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阅读 6312 次 历史版本 0个 创建者:泪鱼 (2014/3/6 14:33:03)  最新编辑:泪鱼 (2014/3/6 14:33:03)
气态巨行星
拼音:Qìtài Jù Xíngxīng(Qitai Ju Xingxing)
英文:Gas giant,Jovian planet
同义词条:Gas giant,类木行星,Jovian planet
  气态巨行星(英语:Gas giant),又名类木行星(英语:Jovian planet),为非以岩石和固态物质组成之巨行星。我们的太阳系有四个气态巨行星:木星土星天王星海王星。近年来,天文学家们亦在太阳系外发现许多环绕其他恒星的气态巨行星。
 
太阳系的气态巨行星内部构造

  大于10倍地球质量之行星即为巨行星。质量较低之气体行星有时也被称为气体矮巨星(gas dwarfs)。质量足以自行氘核融合反应之星体(以太阳主成份为例,至少要13倍木星质量)称为褐矮星,其质量涵盖了大型气态巨行星与低质量恒星之间的范围。然而,国际天文联合会针对气态巨行星的“13倍木星质量”定义上限来自经验法则,并不具精确的物理意义。较大的气态星体将融合自身多数的氘,较小的星体只融合少部份的氘,而13倍木星质量左右的星体的氘融合量则恰好在中间。氘融合量不只取决于质量,亦和星体的成份,尤其与氘氦含量相关。太阳系外行星百科当中甚至记载了质量高达25倍木星质量的系外行星,比过往记载的20倍木星质量高;而太阳系外行星轨道数据库(英语:Exoplanet Data Explorer)也将类木行星质量上限暂定为24倍木星质量。  

命名


  “气态巨行星”(Gas giants)一词为科幻作家詹姆斯·布里士(英语:James Blish)(James Blish)所创。许多争议指出这项命名的错误,因为气体行星中除固态核心之外,大部份物质所承受的温压皆超过临界点,无法区分其液相与气相(参见“超临界流体”)。“流体行星”将会是更贴切的称呼。然而,木星是一个特例:靠近核心的部份以金属氢组成,但星球大部份范围仍以超过临界点的氢、氦、与微量气体为主。气态巨行星的可见大气范围(小于特定光深度值的范围)占整体行星极小的部份,其深度约仅行星半径的1%。科学家因此认为,气态巨行星的可见大气范围皆以气体组成(相对于地球与火星的可见范围,从大气延伸至地壳,而非仅大气本身)。

  然而,这项误导认知的命名法反而广为流行。传统上,行星学家偏好使用“岩石”、“气体”、“冰”来简化常见行星组成物质的分类,并未将该物质实际在星球内部的状态纳入考量。在太阳系外侧,氢与氦被称为“气体”,水与氨被称为“冰”,而硅酸盐与金属则为“岩石”。探讨接近核心的行星深处时,天文学家通常将“冰”指名为氧与碳、将“岩石”指名为硅、并将“气体”指名为氢与氦。这种称呼就目前看来,应与实际情形差异不远。

  气态巨行星的另一种称呼为“类木行星”。这种称呼似乎暗示,所有这类大型气体行星皆和木星类似。然而,天王星海王星与木星、土星的差异之显著,使部份学者仅在探讨木星和土星时才以“类木行星”一词称之,并将天王星与海王星另以“冰巨星(Ice giants)”称之,来彰显其内部以冰为主(形式为液态)的成份。  

行星分类


  气态巨行星可以细分成不同的类型,“传统”的气态巨行星是木星和土星,主要的成分是氢和氦。天王星和海王星因为主要的成分是水、氨、和甲烷,而只是最外层区域的主要成分,所以有时会被细分为“冰巨星”。几乎所有的系外行星都因为轨道紧挨着恒星,或许是因为比较容易被检测出来,因此是表面温度很高的气态巨行星,被分类为热木星,而热木星也是目前的系外行星中最普遍的类型。  

一般特色


  太阳系的气态巨行星内部构造气态巨行星具有浓厚的氢氦大气与硕大的质量。这些行星也可能具有熔融岩石核心,但若该行星本身的具有足够的热能,则其核心可能蒸发并与大气溶合并平均分散于整个行星。“传统”类木行星,如木星和土星,主要以氢与氦所构成。但在天王星与海王星里,氢与氦只构成了大气顶层,其内部主成份为水、氨与甲烷冰。因此科学家们称天王星与海王星为“冰巨星”(Ice Giants)。

  太阳系外行星的其中一类——热木星,为环绕恒星公转半径极小的气态巨行星。这类行星表面温度极高,且因该类行星较易探测之故,为目前已发现的太阳系外行星之大宗。

  一般认为,气态巨行星不具固体表面,但“气态巨行星根本没有表面可言”的说法较为贴切,因为随着与行星核心的距离增加,大气密度呈连续性递减,直到与星际空间几乎相同为止。因此在类木行星上“降落”的可能与否,将取决于其核心的质量与组成。  

太阳系的气态巨行星  

土星木星和土星


  木星与土星的成份以氢氦为主,其中重元素占总值量的3%至13%。据推测,木星与土星的结构大致由气态分子氢的外层包覆著液态金属氢的内层与可能为融熔岩石的核心。大气层最外侧拥有多层水氨云的特征,而内侧的氢在极大的气压下呈现导电的金属物理特性。这层称为“金属氢”的结构占了木星与土星的最大部份。一般认为,木星与土星的核心由较重的元素组成,但在高压下与20000K的高温下,这些元素的特征至今仍鲜为人知…… 木星表面上明显的环带木星大气层里环绕着平行于赤道的带状结构,其外观可见到明亮的“区”(Zones)与深色的“带”(Belts)相互循环著。明亮的“区”位于较高的大气层,拥有高气压中心与上升气流。暗淡的“带”位于较低的大气层,拥有低气压中心与沉降气流。木星与地球的大气皆有高低气压分布的情形,但不同于地球上的块状气压中心分布,木星上的气压中心呈带状分布,等压线几乎和纬线平行,水平包围整个星球。根据推测,这类现象应与行星高速自转与均匀对称的结构有关。木星不像地球,没有大陆与大洋产生的局部大气温差,且自转速度比地球快上许多。不过,木星大气上仍有一些次要结构:分布在各处的大小异色斑点。这些斑点为巨型风暴,有些甚至是闪电风暴;其中以木星上具三百年观测历史的大红斑最为显著。  

天王星和海王星


  天王星、海王星的内部成份与木星、土星有显著差异。自云层顶端向下延伸至85%海王星半径到80%天王星半径的范围为大气外层,同样也富含氢气。在这范围之下的内部区域则大致呈现“冰冻”状态,其组成以水、氨与甲烷为主。该区域也可能存在气体和岩石,但在特定的冰、气、岩比例下,混合物的外观酷似纯冰,故天王星与海王星内部的气体和岩石比例目前仍是未知数。

  由于天王星、海王星极为朦胧的大气当中含有些许甲烷,使两行星的外观分别为婴儿蓝与深海蓝色。两行星皆有与自转轴高度倾斜磁场。

  与其他类木行星不同的是,天王星拥有极为倾斜的自转轴,使天王星拥有极端且奇特的季节变化。  

太阳系以外的气态巨行星  

热木星


  由于目前系外行星侦测法的技术有限,至今发现的大多数系外行星的质量之大,几乎坐落在太阳系的类木行星范围。学界普遍认为,比起土星、天王星和海王星,这些行星和木星的共通点较多,因此部份学者甚至认为,将这些系外行星称为“类木行星”较为妥当。

  许多系外行星都非常靠近母星,其表面温度远超太阳系的类木行星,使科学家不禁怀疑,这些行星当中可能包含太阳系内从未见过的全新行星类型。根据化学元素丰度,宇宙中98%的物质为氢与氦,因此科学家并不认为宇宙中存在质量比木星大且以岩石为主的行星;然而,虽然先前的行星演化理论指出,气态巨行星无法在靠近恒星的区域形成,科学家们却在其他恒星附近发现了违反这项理论的系外热木星。  

冷木星


  一个超过木星质量、未满500倍地球质量(1.6倍木星质量)的冷木星,其体积仅略大于木星。超过500倍地球质量的行星则将因简并压力而缩小。开尔文-亥姆霍兹机制可使一个同木星的气态巨行星释放比从母星吸收之能量还更多的热能。  

较小的气体行星


  鲸鱼座79b,第一个被发现的质量下限小于土星的系外行星在探讨类木行星时,虽然“气体”和“巨”两词经常合并使用,但以氢构成的气体行星未必能演化到同太阳系内类木行星的大小。比起质量较大或公转半径较大的行星,较靠近恒星的小气体行星将因流体逸散导致较快速的大气成份流失。

  已知且可能为气体行星的系外行星当中最小的为開普勒-11f,约为地球质量的2.3倍。

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