Газовый гигант — это гигантская планета, состоящая в основном из водорода и гелия . [1] Юпитер и Сатурн — газовые гиганты Солнечной системы . Термин «газовый гигант» изначально был синонимом « гигантской планеты ». Однако в 1990-х годах стало известно, что Уран и Нептун на самом деле являются отдельным классом гигантских планет, состоящих в основном из более тяжелых летучих веществ (которые называются « льдами »). По этой причине Уран и Нептун теперь часто классифицируются в отдельную категорию ледяных гигантов . [2]
Юпитер и Сатурн в основном состоят 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 , с, вероятно, расплавленным каменным ядром внутри. Самая внешняя часть их водородной атмосферы содержит много слоев видимых облаков, которые в основном состоят из воды (несмотря на более раннее согласие, что в Солнечной системе нет воды нигде, кроме Земли) и аммиака . Слой металлического водорода, расположенный в середине недр, 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 не полностью изучены. Размещение газовых гигантов Солнечной системы можно объяснить гипотезой Гранд-Тэка . [3]
Ведутся споры об определяющих различиях между коричневым карликом с очень малой массой (масса которого может составлять всего лишь около 13 масс Юпитера [4] ) и газовым гигантом. [5] Одна школа мысли основывается на формировании, другая — на физике внутренних структур. [5] Часть спора касается того, должны ли коричневые карлики, по определению, испытывать ядерный синтез в какой-то момент своей истории.
Термин «газовый гигант» был придуман в 1952 году писателем-фантастом Джеймсом Блишем [6] и изначально использовался для обозначения всех планет-гигантов . Возможно, это не совсем правильное название, поскольку в 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 планетологи обычно используют «камень», «газ» и «лед» в качестве сокращений для классов элементов и соединений, обычно встречающихся в качестве планетарных компонентов, независимо от того, в какой фазе может находиться материя. Во внешней Солнечной системе водород и гелий называются «газами»; вода, метан и аммиак — «льдами»; а силикаты и металлы — «камнями». В этой терминологии, поскольку Уран и Нептун в основном состоят изо льда, а не из газа, их чаще называют ледяными гигантами и отличают от газовых гигантов.
Теоретически газовые гиганты можно разделить на пять различных классов в соответствии с их моделируемыми физическими атмосферными свойствами, а следовательно, и их внешним видом: аммиачные облака (I), водяные облака (II), безоблачные (III), щелочно-металлические облака (IV) и силикатные облака (V). Юпитер и Сатурн оба относятся к классу I. Горячие юпитеры относятся к классу IV или V.
Холодный, богатый водородом газовый гигант, более массивный, чем Юпитер, но менее 500 M E ( 1,6 M J ) , будет лишь немного больше по объему, чем Юпитер. [9] Для масс выше 500 M E гравитация заставит планету сжаться (см. вырожденная материя ). [9]
Нагрев по Кельвину-Гельмгольцу может привести к тому, что газовый гигант будет излучать больше энергии, чем он получает от своей звезды. [10] [11]
Хотя слова «газ» и «гигант» часто объединяются, водородные планеты не обязательно должны быть такими большими, как известные газовые гиганты из Солнечной системы. Однако меньшие газовые планеты и планеты, расположенные ближе к своей звезде, будут терять массу атмосферы быстрее посредством гидродинамического выхода, чем более крупные планеты и планеты, расположенные дальше. [12] [13]
Газовый карлик можно определить как планету с каменистым ядром, которое накопило толстую оболочку из водорода, гелия и других летучих веществ, в результате чего ее общий радиус составляет от 1,7 до 3,9 радиусов Земли. [14] [15]
Самая маленькая известная внесолнечная планета, которая, вероятно, является «газовой планетой», — это Kepler-138d , которая имеет такую же массу, как Земля, но на 60% больше и, следовательно, имеет плотность, которая указывает на толстую газовую оболочку. [16]
Газовая планета с малой массой все еще может иметь радиус, напоминающий радиус газового гиганта, если у нее правильная температура. [17]
Тепло, которое направляется вверх местными штормами, является основным фактором погоды на газовых гигантах. [18] Большая часть, если не вся, глубинного тепла, выходящего из недр, поднимается вверх через мощные грозы. [18] Эти возмущения развиваются в небольшие вихри, которые в конечном итоге формируют штормы, такие как Большое Красное Пятно на Юпитере. [18] На Земле и Юпитере молнии и гидрологический цикл тесно связаны друг с другом, создавая интенсивные грозы. [18] Во время земной грозы конденсация выделяет тепло, которое толкает поднимающийся воздух вверх. [18] Этот двигатель «влажной конвекции» может разделять электрические заряды в разные части облака; воссоединение этих зарядов — это молния. [18] Таким образом, мы можем использовать молнии, чтобы сигнализировать себе, где происходит конвекция. [18] Хотя на Юпитере нет океана или влажной земли, влажная конвекция, по-видимому, функционирует аналогично по сравнению с Землей. [18]
Большое Красное Пятно (БКП) — это система высокого давления, расположенная в южном полушарии Юпитера. [19] БКП — это мощный антициклон, вращающийся со скоростью около 430–680 километров в час против часовой стрелки вокруг центра. [19] Пятно стало известно своей свирепостью, питаясь даже более мелкими юпитерианскими штормами. [19] Толины — это коричневые органические соединения, обнаруженные на поверхности различных планет, которые образуются под воздействием УФ-излучения. Толины, которые существуют на поверхности Юпитера, всасываются в атмосферу штормами и циркуляцией; предполагается, что те толины, которые выбрасываются из реголита, застревают в БКП Юпитера, заставляя его быть красным.
Конденсация гелия создает жидкий гелиевый дождь на газовых гигантах. На Сатурне эта гелиевая конденсация происходит при определенных давлениях и температурах, когда гелий не смешивается с жидким металлическим водородом, присутствующим на планете. [20] Области на Сатурне, где гелий нерастворим, позволяют более плотному гелию образовывать капли и действовать как источник энергии, как за счет высвобождения скрытого тепла, так и за счет спуска глубже в центр планеты. [21] Это фазовое разделение приводит к тому, что капли гелия падают в виде дождя через жидкий металлический водород, пока не достигнут более теплой области, где они растворяются 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 атмосфере как Юпитера, так и Сатурна. [21]
