Эти возмущения перерастают в небольшие водовороты, которые в конечном итоге образуют штормы, такие как Большое Красное Пятно на Юпитере. [18] На Земле и Юпитере молния и гидрологический цикл тесно связаны друг с другом, создавая сильные грозы. [18] Во время земной грозы конденсат выделяет тепло, которое толкает поднимающийся воздух вверх. [18] Этот двигатель «влажной конвекции» может распределять электрические заряды по разным частям облака; воссоединение этих зарядов происходит молниеносно. [18] Следовательно, мы можем использовать молнию, чтобы сигнализировать нам о том, где происходит конвекция. [18] Хотя на Юпитере нет ни океана, ни влажной почвы, влажная конвекция, по-видимому, действует аналогично Земле. [18]
Красное пятно Юпитера
[ редактировать ]Большое Красное Пятно (GRS) — это система высокого давления, расположенная в южном полушарии Юпитера. [19] GRS — мощный антициклон, вращающийся вокруг центра со скоростью от 430 до 680 километров в час против часовой стрелки. [19] Пятно стало известно своей свирепостью, питаясь даже меньшими юпитерианскими штормами. [19] Толины — это коричневые органические соединения, обнаруженные на поверхности различных планет и образующиеся под воздействием УФ-излучения. Толины, существующие на поверхности Юпитера, всасываются в атмосферу штормами и циркуляцией; Предполагается, что толины, выброшенные из реголита, застревают в GRS Юпитера, в результате чего он становится красным.
Гелиевый дождь на Сатурне и Юпитере
[ редактировать ]Конденсация гелия создает дождь жидкого гелия на газовых гигантах. На Сатурне эта конденсация гелия происходит при определенных давлениях и температурах, когда гелий не смешивается с жидким металлическим водородом, присутствующим на планете. [20] Области Сатурна, где гелий нерастворим, позволяют более плотному гелию образовывать капли и действовать как источник энергии, как за счет выделения скрытого тепла, так и за счет спускания глубже в центр планеты. [21] Это разделение фаз приводит к тому, что капли гелия падают в виде дождя через жидкий металлический водород, пока не достигнут более теплой области, где они растворятся в водороде. [20] Поскольку Юпитер и Сатурн имеют разные общие массы, термодинамические условия внутри планеты могут быть такими, что этот процесс конденсации более распространен на Сатурне, чем на Юпитере. [21] Конденсация гелия может быть причиной избыточной светимости Сатурна, а также истощения гелия в атмосферах Юпитера и Сатурна. [21]
См. также
[ редактировать ]- Список гравитационно закругленных объектов Солнечной системы
- Список типов планет
- Горячий Юпитер
- Ледяной гигант
- Кеплер-1704b
- Коричневый карлик
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Д'Анджело, Дж.; Лиссауэр, Джей Джей (2018). «Образование планет-гигантов». В Диг Х., Бельмонте Дж. (ред.). Справочник экзопланет . Springer International Publishing AG, часть Springer Nature. стр. 2319–2343. arXiv : 1806.05649 . Бибкод : 2018haex.bookE.140D . дои : 10.1007/978-3-319-55333-7_140 . ISBN 978-3-319-55332-0 . S2CID 116913980 .
- ^ Веб-сайт Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, Десять вещей, которые нужно знать о Нептуне
- ^ Jump up to: а б Внутренняя часть Юпитера, Гийо и др., в книге «Юпитер: планета, спутники и магнитосфера» , Багенал и др., редакторы, Cambridge University Press, 2004 г.
- ^ Боденхаймер, Питер; Д'Анджело, Дженнаро; Лиссауэр, Джек Дж.; Фортни, Джонатан Дж.; Сомон, Дидье (2013). «Горение дейтерия на массивных планетах-гигантах и маломассивных коричневых карликах, образовавшихся в результате аккреции с ядром». Астрофизический журнал . 770 (2): 120. arXiv : 1305.0980 . Бибкод : 2013ApJ...770..120B . дои : 10.1088/0004-637X/770/2/120 . S2CID 118553341 .
- ^ Jump up to: а б Бургассер, Адам Дж. (июнь 2008 г.). «Коричневые карлики: неудавшиеся звезды, суперюпитеры» (PDF) . Физика сегодня . Архивировано из оригинала (PDF) 8 мая 2013 года . Проверено 11 января 2016 г.
- ^ Исторический словарь научной фантастики, Статья о газовом гиганте n.
- ^ Д'Анджело, Дж.; Дурисен, Р.Х.; Лиссауэр, Джей Джей (2011). «Формирование гигантской планеты» . В С. Сигере. (ред.). Экзопланеты . Университет Аризоны Пресс, Тусон, Аризона. стр. 319–346. arXiv : 1006.5486 . Бибкод : 2010exop.book..319D .
- ^ Д'Анджело, Дж.; Вайденшиллинг, С.Дж.; Лиссауэр, Джей Джей; Боденхаймер, П. (2021). «Рост Юпитера: образование в дисках газа и твердого тела и эволюция до современной эпохи». Икар . 355 : 114087. arXiv : 2009.05575 . Бибкод : 2021Icar..35514087D . дои : 10.1016/j.icarus.2020.114087 . S2CID 221654962 .
- ^ Jump up to: а б Сигер, С.; Кушнер, М.; Иер-Маджумдер, Калифорния; Милитцер, Б. (2007). «Отношения массы и радиуса твердых экзопланет». Астрофизический журнал . 669 (2): 1279–1297. arXiv : 0707.2895 . Бибкод : 2007ApJ...669.1279S . дои : 10.1086/521346 . S2CID 8369390 .
- ^ Патрик Дж. Дж. Ирвин (2003). Планеты-гиганты нашей Солнечной системы: атмосфера, состав и структура . Спрингер. ISBN 978-3-540-00681-7 .
- ^ «Класс 12 – Планеты-гиганты – Тепло и образование» . 3750 – Планеты, спутники и кольца . Университет Колорадо, Боулдер. 2004. Архивировано из оригинала 21 июня 2008 г. Проверено 13 марта 2008 г.
- ^ Фэн Тянь; Тун, Оуэн Б.; Павлов, Александр А.; Де Стерк, Х. (10 марта 2005 г.). «Транзвуковой гидродинамический выход водорода из атмосфер внесолнечных планет». Астрофизический журнал . 621 (2): 1049–1060. Бибкод : 2005ApJ...621.1049T . CiteSeerX 10.1.1.122.9085 . дои : 10.1086/427204 . S2CID 6475341 .
- ^ Свифт, округ Колумбия; Эггерт, Дж. Х.; Хикс, Д.Г.; Хамель, С.; Касперсен, К.; Швеглер, Э.; Коллинз, ГВ; Неттельманн, Н.; Экланд, Дж.Дж. (2012). «Отношения массы и радиуса экзопланет». Астрофизический журнал . 744 (1): 59. arXiv : 1001.4851 . Бибкод : 2012ApJ...744...59S . дои : 10.1088/0004-637X/744/1/59 . S2CID 119219137 .
- ^ Бучхаве, Ларс А.; Биззарро, Мартин; Лэтэм, Дэвид В.; Саселов, Димитар; Кокран, Уильям Д.; Эндл, Майкл; Исааксон, Ховард; Юнчер, Диана; Марси, Джеффри В. (2014). «Три режима радиуса внесолнечной планеты, выведенные из металличности родительской звезды» . Природа . 509 (7502): 593–595. arXiv : 1405.7695 . Бибкод : 2014Natur.509..593B . дои : 10.1038/nature13254 . ПМК 4048851 . ПМИД 24870544 .
- ^ Д'Анджело, Дж.; Боденхаймер, П. (2016). «Модели формирования in situ и ex situ планет Кеплера 11» . Астрофизический журнал . 1606 (1): в печати. arXiv : 1606.08088 . Бибкод : 2016ApJ...828...33D . дои : 10.3847/0004-637X/828/1/33 . S2CID 119203398 .
- ^ Коуэн, Рон (2014). «Экзопланета массой с Землю не является близнецом Земли» . Природа . дои : 10.1038/nature.2014.14477 . S2CID 124963676 .
- ^ Батыгин Константин; Стивенсон, Дэвид Дж. (2013). «Соотношения массы и радиуса для газообразных планет с очень малой массой». Астрофизический журнал . 769 (1): Л9. arXiv : 1304.5157 . Бибкод : 2013ApJ...769L...9B . дои : 10.1088/2041-8205/769/1/L9 . S2CID 37595212 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Керр, Ричард А. (11 февраля 2000 г.). «Глубокая влажная жара определяет погоду на Юпитере» . Наука . 287 (5455): 946–947. дои : 10.1126/science.287.5455.946b . ISSN 0036-8075 . S2CID 129284864 . Архивировано из оригинала 24 октября 2023 года.
- ^ Jump up to: а б с Паолетта, Рэй (7 октября 2021 г.). «Форма Большого Красного Пятна Юпитера меняется. Вот почему» . Планетарное общество . Проверено 26 апреля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Макинтош, Гордон (29 октября 2007 г.). «Осадки в Солнечной системе» . Учитель физики . 45 (8): 502–505. Бибкод : 2007PhTea..45..502M . дои : 10.1119/1.2798364 . ISSN 0031-921X .
- ^ Jump up to: а б с Моралес, Мигель А.; Швеглер, Эрик; Сеперли, Дэвид; Пьерлеони, Карло; Амель, Себастьян; Касперсен, Кайл (3 февраля 2009 г.). «Фазовое разделение в смесях водорода и гелия при давлениях Мбар» . Труды Национальной академии наук . 106 (5): 1324–1329. arXiv : 0903.0980 . Бибкод : 2009PNAS..106.1324M . дои : 10.1073/pnas.0812581106 . ISSN 0027-8424 . ПМК 2631077 . ПМИД 19171896 .
Экзопланеты |
|---|
