冰巨行星

时间:2020-08-08 03:46:06

天王星海王星

冰巨行星(英语:ice giant),是一种主要由比氢和氦更重的气体组成的巨行星,例如氧,碳,氮,和硫。在太阳系里,天王星和海王星均是典型的冰巨行星。它们的质量中包括仅约20%的氢和氦,相对于气态巨行星(木星和土星)的质量中都含有90%以上的氢和氦。但近期有证据显示第三个冰巨行星第九行星存在于太阳系中。在1990年代,人们认识到,天王星和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。木星和土星均有着氢气外层和金属氢内层,而天王星和海王星则有着氢气与氦气外层和“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

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%的成分是氢气,而木星和土星等气态巨行星却有高达90%的成分都是氢气。这些冰巨行星的主要成分为“冰”,即比氢和氦更重的元素。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。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。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。与气态巨行星不同的是,这些冰巨行星的核心缺乏金属氢。

气候

冰巨行星有着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。现在还没有任何模型能够准确解释这些气候系统。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。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。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。除了天王星和海王星外,太阳系外也有冰巨行星的存在。

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。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。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。

磁场

天王星和海王星的磁场均异常地移位和倾斜。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。这些冰巨行星的磁场是来自其电离对流熔融冰幔。

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(地球的赤道半径仅为6378公里)。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。

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255590.896314.541.2719.218497.984.01年17小时14分钟27
海王星247641.115817.151.6430.110427.8164.82年16小时06分钟13
木星714922.481321317.8321.335.20263.0811.86年9小时50分钟66
土星602680.9475595.160.699.554926.729.46年10小时39分钟61
地球63781.001.001.0005.521.000023.441年23小时56分钟1

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