冰巨行星

(重定向自冰態巨行星

冰巨行星(英語:ice giant,又稱類海行星),是一種主要由比更重的氣體組成的巨行星,例如等。在太阳系中,天王星海王星均是典型的冰巨行星[1]。在它們的質量大約只有20%是氫和氦,而氣態巨行星木星土星)的質量中通常主要是含有90%以上的氫和氦。在1990年代,人們意識到天王星海王星是另一類獨特的巨行星,獨立於其他的巨行星。

天王星
海王星

結構

 
木星土星天王星海王星的內部結構。木星和土星均有著氫氣外層和金属氢內層,而天王星和海王星則有著氫氣與氦氣外層和「冰」內層。
 
天王星(左上)、海王星(右上)和太陽系類地行星(下)的大小比較

於1990年代,天文學家發現天王星和海王星其實與氣態巨行星不同,因為它們只有20%的成份是氫氣,而木星土星等氣態巨行星卻有高達90%的成份都是氫氣。[1]這些冰巨行星的主要成份為「冰」,即比氫和氦更重的元素。[1]這些材料在冰巨行星的形成過程中是以固體的狀態存在,但現在只存在於某特定情況,如超臨界流體[1]儘管冰巨行星的表層仍然是以氫氣為主,但在這範圍之下的內部區域則大致呈現「冰凍」狀態。[1]這些「冰」主要由水、氨與甲烷組成,因此水的状态方程對冰巨行星的形成佔有非常重要的地位。[2]與氣態巨行星不同的是,這些冰巨行星的核心缺乏金属氢[1][3]

氣候

冰巨行星有著變化極大的大氣模式,其中包括极地涡旋、強烈的緯向風,和大尺度環流[1]現在還沒有任何模型能夠準確解釋這些氣候系統。[1]因為它們的巨大規模和低熱導率,行星內部的壓力可達數百GPa,而溫度則可達數千K。[4][2]於2012年3月,天文學家們發現,冰巨行星中的水的可壓縮性可能少於正常的三分之一。[5]這個數據有助於為冰巨行星建模,並能有助天文學家們對它們的理解。[5]除了天王星和海王星外,太陽系外也有冰巨行星的存在。[5]

形成

冰巨行星的大小比氣態巨行星小,但仍然比類地行星大。[6]冰巨行星大小受到約束,源於一個重要因素:氣態巨行星的形成必須比類地行星快,因為它們要防止原行星盤中的氣體消散。[6]根據觀測年輕星團中的原行星盤,冰巨行星必須在3-10萬年之內形成,之後原行星盤就會開始消散。[6][7]

磁場

天王星和海王星的磁場均異常地移位和傾斜。[8]這些冰巨行星的磁場強度介乎於氣態巨行星和類地行星之間,即地球磁場強度的數十倍。天王星和海王星的磁場強度分別是地球的50倍和25倍。[8]這些冰巨行星的磁場是來自其電離對流熔融冰幔。[8]

比較

 
類木行星(上)、冰巨行星(中)和類地行星(下)的大小比較

冰巨行星的大小明顯比氣態巨行星小得多:木星和土星的赤道半徑分別是71492公里和60268公里,但天王星和海王星僅有25559公里和24764公里。儘管如此,冰巨行星仍然比類地行星大得多(地球赤道半徑僅為6378公里)。[9]而它們的質量、自轉周期、卫星数量等亦介乎於氣態巨行星與類地行星之間。[10]

比較表

 亮灰色為冰巨行星
 淡棕色為類木行星
 水藍色為類地行星

比較表
天体 赤道半径
(km)
赤道重力
地球=1
體積
地球=1
质量
地球=1
平均密度
(g/cm)
轨道半径
(AU)
赤道傾角
(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 95
土星 60268 0.94 755 95.16 0.69 9.5549 26.7 29.46年 10小时39分钟 83
地球 6378 1.00 1.00 1.000 5.52 1.0000 23.44 1年 23小时56分钟 1

參考文獻

  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). 
  2. ^ 2.0 2.1 Seeing Deep Inside Icy Giant Planets[永久失效連結]
  3. ^ Seeing Deep Inside Icy Giant Planets[永久失效連結]
  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[永久失效連結]
  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. 

外部連結