11.2: 巨型行星

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述巨型行星的基本物理特征、总体外观和旋转
• 描述木星、土星、天王星和海王星的组成和结构
• 比较和对比巨型行星的内部热源
• 描述巨型行星磁场的发现和特征

现在让我们更详细地研究四颗巨型（或木星）行星。 我们的方法不仅是对它们的特征进行分类，还要将它们相互比较，注意它们的相似之处和不同之处，并尝试将它们的属性与它们不同的质量和与太阳的距离联系起来。

基本特征

巨型行星离太阳很远。 木星离太阳的距离是地球距离（5 AU）的五倍多，绕太阳需要不到12年的时间。 土星的距离大约是木星（将近10 AU）的两倍，完成一个轨道需要将近30年的时间。 天王星在 19 AU 运行，周期为 84 年，而海王星在 30 AU 处运行，太阳的每个回路需要 165 年。 这些漫长的时间尺度使我们短暂的人类很难研究外行星的季节性变化。

木星和土星在组成和内部结构上有许多相似之处，尽管木星的体积几乎是木星的四倍。 天王星和海王星较小，其组成和内部结构与它们的大兄弟姐妹不同。 表中总结了这四颗行星的一些主要特性\(\PageIndex{1}\)。

表\(\PageIndex{1}\)：木星行星的基本特性

星球	距离 (AU)	期限（年）	直径 (km)	质量（地球 = 1）	密度 (g/cm ^3)	轮换（小时）
木星	5.2	11.9	142,800	318	1.3	9.9
土星	9.5	29.5	120,540	95	0.7	10.7
天王星	19.2	84.1	51,200	14	1.3	17.2
海王星	30.0	164.8	49,500	17	1.6	16.1

木星是巨人中的巨人，其质量足以制造318个地球。 它的直径大约是地球的11倍（大约是太阳的十分之一）。 木星的平均密度为1.3 g/cm ³，远低于任何陆地行星的平均密度。 （回想一下，水的密度为 1 g/cm ³。） 木星的物质散布在如此大的体积上，以至于其中可以容纳大约 1,300 个地球。

土星的质量是地球的95倍，其平均密度仅为0.7 g/cm ³，是所有行星中最低的。 由于这小于水的密度，土星将足够轻，可以漂浮。

天王星和海王星的质量各为地球的15倍左右，因此其质量仅为木星的5％。 它们的密度分别为1. ^{3 g/cm 3} 和1.6 g/cm ³，远高于土星的密度。 这是一个证据，它告诉我们，它们的成分必须与天然气巨头有根本的不同。 当天文学家开始发现其他行星系统（系外行星）时，我们发现天王星和海王星大小的行星很常见，地球和这些冰巨人之间还有更多的中等大小的系外行星，而这种行星在我们的太阳系中找不到。

外观和旋转

当我们观察行星时，我们只能看到它们的大气层，主要由氢气和氦气组成（参见照片章节）。 木星和土星的最上层云是由氨晶组成的，这是我们从上方向下看这些行星时看到的部分。 在海王星上，上层云是由甲烷组成的。 在天王星上，我们根本看不到明显的云层，只能看到深沉而无特征的阴霾。

通过望远镜观察，木星是一颗色彩缤纷且充满活力的行星。 云层模式中的独特细节使我们能够确定其大气层在云层的旋转速度，尽管这种大气旋转可能与底层行星的自旋无关。 更基本的是地幔和核心的旋转；这可以通过来自木星的无线电波的周期性变化来决定，而这些无线电波由木星的磁场控制。 由于磁场（我们将在下面讨论）起源于地球深处，因此它共享内部的旋转。 我们用这种方式测量的旋转周期为9小时56分钟，这使木星成为所有行星中最短的 “天”。 同样，我们可以测量土星的基础旋转周期为10小时40分钟。 天王星和海王星的旋转周期稍长一些，约为17个小时，这也是由其磁场的旋转决定的。

根据哈勃太空望远镜照片制作的一段简短视频显示了木星的旋转及其许多大气特征。

请记住，地球和火星之所以有季节，是因为它们的自旋轴不是 “直立”，而是相对于太阳系的轨道平面倾斜。 这意味着，当地球围绕太阳旋转时，有时一个半球，有时另一个半球 “向太阳” 倾斜。

巨型行星的季节是什么样的？ 木星的自旋轴仅倾斜了3°，因此没有季节可言。 但是，土星确实有季节，因为它的自旋轴向垂直于轨道倾斜27°。 海王星的倾斜度与土星（29°）大致相同；因此，它经历了相似的季节（只是速度更慢）。 最奇怪的季节是在天王星上，它的旋转轴相对于北向倾斜了98°。 实际上，我们可以说天王星在其侧面运行，其环形和月球系统紧随其后，绕天王星的赤道运行（图\(\PageIndex{1}\)）。

图：天王星的\(\PageIndex{1}\)红外图像。 哈勃太空望远镜上的红外摄像机在 1997 年拍摄了天王星、其环形系统和卫星的这些假彩色图像。 行星的南极（右图上标有 “+”）面向太阳；其绿色显示出强烈的局部雾霾。 这两张照片相隔 90 分钟拍摄，在此期间，可以看到五朵红色的云层围绕赤道的平行线旋转。 在赤道周围可以看到环形（在可见光下非常微弱，但在红外线下却很突出）和八颗卫星。 这是 Voyager 在 1986 年接近天王星时所看到的 “靶心” 安排。

我们不知道是什么原因导致天王星被这样倾倒，但一种可能性是在我们的系统首次形成时与一个大型行星体发生碰撞。 不管是什么原因，这种不寻常的倾斜都会产生戏剧性的季节。 当 Voyager 2 到达天王星时，它的南极正对着太阳。 南半球经历了21年的阳光普照的夏季，而在同一时期，北半球陷入了黑暗。 在接下来的21年，太阳照在天王星的赤道上，随着行星的旋转，两个半球都会经历光明与黑暗的循环（图\(\PageIndex{6}\)）。 然后，北半球被照亮了21年，南半球又出现了黑暗的南半球。 之后，白天和黑夜交替的模式重复。

就像在地球上一样，两极的季节更加极端。 例如，如果你要在天王星的南极安装一个浮动平台，它将经历42年的光明和42年的黑暗。 未来任何疯狂到在那里建立营地的宇航员都可能在没有见过太阳的情况下度过一生的大部分时间。

在天王星上找出\(\PageIndex{2}\)奇异的季节。 (a) 此图显示了从上方看到的天王星的轨道。 当 Voyager 2 抵达（位置 1）时，南极正面向太阳。 当我们在图中逆时针移动时，我们在21年后的每一步都能看到地球。 (b) 这张图比较了天王星绕太阳旋转84年期间在两极和赤道看到的阳光量。

组成和结构

尽管我们看不见这些行星，但天文学家确信木星和土星的内部主要由氢气和氦气组成。 当然，这些气体只能在大气层中测量，但是50多年前首次进行的计算表明，这两种轻气是唯一可以用来建造具有木星和土星质量和密度的行星的可能材料。

这两个行星的深层内部结构很难预测。 这主要是因为这些行星非常大，以至于其中心的氢气和氦气会被极大地压缩，其行为方式使这些气体在地球上永远无法运行。 我们对木星结构的最佳理论模型预测中心压力大于1亿巴，中心密度约为31 g/cm ³。 （相比之下，地球核心的中心压力为400万巴，中心密度为17 g/cm ³。）

在巨型行星内部的压力下，熟悉的物质可以呈现出奇怪的形态。 在木星和土星的可见云层下方几千公里处，压力变得如此之大，氢气从气态变为液态。 更深处，这种液态氢气被进一步压缩，开始像金属一样起作用，这是它在地球上从未有过的。 （在金属中，电子不能牢固地附着在母原子核上，但可以四处游荡。 这就是为什么金属是如此好的电导体的原因。） 在木星上，内部的大部分是液态金属氢。

由于土星的体积较小，因此它只有少量的金属氢，但其内部大部分是液体。 天王星和海王星太小，无法达到足以液化氢气的内部压力。 当我们研究巨型行星的磁场时，我们将重新讨论金属氢层。

这些行星中的每一个都有一个由较重的物质组成的核心，对其引力场的详细分析就证明了这一点。 据推测，这些岩心是在从周围星云中捕获气体之前形成的原始岩体和冰体。 核心存在于数千万个柱的压力下。 虽然科学家说巨型行星核心是由岩石和冰组成的，但我们可以肯定，在这样的压力和温度下，岩石和冰都不会呈现出任何熟悉的形态。 请记住，“岩石” 的真正含义是任何主要由铁、硅和氧气组成的材料，而本章中的 “冰” 一词表示主要由碳、氮和氧元素与氢气结合构成的材料。

该图\(\PageIndex{3}\)说明了四颗木星行星可能的内部结构。 看来这四个岩石和冰的核心都相似。 在木星和土星上，岩心仅占总质量的百分之几，这与表中所示的原材料的初始成分一致\(11.1.1\)。 但是，天王星和海王星的大部分质量都存在于这些核心中，这表明这两颗外行星在首次形成时无法吸引大量的氢气和氦气。

图木星行星的\(\PageIndex{3}\)内部结构。 木星和土星主要由氢气和氦气组成（但氢气占主导地位），但天王星和海王星在很大程度上由碳、氮和氧的化合物组成。 （图表按比例绘制；数字显示以千千米为单位的半径。）

内部热源

由于它们的体积很大，所有巨型行星在形成过程中都因周围物质崩溃到核心上而受到强烈的加热。 木星是最大的木星是最热的。 其中一些原始热量仍然可以留在如此大的行星中。 此外，巨型、主要是气态的行星有可能在形成后通过缓慢收缩而产生热量。 （质量如此之大，即使是微小的收缩也会产生大量热量。） 这些内部能量的作用是将行星内部和大气层的温度提高到比我们仅从太阳的加热效应中预期的更高的温度。

木星拥有最大的内部能源，相当于4×10 ¹⁷ 瓦特；也就是说，它从内部加热的能量相当于400万个100瓦的灯泡。 这种能量与木星吸收的太阳能总量大致相同。 因此，木星的大气层有点像普通行星大气层（如地球）和完全由内部能量源加热的恒星大气层之间的交叉点，后者的大气层大部分来自太阳。 木星的大部分内部能量是原始热量，这是45亿年前行星形成时遗留下来的。

土星的内部能量源大约是木星的一半，这意味着（因为它的质量只有木星的四分之一左右）它每千克物质产生的能量是木星的两倍。 由于预计土星的原始热量将少得多，因此在这2×10 ¹⁷ 瓦的功率中，肯定有另一种来源在起作用。 这种来源是土星内部氦气与氢气的分离。 在液氢地幔中，较重的氦气会形成液滴，向核心沉没，释放出引力。 实际上，土星仍在发挥差异化作用——让较轻的物质上升，而较重的物质掉落。

天王星和海王星不同。 海王星的内部能量源很小，而天王星不会发出可测量的内部热量。 因此，尽管海王星与太阳的距离更远，但这两颗行星的大气温度几乎相同。 没有人知道为什么这两个行星的内部热量不同，但所有这些都表明了大自然如何设法使每个世界与邻居略有不同。

磁场

每颗巨型行星都有很强的磁场，它是由快速旋转的内部电流产生的。 与磁场相关的是行星的磁层，它们是地球周围的区域，在这些区域中，行星自身的磁场主导着一般的行星际磁场。 这些行星的磁层是它们最大的特征，向太空延伸了数百万公里。

20 世纪 50 年代末，天文学家发现木星是无线电波的来源，它在更长而不是更短的波长下会变得更强烈，这与热辐射（由所有物质中粒子的正常振动引起的辐射）所预期的相反。 但是，这种行为是磁场加速高速电子时发出的辐射的典型行为。 我们之所以称之为同步加速器辐射，是因为它最初是在称为同步加速器的粒子加速器中观测到的。 这是我们第一次暗示木星必须有强磁场。

后来的观测表明，无线电波来自木星周围的区域，其直径是行星本身的几倍（图\(\PageIndex{4}\)）。 证据表明，必须有大量带电原子粒子在木星周围循环，绕着与行星相关的磁场的力线盘旋。 这正是我们观察到的，但规模较小，发生在环绕地球的范艾伦地带中。 最初靠近这些行星的航天器发现了土星、天王星和海王星的磁场，其作用方式类似，但没有那么强。

在无线电波中描绘\(\PageIndex{4}\)木星。 这张木星的假彩色图像是用新墨西哥州的超大型阵列（射电望远镜）拍摄的。 我们看到磁层的一部分，中间最亮，因为木星赤道带的带电粒子最多。 行星本身略小于中心的绿色椭圆形。 不同的颜色用于表示同步加速器辐射的不同强度。

从这段简短的美国宇航局视频中了解有关木星磁层以及我们为何继续对它感兴趣的更多信息。

在每个磁层内，带电粒子在磁场中盘旋；因此，它们可以被加速到高能量。 这些带电粒子可以来自太阳，也可以来自行星本身的邻域。 就木星而言，它的一颗卫星艾奥竟然有火山喷发，将带电粒子炸入太空，然后直接进入木星磁层。

木星磁场（连接磁北极和磁南极的线）的轴线与行星的旋转轴不完全对齐；相反，它倾斜了大约 10°。 天王星和海王星的磁倾角更大，分别为60°和55°。 另一方面，土星的场与其旋转轴完美对齐。 为什么不同的行星有如此不同的磁倾斜度尚不清楚。

事实证明，木星行星周围的物理过程与天文学家在许多遥远的物体中发现的过程相比更为温和，从死星的残余物到我们称之为类星体的令人费解的遥远强国。 研究巨型行星和地球的磁层的原因之一是，它们为更有活力和更具挑战性的宇宙过程提供了近在咫尺的类似物。

关键概念和摘要

木星的体积是地球的318倍。 土星的质量约为木星的25％，而天王星和海王星的质量仅为木星的5％。 这四个都有深层的大气层和不透明的云层，并且都快速旋转，周期从10到17个小时不等。 木星和土星有大量的液氢。 相对于木星和土星（以及太阳），天王星和海王星的氢气和氦气已经耗尽。 每颗巨型行星都有一个由大约 10 个地球质量组成的 “冰” 和 “岩石” 核心。 木星、土星和海王星有主要的内部热源，它们从其内部获得的能量与来自太阳的辐射一样多（或更多）。 天王星没有可测量的内部热量。 木星拥有所有行星中最强的磁场和最大的磁层，这是射电天文学家在观测同步加速器辐射时首次发现的。

词汇表

同步加速器辐射

带电粒子发出的辐射在磁场中加速并以接近光的速度移动