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冰巨行星

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天王星
海王星

冰巨行星(英语:ice giant类海行星),是一种主要由比更重的气体组成的巨行星,例如等。在太阳系里,天王星海王星均是典型的冰巨行星[1]。它们的质量包括约20%的氢和氦,而气态巨行星木星土星)的质量中都含有90%以上的氢和氦。在1990年代,人们认识到天王星海王星是一类独特的巨行星,独立于其他的巨行星。

结构

木星、土星、天王星和海王星的内部结构。木星和土星均有著氢气外层和金属氢内层,而天王星和海王星则有著氢气与氦气外层和“冰”内层。
木星土星天王星海王星的内部结构。木星和土星均有著氢气外层和金属氢内层,而天王星和海王星则有著氢气与氦气外层和“冰”内层。
天王星(左上)、海王星(右上)和太阳系类地行星(下)的大小比较
天王星(左上)、海王星(右上)和太阳系类地行星(下)的大小比较

于1990年代,天文学家发现天王星和海王星其实与气态巨行星不同,全因它们只有20%的成份是氢气,而木星土星等气态巨行星却有高达90%的成份都是氢气。[1]这些冰巨行星的主要成份为“冰”,即比氢和氦更重的元素。[1]这些材料在冰巨行星的形成过程中是以固体的状态存在,但现在只存在于某特定情况,如超临界流体[1]尽管冰巨行星的表层仍然是以氢气为主,但在这范围之下的内部区域则大致呈现“冰冻”状态。[1]这些“冰”主要由水、氨与甲烷组成,因此水的状态方程对冰巨行星的形成占有非常重要的地位。[2]与气态巨行星不同的是,这些冰巨行星的核心缺乏金属氢[1][3]

气候

冰巨行星有著变化极大的大气模式,其中包括极地涡旋、强烈的纬向风,和大尺度环流[1]现在还没有任何模型能够准确解释这些气候系统。[1]因为它们的巨大规模和低热导率,行星内部的压力可达数百GPa,而温度则可达数千K。[4][2]于2012年3月,天文学家们发现,冰巨行星中的水的可压缩性可能少于正常的三分之一。[5]这个数据有助于为冰巨行星建模,并能有助天文学家们对它们的理解。[5]除了天王星和海王星外,太阳系外也有冰巨行星的存在。[5]

形成

冰巨行星的大小比气态巨行星小,但仍然比类地行星大。[6]冰巨行星大小受到约束,源于一个重要因素:气态巨行星的形成必须比类地行星快,因为它们要防止原行星盘中的气体消散。[6]根据观测年轻星团中的原行星盘,冰巨行星必须在3-10万年之内形成,之后原行星盘就会开始消散。[6][7]

磁场

天王星和海王星的磁场均异常地移位和倾斜。[8]这些冰巨行星的磁场强度介乎于气态巨行星和类地行星之间,即地球磁场强度的数十倍。天王星和海王星的磁场强度分别是地球的50倍和25倍。[8]这些冰巨行星的磁场是来自其电离对流熔融冰幔。[8]

比较

类木行星(上)、冰巨行星(中)和类地行星(下)的大小比较
类木行星(上)、冰巨行星(中)和类地行星(下)的大小比较

冰巨行星的大小明显比气态巨行星小得多:木星和土星的赤道半径分别是71492公里和60268公里,但天王星和海王星仅有25559公里和24764公里。尽管如此,冰巨行星仍然比类地行星大得多(地球赤道半径仅为6378公里)。[9]而它们的质量、自转周期、卫星数量等亦介乎于气态巨行星与类地行星之间。[10]

比较表

 亮灰色为冰巨行星
 淡棕色为类木行星
 水蓝色为类地行星

比较表
天体 赤道半径
(km)
赤道重力
地球=1
体积
地球=1
质量
地球=1
平均密度
(g/cm)
轨道半径
(AU)
赤道倾角
(度)
公转周期
(地球年)
自转周期
(地球日)
已发现卫星数
天王星 25559 0.89 63 14.54 1.27 19.2184 97.9 84.01年 17小时14分钟 27
海王星 24764 1.11 58 17.15 1.64 30.1104 27.8 164.82年 16小时06分钟 14
木星 71492 2.48 1321 317.832 1.33 5.2026 3.08 11.86年 9小时50分钟 79
土星 60268 0.94 755 95.16 0.69 9.5549 26.7 29.46年 10小时39分钟 82
地球 6378 1.00 1.00 1.000 5.52 1.0000 23.44 1年 23小时56分钟 1

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 M. Hofstadter w/ co-authors - The Atmosphere of the Ice Giants, Uranus and Neptune (PDF). [2013-12-01]. (原始内容存档 (PDF)于2016-05-14).  引用错误:带有name属性“hof”的<ref>标签用不同内容定义了多次
  2. ^ 2.0 2.1 Seeing Deep Inside Icy Giant Planets[永久失效链接]
  3. ^ Seeing Deep Inside Icy Giant Planets[永久失效链接]
  4. ^ Sandia experiments may force revision of astrophysical models of the universe - Sandia Labs. [2013-12-01]. (原始内容存档于2013-11-06). 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 The Interiors of Ice Giant Planets (2012). [2013-12-01]. (原始内容存档于2013-12-13). 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Planetary formation and migration. [2013-12-01]. (原始内容存档于2013-11-15). 
  7. ^ Planetary formation and migration. [2013-12-01]. (原始内容存档于2013-11-15). 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 NATURE AND ORIGIN OF PLANETARY MAGNETIC FIELDS[永久失效链接]
  9. ^ Jack J. Lissauer, David J. Stevenson. Formation of Giant Planets (PDF). NASA Ames Research Center; California Institute of Technology. 2006 [2006-01-16]. (原始内容 (PDF)存档于2009-03-26). 
  10. ^ Podolak, M.; Reynolds, R. T.; Young, R. Post Voyager comparisons of the interiors of Uranus and Neptune. Geophysical Research Letters. 1990, 17 (10): 1737. Bibcode:1990GeoRL..17.1737P. doi:10.1029/GL017i010p01737. 

外部链接

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