Какие планеты относятся к газовым гигантам?

Газовые гиганты

• Га́зовые гига́нты — планеты, состоящие в значительной мере из водорода, гелия, аммиака, метана и других газов. Планеты этого типа имеют небольшую плотность, краткий период суточного вращения и, следовательно, значительное сжатие у полюсов; их видимые поверхности хорошо отражают, или, иначе говоря, рассеивают солнечные лучи.

В Солнечной системе к газовым гигантам относят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Согласно гипотезе происхождения Солнечной системы, планеты-гиганты образовались позже, чем планеты земной группы. К этому времени большая часть тугоплавких веществ (окислы, силикаты, металлы) уже выпали из газовой фазы, и из них образовались внутренние планеты (от Меркурия до Марса). Существует гипотеза о пятом газовом гиганте, вытолкнутом при формировании современного облика Солнечной системы на её далёкие окраины (ставшим гипотетической планетой Тюхе или другой «Планетой X») или за её пределы (ставшим планетой-сиротой). Последней такой гипотезой является гипотеза о девятой планете Брауна и Батыгина.

Самым большим известным газовым гигантом является экзопланета TrES-4b.

Период очень быстрого вращения газовых гигантов вокруг своей оси составляет 9—17 часов.

Модели внутреннего строения газовых планет предполагают наличие нескольких слоёв. На определённой глубине давление в атмосферах газовых планет достигает высоких значений, достаточных для перехода водорода в жидкое состояние. Если планета достаточно велика, то ещё ниже может размещаться слой металлического водорода (напоминающего жидкий металл, где протоны и электроны существуют раздельно), электрические токи в котором порождают мощное магнитное поле планеты. Предполагается, что газовые планеты имеют также относительно небольшое каменное или металлическое ядро.

Как показали измерения спускаемого аппарата «Галилео», давление и температура быстро растут уже в верхних слоях газовых планет. На глубине 130 км в атмосфере Юпитера температура составила около 420 кельвинов (145 градусов Цельсия), давление — 24 атмосферы. Все газовые планеты Солнечной системы излучают заметно больше тепла, чем получают от Солнца, вследствие выделения гравитационной энергии при сжатии. Предложены модели, допускающие выделение крайне незначительных количеств тепла внутри Юпитера при реакциях термоядерного синтеза, но эти модели не имеют наблюдательного подтверждения.

В атмосферах газовых планет дуют мощные ветры со скоростями до нескольких тысяч километров в час (скорость ветра на экваторе Сатурна составляет 1800 км/ч.). Имеются постоянные атмосферные образования, представляющие собой гигантские вихри. Например, Большое красное пятно (размером в несколько раз больше Земли) на Юпитере наблюдают уже более 300 лет. Имеется Большое тёмное пятно на Нептуне, более мелкие пятна на Сатурне.

Для всех газовых планет Солнечной системы отношение суммарной массы их спутников к массе планеты составляет около 0,01 % (1 к 10 000). Для объяснения этого факта разработаны модели формирования спутников из газо-пылевых дисков с большим количеством газа (при этом действует механизм, ограничивающий рост спутников).

Газовыми могут являться лишь крупные планеты, так как небольшие небесные тела не способны удержать такой лёгкий газ, как водород.

Большинство обнаруженных экстрасолнечных планет столь велики, что предположительно тоже являются газовыми гигантами. На крупнейшей из известных (обращающейся очень близко от звезды) удалось обнаружить разогретую атмосферу.

Газовые гиганты

Что такое газовые гиганты?

Между планетами внутренней и внешней Солнечной системы есть некоторые существенные различия. Планеты, которые находятся ближе к Солнцу, имеют земную (то есть скалистую) природу, что означает, что они состоят из силикатных минералов и металлов. Однако за Поясом Астероидов планеты преимущественно состоят из газов и намного больше, чем их земные сверстники. Вот почему астрономы используют термин «газовые гиганты» применительно к планетам внешней Солнечной системы. Чем больше мы узнаем об этих четырех планетах, тем больше мы понимаем, что нет двух одинаковых газовых гигантов. Кроме того, продолжающиеся исследования планет за пределами нашей Солнечной системы (также называемые «солнечными планетами») показали, что существует много типов газовых гигантов, которые не соответствуют солнечным примерам. Так что же такое «газовый гигант»?

Определение и классификация

По определению, газовый гигант – это планета, состоящая в основном из водорода и гелия. Название было первоначально придумано в 1952 году Джеймсом Блишем, писателем-фантастом, который использовал этот термин для обозначения всех планет-гигантов. По правде говоря, этот термин является чем-то неправильным, поскольку эти элементы в значительной степени принимают жидкую и твердую форму в газовом гиганте в результате условий экстремального давления, которые существуют внутри.

Из чего состоят газовые гиганты

Более того, считается, что газовые гиганты имеют в своих ядрах большие концентрации металлического и силикатного материала. Тем не менее, этот термин остается популярным в течение десятилетий и относится ко всем планетам – будь то солнечная или сверхсолнечная по своей природе – которые состоят в основном из газов. Это также соответствует практике ученых-планетологов, которые используют сокращение – то есть «камень», «газ» и «лед» – для классификации планет на основе наиболее распространенного в них элемента.

Отсюда разница между Юпитером и Сатурном, с одной стороны, и Ураном и Нептуном, с другой. Из-за высокой концентрации летучих веществ (таких как вода, метан и аммиак) в последних двух (которые ученые-планетологи классифицируют как «льды») эти две гигантские планеты часто называют «ледяными гигантами». Но поскольку они состоят, в основном, из водорода и гелия, они все еще считаются газовыми гигантами наряду с Юпитером и Сатурном.

Классификация газовых гигантов

Сегодня газовые гиганты делятся на пять классов, основываясь на схеме классификации, предложенной Дэвидом Сударки. В исследовании 2000 года, под названием «Спектры альбедо и отражения планет внесолнечных гигантов», Сударский и его коллеги называли пять различных типов газовых гигантов, основываясь на их внешности и альбедо, и на том, как на это влияют их расстояния до звезды.

Класс I: Облака аммиака

Этот класс применяется к газовым гигантам, в облике которых преобладают облака аммиака, и которые находятся во внешних областях планетной системы. Другими словами, это относится только к планетам, которые находятся за «Ледяной линией», расстоянием в солнечной туманности от центральной протозвезды, где летучие соединения – например, вода, аммиак, метан, диоксид углерода, оксид углерода – конденсируются в твердые ледяные зерна.

Класс II: Водяные облака

Это относится к планетам, средняя температура которых обычно ниже 250 K (-23 °C; -9 °F), и поэтому они слишком теплые, чтобы образовать облака аммиака. Вместо этого, состав этих газовых гигантов включает в себя облака, которые сформированы из конденсированного водяного пара. Поскольку вода является более отражающей, чем аммиак, у газовых гигантов класса II альбедо выше.

Класс III: Безоблачный

Этот класс применяется к газовым гигантам, которые обычно теплее – от 350 К (80 °C; 170 °F) до 800 K (530 °C; 980 °F) – и не образуют облачный покров, потому что им не хватает необходимых химикатов. Эти планеты имеют низкие альбедо, так как они не отражают столько света в космосе. Эти тела также выглядят как голубые шары из-за того, что метан в их атмосфере поглощает свет (как Уран и Нептун).

Класс IV: Щелочные металлы –

Этот класс планет испытывает температуры, превышающие 900 К (627 °C; 1160 °F), и в этот момент окись углерода становится доминирующей углеродсодержащей молекулой в их атмосфере (а не метаном). Содержание щелочных металлов также значительно увеличивается, и в их атмосфере образуются облачные колоды силикатов и металлов. Планеты, относящиеся к классу IV и V, называются «горячими юпитерами».

Класс V: Силикатные облака

Самые горячие из газовых гигантов с температурой выше 1400 К (1100 °С; 2100 °F) или к более холодным планетам с меньшей гравитацией, чем газовый гигант Юпитер. Считается, что для этих газовых гигантов палубы силикатных и железных облаков находятся высоко в атмосфере. В первом случае такие газовые гиганты могут светиться красным от теплового излучения и отраженного света.

Особенности газовых гигантов – экзопланет

Изучение экзопланет также выявило множество газовых гигантов других типов, которые являются более массивными, чем солнечные аналоги (также называемые супер-юпитерами), а также множество сопоставимых с ними по размеру. Однако, учитывая их расстояние от Земли, их спектры и альбедо не всегда могут быть точно измерены.

Таким образом, охотники за экзопланетами имеют тенденцию принимать за таковые сверхсолнечные газовые гиганты, основываясь на их видимых размерах и расстояниях их от звезд. В первом случае их часто называют «супер-юпитерами». На сегодняшний день эти типы экзопланет составляют большинство открытий, сделанных «Кеплером» и другими миссиями, поскольку их большие размеры и большие расстояния от их звезд делают их наиболее легкими для обнаружения.

Различные типы экзопланет

Что касается расстояния до Солнца, то охотники за экзопланетами делят газовых гигантов сверх солнечной энергии на две категории: «гиганты холодного газа» и «горячие Юпитеры». Как правило, холодные богатые водородом газовые гиганты массой менее чем около 1,6 масс Юпитера и лишь немного больше по объему, чем он. Для масс выше этого, гравитация заставит планеты сжиматься.

Исследования экзопланет также выявили класс планет, известный как «газовые карлики», который применяется к водородным планетам, которые не столь велики, как газовые гиганты Солнечной системы. Газовые карлики образуются на значительном удалении от своих звёзд, за снеговой линией системы, и пока протопланетный диск ещё не рассеялся, мигрируют ближе к своим звёздам.

Для газовых гигантов, которые занимают диапазон масс от 13 до 75-80 масс Юпитера, используется термин «коричневый карлик». Это обозначение зарезервировано для крупнейших планетарных / субзвездных объектов; другими словами, объекты, которые являются невероятно большими, но не достаточно массивными, чтобы подвергнуться ядерному синтезу в их ядре и стать звездой. Ниже этого диапазона находятся суб-коричневые карлики, в то время как все, что выше, известно как самые легкие звезды красного карлика (M9 V).

Как и все астрономические вещи в природе, газовые гиганты разнообразны, сложны и невероятно увлекательны. Наши знания об этих загадочных объектах продолжают расти, включая понимание того, как звездные системы формируются и развиваются.

Вы можете обсудить эту статью на нашем форуме, достаточно нажать на кнопку ниже.

Астрономия без конца и края

Глава шестая
Газовые гиганты

Первые четыре планеты около Солнца — Меркурий, Венеру, Землю и Марс — относят к планетам земной группы, это «каменные» планеты. Они сильно отличаются от следующих четырёх планет — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, которых называют газовыми гигантами .

Планеты земной группы отделяет от газовых гигантов первый пояс астероидов. Отличия этих двух групп планет, видимо, связаны с тем, как они образовывались.

Давным-давно, примерно четыре с половиной миллиарда лет назад, молодое Солнце было окружено огромным облаком из холодного газа и пыли. Облако имело форму диска и вращалось вокруг Солнца как одно целое. Планеты и их спутники сформировались из сгущений этого диска под действием сил гравитации. Сгущения сначала были рыхлыми бесформенными комками, но постепенно росли, слипались друг с другом при столкновениях, уплотнялись и, достигнув определённого размера, становились похожими на шары.

Тем планетам, которые формировались около Солнца, доставалось больше тепла, поэтому в их составе мы видим, в основном, тугоплавкие вещества (например, железо и кремний). Остальные поспешили испариться. Далёким планетам, формировавшимся при низких температурах, достались лёгкие газы — водород и гелий. Их сносило туда «солнечным ветром». Но хотя газовые гиганты состоят из самых лёгких веществ во Вселенной — водорода и гелия, — они из-за своих размеров оказались гораздо тяжелее, чем планеты земной группы.


Например, Юпитер. Юпитер — самая большая планета Солнечной системы. Он в 11 раз больше Земли по размеру и в 318 раз тяжелее! Сатурн — в 95 раз тяжелее! И даже самый лёгкий из «гигантов» — Уран — тяжелее Земли больше чем в 14 раз.

Несмотря на свои размеры и вес, газовые гиганты крутятся вокруг своей оси гораздо быстрее, чем Земля. Юпитер, например, один оборот делает всего за десять часов! Сатурн — за десять с половиной часов.

Из-за быстрого вращения облака в атмосфере Юпитера вытянуты вдоль экватора. Это делает его хорошо узнаваемым на фотографиях: это единственная такая полосатая планета. Сатурн тоже имеет полосы, но гораздо менее контрастные.

Атмосферы газовых гигантов состоят, в основном, из водорода и гелия. Кроме этого, там есть метан и аммиак. Облака как раз и состоят из кристалликов аммиака. Атмосфера-то у них есть, а вот твёрдой поверхности — нет. Предполагают, что при погружении внутрь газового гиганта атмосфера становится плотнее и плотнее, постепенно становясь похожей на жидкость всё более густую и вязкую.

У всех газовых гигантов много спутников. У Юпитера — 79 штук, у Сатурна — ещё больше — 82, у Урана — около 30 и даже у далёкого Нептуна открыто 14 спутников (на 2020 год).

Первые и самые крупные увидели с помощью телескопа. Ещё Галилео Галилей, который в XVII веке первым направил «зрительную трубу» на ночное небо, обнаружил у Юпитера четыре спутника. Их так и называют — галилеевские .

Эти спутники помогли подтвердить очень важные законы нашего мира. Например, закон всемирного тяготения. Юпитер со своими спутниками напоминает Солнечную систему в миниатюре. Кроме того, наблюдения за ними помогли впервые измерить скорость света — самого быстрого, что сейчас известно во Вселенной. Сделал это в XVII веке датский астроном Олаф Рёмер.

Галилеевские спутники все очень разные и их можно отнести по строению к планетам земной группы. Самый крупный из них — Ганимед . Он даже больше Меркурия, самой маленькой и самой близкой к Солнцу планеты. Следующий по величине спутник — Каллисто . Он чуть-чуть уступает Меркурию по размеру. Поверхность Каллисто вся сплошь покрыта ударными кратерами, образующими цепочки и другие странные фигуры, и этим напоминает Луну и Меркурий. Верхушки гребней покрыты здесь ярким инеем.

Затем по размеру идёт Ио . Этот спутник проявляет необыкновенную вулканическую активность: там действуют более 500 вулканов одновременно! Они изливают потоки лавы, отчего поверхность Ио всё время меняется. Она бывает разных оттенков жёлтого, красного, зелёного. Ио находится к Юпитеру ближе всех остальных галилеевских спутников; вулканический пепел даже попадает в атмосферу этого газового гиганта.

Самый маленький галилеевский спутник — Европа . Он чуть поменьше нашей Луны и имеет удивительно гладкую поверхность. Ни кратеров на ней не видно, ни гор, только длинные извилистые трещины. Не сразу учёные догадались, что юпитерианская Европа покрыта сплошным льдом, под которым скрывается океан. И разумеется, очень-очень интересно, есть ли в этом океане живые существа. Не рыбки, конечно, а хотя бы бактерии.

Пятый по размеру спутник Юпитера — Амальтея — значительно меньше галилеевских: он поместился бы в нашем Азовском море. Он не круглый, как и спутники Марса, похож на огромный булыжник.

Самый крупный спутник Сатурна — Титан , его открыл Христиан Гюйгенс, вдохновлённый астрономическими успехами Галилея. Титан больше Меркурия и уступает по размеру только Ганимеду — самому большому спутнику Юпитера. Титан — удивительный, потому что только у него есть плотная атмосфера, в которой, как и в атмосфере Земли, главный газ — азот, а на поверхности у него — озёра, реки и болота из жидкого метана и этана.

Но Сатурн знаменит не спутниками, а своими кольцами. По ним его легко опознать среди изображений других планет. Кольца состоят из камешков и льдинок. Именно лёд так хорошо блестит в солнечном свете, что кольца Сатурна обнаружили ещё в XVII веке. Сделал это тоже Христиан Гюйгенс. Кольца казались загадочными. Из чего они сделаны? Почему такие плоские? Почему только у этой планеты? Почему не разрушаются?

А в XX веке организовали полёты автоматических станций к газовым гигантам. И вот тогда обнаружилось, что кольца есть не только у Сатурна.

1. Сможешь назвать всех газовых гигантов?

2. Какая планета самая большая в Солнечной системе?

3. Из чего состоят атмосферы газовых гигантов?

4. Что такое «галилеевские спутники»?

5. Какие спутники планет Солнечной системы по размеру превосходят планету Меркурий?

Комментарии к публикации
Астрономия без конца и края

28.09.2020, 10:05
Наталья

Спасибо за новую рубрику! Будем с дочкой читать. 09.10.2020, 10:19
Inessa

Ochen poznavatelno. Spasibo, chto pomogaete razvivat detei! 30.10.2020, 12:09
Инна

Очень познавательно. Спасибо! 23.11.2020, 10:31
Валентина

Очень интересно, доступно, познавательно. Большое спасибо! 08.12.2020, 09:04
Валентина

Ещё раз убедилась, что рубрика “Астрономия без конца и края” очень познавательная и полезнп не только для детей, но и для взрослых читателей 11.12.2020, 18:19
Редактор портала «Солнышко»

Наталья, Инесса, Инна, Валентина, спасибо за отклики! Нам очень важна обратная связь с читателями! 06.01.2021, 17:48
Алена

Очень интересно 15.01.2021, 12:45
Людмила

Дочери очень понравилась викторина. С удовольствием отвечала на вопросы. Узнали много новой информации. Хотим чаще подобные викторины! 16.01.2021, 10:09
Светлана

Спасибо большое за книгу, викторину и кроссворды! Очень интересно и познавательно! 16.01.2021, 10:25
Елена 🙂

Не только детям, но и взрослым интересно 🙂 Спасибо! 18.01.2021, 09:21
Валентина

Большое спасибо за очень увлекательную книгу, за интересные викторину “Астрономия без конца и края” и кроссворд “Небесные тела”. 19.01.2021, 23:31
КСЕНИЯ

спасибо за познавательную книгу! викторина супер! 24.01.2021, 11:53
Валентина

Спасибо за второй кроссворд по астрономии “Великие имена”, очень интересный и позновательн.

Источники:

http://kartaslov.ru/%D0%BA%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B0-%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B9/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5+%D0%B3%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D1%82%D1%8B

Газовые гиганты

http://solnet.ee/umnoteka/astronomija_06