Газовый гигант — планета-гигант , состоящая в основном из водорода и гелия . [1] Газовые гиганты также называются несостоявшимися звездами , потому что они содержат те же основные элементы, что и звезды . [ необходима цитация ] Юпитер и Сатурн — газовые гиганты Солнечной системы . Термин «газовый гигант» изначально был синонимом « планеты-гиганта ». Однако в 1990-е годы стало известно, что Уран и Нептун действительно представляют собой отдельный класс планет-гигантов, состоящих в основном из более тяжелых летучих веществ (которые называются « льдами »). По этой причине Уран и Нептун сейчас часто относят к отдельной категории ледяных гигантов . [2]
Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия, 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 , и, вероятно, с расплавленным каменным ядром внутри. Самая внешняя часть их водородной атмосферы содержит множество слоев видимых облаков, которые в основном состоят из воды (несмотря на более раннюю уверенность в том, что воды больше нигде в Солнечной системе не было) и аммиака . Слой металлического водорода, расположенный в середине внутреннего пространства, 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 полностью не изучены. Расположение газовых гигантов Солнечной системы можно объяснить с помощью гипотезы Гранд-Така . [3]
Определяющие различия между коричневым карликом с очень малой массой (который может иметь массу примерно в 13 раз больше массы Юпитера [4] ) и газовым гигантом обсуждаются. [5] Одна школа мысли основана на формации; другой — о физике внутренних дел. [5] Часть споров 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 Блишом [6] и первоначально использовался для обозначения всех планет-гигантов . Возможно, это неправильное название, поскольку на 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 ученые-планетологи обычно используют «камень», «газ» и «лед» в качестве сокращений для классов элементов и соединений, обычно встречающихся в качестве планетарных составляющих, независимо от того, в какой фазе может появиться вещество. Во внешней Солнечной системе водород и гелий называются «газами»; вода, метан и аммиак в виде «льдов»; а силикаты и металлы - «камни». В этой терминологии, поскольку Уран и Нептун в основном состоят из льдов, 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 смоделированными физическими свойствами атмосферы и, следовательно, их внешним видом: аммиачные облака (I), водяные облака (II), безоблачные облака (III), облака щелочных металлов (IV) и облака щелочных металлов (IV). силикатные облака (V). Юпитер и Сатурн относятся к классу I. Горячие Юпитеры относятся к классу IV или V.
Холодный, богатый водородом газовый гигант, более массивный, чем Юпитер, но менее примерно 500 МЭ (1,6 МДж ) , будет лишь немного больше по объему, чем Юпитер. [9] Для масс выше 500 M E гравитация заставит планету сжиматься (см. вырожденную материю ). [9]
Нагрев Кельвина-Гельмгольца может привести к тому, что газовый гигант будет излучать больше энергии, чем он получает от своей родительской звезды. [10] [11]
Хотя слова «газ» и «гигант» часто сочетаются, водородные планеты не обязательно должны быть такими большими, как знакомые газовые гиганты Солнечной системы. Однако меньшие газовые планеты и планеты, расположенные ближе к своей звезде, будут терять атмосферную массу быстрее из-за гидродинамического выхода , чем более крупные планеты и планеты, расположенные дальше. [12] [13]
Газовый карлик можно определить как планету со скалистым ядром, накопившим толстую оболочку из водорода, гелия и других летучих веществ, в результате чего ее общий радиус составляет от 1,7 до 3,9 земного радиуса. [14] [15]
Самая маленькая известная внесолнечная планета, которая, вероятно, является «газовой планетой», — это Кеплер-138d , которая имеет ту же массу, что и Земля, но на 60% больше и, следовательно, имеет плотность, указывающую на толстую газовую оболочку. [16]
Газовая планета с малой массой все равно может иметь радиус, напоминающий радиус газового гиганта, если у нее правильная температура. [17]
Тепло, которое поднимается вверх из-за местных штормов, является основным фактором изменения погоды на газовых гигантах. [18] Большая часть, если не вся, тепла, выходящего из внутренних районов, поднимается вверх через высокие грозы. [18] Эти возмущения перерастают в небольшие водовороты, которые в конечном итоге образуют штормы, такие как Большое Красное Пятно на Юпитере. [18] На Земле и Юпитере молния и гидрологический цикл тесно связаны друг с другом, создавая сильные грозы. [18] Во время земной грозы конденсат выделяет тепло, которое толкает поднимающийся воздух вверх. [18] Этот двигатель «влажной конвекции» может распределять электрические заряды по разным частям облака; воссоединение этих зарядов происходит молниеносно. [18] Таким образом, мы можем использовать молнию, чтобы сигнализировать нам о том, где происходит конвекция. [18] Хотя на Юпитере нет ни океана, ни влажной почвы, влажная конвекция, по-видимому, функционирует аналогично Земле. [18]
Большое Красное Пятно (GRS) — это система высокого давления, расположенная в южном полушарии Юпитера. [19] GRS — мощный антициклон, вращающийся вокруг центра со скоростью от 430 до 680 километров в час против часовой стрелки. [19] Пятно стало известно своей свирепостью, питаясь даже меньшими юпитерианскими штормами. [19] Толины — это коричневые органические соединения, обнаруженные на поверхности различных планет и образующиеся под воздействием УФ-излучения. Толины, существующие на поверхности Юпитера, всасываются в атмосферу штормами и циркуляцией; Предполагается, что толины, выброшенные из реголита, застревают в GRS Юпитера, в результате чего он становится красным.
Конденсация гелия создает дождь из жидкого гелия на газовых гигантах. На Сатурне эта конденсация гелия происходит при определенных давлениях и температурах, когда гелий не смешивается с жидким металлическим водородом, присутствующим на планете. [20] Области Сатурна, где гелий нерастворим, позволяют более плотному гелию образовывать капли и действовать как источник энергии, как за счет выделения скрытого тепла, так и за счет спускания глубже в центр планеты. [21] Такое разделение фаз приводит к тому, что капли гелия падают в виде дождя через жидкий металлический водород, пока не достигают 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 атмосферах Юпитера и Сатурна. [21]
Внутреннее тепло Урана очень низкое. Уран — самая холодная планета Солнечной системы с температурой верхних слоев атмосферы -224 °C. [22] Самые глубокие участки мантии настолько горячие и находятся под таким давлением, что метан разлагается до элементарного углерода. [22] Алмазный дождь является потенциальным результатом этого явления. [22] Выше в атмосфере, где условия мягче, были обнаружены продукты фотолиза метана (такие как ацетилен и диацетилен); Вероятно, в регионах между зоной зарождения алмаза и верхними слоями атмосферы будет происходить много интересных органических химических процессов (потенциально способствующих жизни). [22]
