木星是颗气态星球主要构成是怎样的(为什么说木星是气态星球)

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木星是颗气态星球,主要构成是怎样的木星主要成分是什么行星的化学组成

木星是一个巨大的液态氢星体。随着深度的增加，在距离表面千米处，液态氢在高压和高温环境下形成。据推测，木星的中心是一个含硅酸盐和铁等物质组成的核区，物质组成与密度呈连续过渡。

木星是四个气体行星（又称类木行星）中的一个：即不以固体物质为主要组成的行星，它是太阳系中体积最大的行星，赤道直径为142984千米。木星的密度为1.326 g/cm³，在气体行星中排行第二，但远低于太阳系中四个类地行星。

结构成分

木星的高层大气是由体积或气体分子百分率约88-92%的氢和约8-12%的氦所组成。由于氦原子的质量是氢原子的四倍，探讨木星的质量组成时比例会有所改变：大气层中氢和氦分别占了总质量的75%及24%，余的1%为其他元素，包括微量的甲烷、水蒸气、氨以及硅的化合物。另外木星也含有微量的碳、乙烷、硫化氢、氖、氧、磷化氢、硫等物质。大气最外层有冷冻的氨的晶体。木星上也透过红外线及紫外线测量发现微量苯和烃的存在。

大红斑

木星可能有一个石质的内核，被一层含有少量氦，主要是氢元素的液态金属氢包覆着。内核上则是大部分的行星物质集结地，以液态氢的形式存在。这些木星上最普通的形式基础可能只在40亿帕压强下才存在，木星内部就是这种环境（土星也是）液态金属氢由离子化的质子与电子组成。

在木星内部的温度压强下氢气是液态的，而非气态，这使它成为了木星磁场的电子指挥者与根源，木星的磁场强度大约10高斯，比地球大10倍。同样在这一层也可能含有一些氦和微量的冰。木星还是天空中已知的最强的射电源之一。

气态行星内部（木星、土星、天王星、海王星）

木星内部的温度和压力，由于开尔文-亥姆霍兹机制稳定地朝向核心增加。在压力为10帕的”表面”，温度大约是340 K（67°C；152°F）。在氢相变的区域－温度达到临界点－氢成为金属，相信温度是10,000 K（9,700°C；17,500°F），压力的200GPa。在核心边界的温度估计为36，000 K（35,700°C；64,300°F），同时内部的压力大约是3,000-4,500GPa。

木星结构图

假如你穿着足够好的宇航服来到木星上空时，你会感到你的体重已迅速增加，你看到的是是木星风起云涌的大气层，它们分成条状，在向着相邻两条的反方向劲吹，刚你在刚进入木星的大气层时，你就会被强劲的大风吹得不知道东西南北了。然后你直线下落，会觉得空气压力起来越大，体重也更重了，能相当于在地球上的2.5倍，木星的大气层有3000公里厚，人落不到低下就被压扁了。

假设你不压扁，你就会看到一道一道的光，实际上那是木星闪电，当你下到3000公里时，你会发现周围的大气十分黏稠，就像液体一样，再往下就真是液体了。这是液态氢的海洋，厚达2.7万公里，而且这里的温度非常高了，人根本受不了。

木星结构

再往下面去是金属氢，这其中可能还有一个石质的内核，相当于10-15个地球的质量。内核上则是大部分的行星物质集结地，温度高达三万度，比太阳表面的温度还高。这里的物质以液态氢为主，木星内部大致就是这种环境。

那么，木星云层下是什么情况？

发表在“自然”杂志上的四篇文章中，以及随附的一篇“新闻与观点”文章中，该航天器的最新成果已经公布。而且，这是第一次，我们对云顶下发生的事情有了一个很好的了解。

加州大学圣克鲁斯分校的Jonathan Fortney在接受采访时说：“这是第一次看到一颗气体巨行星是如何在内部运行的。”他撰写了这篇“新闻与观点”的文章。

虽然四篇文章集中在不同领域的研究，他们基本上有一个相似的主题-即与木星的一些关键特征。

主要的发现之一是，我们现在知道木星的大气层延伸到多远，距离云顶有3000公里(1860英里)，比预期的要大得多。一旦你到达这个深度，行星的组成就会发生巨大的变化。

人们对木星在云层下的样子已经想象了很多。根据这些论文，似乎在这个深度，行星内部的行为变得像一个固体-尽管它实际上不是一个固体。相反，它是一种像固体一样旋转的氢气和氦气的流体混合物。

“我们的研究结果还表明，在3000公里的风下，行星会以刚体的形式旋转，所有这些信息都会对我们对行星内部的理解产生深远影响，进而使我们能够更近地理解它的形成，”论文作者之一、荷兰莱顿大学(Leiden University)的亚米娜·米格尔(Yamina Miguel)说道。

木星以它的云带而闻名，我们可以看到这些云覆盖着这颗行星，这是伽利略在400年前首次发现的。但科学家们不确定这些波段延伸到多远。根据这些最新的结果，这些云带似乎在3000公里处停止，从而形成了更均匀的形状。在它的核心压力大约是我们在地球上的压力的100000倍。

“很多世纪前伽利略在木星大气中看到了这些条纹，所以这绝对是我们长久以来想知道的东西，我们都对结果感到兴奋。”米格尔补充道。

这项研究的另一个主要发现是木星的引力场从北向南并不对称。这对于这样一个快速旋转的动荡不安的行星来说是出乎意料的。这似乎是由行星上各种不同的风和大气流动造成的。

研究人员还发现，木星的大气层包含了约1%的行星质量，相当于三个地球，这是非常巨大的。相比之下，地球的大气层只占地球总质量的百万分之一。

“这一结果令人惊讶，因为这表明木星的大气质量很大，而且比我们之前预期的要深得多。”以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的Yohai Kaspi说。

他们发现两极的气旋形成了持续的多边形模式，八个气旋在北极的单个中央气旋周围肆虐。在南极，有五个旋风在做同样的事情。

木星结构组成

木星是一个巨大的液态氢星体。随着深度的增加千米处，液态氢在高压和高温形成。据推测，木星的中心是一个含硅酸盐和铁等物质组成的核区，物质组成与密度呈连续过渡。

木星是四个气体行星(又称类木行星)中的一个:即不以固体物质为主要组成的行星，它是太阳系中体积最大的行星，赤道直径为142984千米。木星的密度为1.326 g/cm³，在气体行星中排行第二，但远低于太阳系中四个类地行星。

组成成分

木星的高层大气是由体积或气体分子百分率约88-92%的氢和约8-12%的氦所组成。由于氦原子的质量是氢原子的四倍，探讨木星的质量组成时比例会有所改变:大气层中氢和氦分别占了总质量的75%及24%，余的1%为其他元素，包括微量的甲烷、水蒸气、氨以及硅的化合物。另外木星也含有微量的碳、乙烷、硫化氢、氖、氧、磷化氢、硫等物质。大气最外层有冷冻的氨的晶体。木星上也透过红外线及紫外线测量发现微量苯和烃的存在。

木星大气层中氢和氦的比例非常接近原始太阳星云的理论组成，然而，木星大气中的惰性气体是太阳的二至三倍，高层大气中的氖只占了总质量的百万分之二十，约为太阳比例的十分之一，氦也几乎耗尽，但仍有太阳中氦的比例的80%。这个差距可能是由于元素降水至行星内部所造成。

由光谱学分析而言，土星被认为和木星的组成最为相似，但另外的气体行星、天王星与海王星相较之下所含氢和氦的比例较低，由于没有太空船实际深入大气层的分析，除了木星之外的行星至今仍没有重元素数量的精确数据。

质量大小

木星的质量是太阳系其他行星质量总和的2.5倍，由于它的质量是是如此巨大，因此太阳系的质心落在太阳的太阳表面之外，距离太阳中心1.068太阳半径。虽然木星的直径是地球的11倍，非常巨大，但是它的密度很低，所以木星的体积是地球的1，321倍，但质量只是地球的318倍。木星的半径是太阳半径的十分之一，质量是太阳质量的千分之一，所以两者的密度是相似的。"木星质量"(MJ或MJup)通常被做为描述其它天体，特别是系外行星和棕矮星，的质量单位。因此，例如系外行星HD 209458 b的质量是0.69MJup，而仙女座κb的质量是12.8MJup。

理论模型显示如果木星的质量比现在更大，而不是仅有目前的质量，它将会继续收缩。质量上的些许改变，不会让木星的半径有明显的变化，大约要在500地球质量(1.6MJup)才会有明显的改变。尽管随着质量的增加，内部会因为压力的增加而缩小体积。结果是，木星被认为是一颗几乎达到了行星结构和演化史所能决定的最大半径。随着质量的增加，收缩的过程会继续下去，直到达到可察觉的恒星形成质量，大约是50MJup的高质量棕矮星。

然而，需要75倍的木星质量才能使氢稳定的融合成为一颗恒星。最小的红矮星，半径大约只是木星的30%。尽管如此，木星仍然散发出更多的能量。它接受来自太阳的能量，而内部产生的能量也几乎和接受自太阳的总能量相等。这些额外的热量是由开尔文-亥姆霍兹机制通过收缩产生的。这个过程造成木星每年缩小约2厘米。当木星形成的时候，它比现在要略大一点。

行星表层温度较低,缺乏原子光谱的激发条件,排除了应用光谱测定其成分的可能性。近几十年来,由于运用各种宇宙探测器对行星大气进行探测,使人们对行星大气化学成分的了解,得到迅速的增长。按照行星的成分特征,太阳系的八大行星可以划分为三种类型:

地球和类地行星包括地球、水星、金星和火星。质量小、密度大、体积小、卫星少。物质成分以岩石为主,富含Mg、Si、Fe等,亲气元素含量低。

巨行星包括木星和土星。体积大、质量大、密度小、卫星多。如果以地球质量和体积为基本单位,则土星分别为95.18和745,木星分别为317.94和1316。其主要成分为H和He,亲石和亲铁元素含量低。

远日行星即天王星和海王星。其成分以冰物质为主。H质量分数估计为 10%,He和Ne平均为 12%。

上述三类行星中,岩石物质比值为 1∶10-4∶(10-7～10-12);冰态物质比值为0.02∶0.07∶0.71;气态物质的比值为0.195∶0.68∶0.12。它们中主要元素的原子相对丰度见表1-12。

表1-12太阳系中某些主要元素的原子相对丰度

(据韩吟文等,2003)

根据平衡凝聚模型,距太阳愈远温度愈低,各行星区凝聚物的成分和含量均不相同。随着行星空间探测技术的发展,目前对各行星及卫星已经提出了多种化学组成模式。如:

水星主要由难熔金属矿物、铁镍合金和少量辉石组成;

金星除上述成分外,还含有钾(钠)铝硅酸盐,但是不含水;

地球除上述成分外,还含有透闪石等一些含水硅酸盐和三种形式的铁(金属铁、FeO和FeS),金属铁和FeO形成低熔点混合物,在放射性加热下熔化、分异,形成早期地核;

火星含有更多的含水硅酸盐,金属铁已经完全氧化为FeO或与S结合形成 FeS,没有金属铁的核。最新火星探测器“勇气号”“机遇号”发回的火星全景图像表明,火星上的土壤中可能含有很高成分的赤铁矿,即Fe2 O3,找到它就能证明火星上曾经有水存在过。而探测器所传回的火星岩层图像中,一些火星岩层有细微的层次,并且岩层不像笔记本那样平行,岩层有时相互交错,可能是因火山活动、风和水的作用而成。如果真能在火星上找到水的迹象,将会有力支持关于火星曾经有生命存在的设想。

根据表1-12所列行星大气层的特点,类地行星与远离太阳的外部行星的大气层,其成分存在明显的差别,内行星比较缺乏原始星云中的气体组分(H、He等),而外行星则富集这种组分。

类地行星由于距太阳近,早期太阳风的驱赶作用很强烈,行星表面捕获的气体难以保存,因而地球和类地行星的大气层是次生的,即主要通过行星内部物质的熔融、去气过程形成。计算表明,地球由内部物质的熔融去气作用,大约已排出1.7433×1024 g的挥发组分,其中CO为1.218×1023 g。月球表面的大气中主要是 He和Ar,白天和黑夜大气浓度分别为3×103和6×104原子/cm3,几乎是真空状态。水星的大气层极稀薄(<0.0003×105 Pa),主要含Ar、Kr、Xe、He、H、O『推荐更多属相婚配 常识请关注:www.xztU.Cc，】、C、Ne等。火星大气层也稀薄,质量只有地球的1/10,体积为地球的1/6,约(0.005～0.007)×105 Pa,主要由 CO2(95%)、He(3%)、N2(2%～3%)以及Ar、O2等组成。金星和地球有稠密的大气层,金星大气层达 100×105 Pa,主要为CO2和N2。

类木行星距太阳较远,温度低,早期太阳风的驱赶作用不强烈,大气层物质主要是行星形成时从星云中捕获的气体,它保持了星云气体的成分和同位素比值。木星大气层(0.1～0.5)×105 Pa,主要成分为H2、He、NH3和C2 H2。土星大气层(0.05～0.5)×105 Pa,主要成分为NH3、CH4和H2等。天王星和海王星的大气层的主要成分为 CH4、NH3、H2和He。

类地行星与远离太阳的外部行星除在大气层成分上存在明显差别外,行星大气层的厚度与密度与行星质量有关,质量大的行星,容易形成较为稠密的大气层。

由于水星和火星表面气压低,液态水在行星表面沸腾成气态,火星和水星质量也小,对气体捕获能力小,因此火星和水星不可能产生水圈,只能形成极稀薄的大气层。金星比地球表面温度高(约 650～700K),因此也没有水圈。

根据宇宙大爆炸假说,太阳系中太阳的作用如同一台大吹风机,靠近太阳的各区域内如氢和氦那样的易消失的轻元素已被吹除干净。首先因为靠近太阳的类地行星直接受到酷热之苦,转变为大气中大量的原子运动。其次,由于类地行星的质量相对较小,引力不强,不足以包容原子的活动,这些原子就逃脱到空间中去,留下来的只有那些比氢和氦重的元素,它们在太阳火热的作用下不会自行汽化,这些元素就是耐热元素,就形成了金星、地球和火星的硅酸盐。而在水星这个离太阳最近的行星上,甚至硅酸盐也耐受不住太阳太强烈的热,挥发为气体自行离去,因此水星上大部分是更能耐受太阳热的亲铁元素构成的物质,它的原始大气在太阳炙烤下全部散逸到太空中了。金星、地球和火星也都失去了全部的原始大气,现在它们周围的大气是由组成星体后释放出来的内部气体(其中有水)组成的。类地行星失去了 98%的原始物质,而位于太阳系外部区域的大型类木行星,如木星、土星、天王星和海王星的情况正好相反,它们回收了太阳从内部驱赶出来的易消散的轻气体,如木星的质量超过了所有的行星。

对于行星内部结构和化学成分,目前仅能根据间接方法获得的某些资料进行理论推测。首先,根据天体力学定律进行计算,可以得出各个行星的质量,然后借助望远镜观察和宇宙飞船摄像可以知道各个行星直径的大小。在已知质量和直径的基础上,就可以精确地计算出行星的平均密度(表1-1)。

如果假定陨石为小行星碎块,并设想行星是由类似铁陨石和石陨石的镍铁相和硅酸盐相所组成,那么我们就可依据行星体积和平均密度的资料,估计出各个行星内镍铁相与硅酸盐相的比例。一般情况下,当行星的大小可以互相比较时,平均密度较大的行星应较之密度较小的行星具有更大的镍铁对硅酸盐的比值,即行星的镍铁内核愈大(表1-1)。利诺利兹(Р.Рейнолдс)和萨麦尔斯(А.Саммерс)曾按这种原则计算出各内行星和月球的金属内核半径同其整体半径的比值为水星:0.8,金星:0.53,地球:0.55,火星:0.4(图1-8)。

图1-8内行星中硅酸盐相与金属相的比例(示意)

(据赵伦山等,1988)

对比表1-1和图1-8可以看出:①在类地行星成分同其与太阳的距离之间存在着某种粗略的规律,即行星愈靠近太阳,它的金属铁含量愈高,这是有待于从理论上阐明的一条宇宙化学规律。②地球和金星的化学成分可能是十分相近的,因为它们具有很相似的直径和平均密度。③由火星和月球的平均密度看来,它们应该在化学成分上属于同一类型的天体。

类木行星的平均密度(大约在0.7～2.47 g/cm3范围内)要比类地行星的小得多。根据这一事实,人们推测在这些巨大行星中气体应占较大比例。根据各种资料判断,氢及其化合物应是主要成分。

在行星元素丰度研究方面,目前是根据一些理论模式进行的计算。应用较多的是Gannpathy和Anders(1974)的行星化学成分的计算模式。根据均一太阳星云的平衡凝聚模型假说,太阳星云中的分馏凝聚过程依次为:早期富钙铝和其他难熔元素的分馏;铁镍金属与含镁硅酸盐的分馏;碱金属硅酸盐的凝聚和金属与 H2 S和 H2 O的反应形成 FeS和FeO等阶段。挥发性相近的元素在这些过程中具有相似的性质。可以选择和确定4个具有代表性的元素的丰度。如 U、Fe、K、Tl,计算出83种元素在星云不同区域内凝聚而形成行星的化学成分。据此模式计算出了水星、金星、地球和火星的元素丰度(表1-13和表1-14)。

表1-13类地行星的化学组成

续表

(据Brownlow,1996)

表1-14水星、金星、地球、火星的元素丰度

续表

*稀有气体的丰度为 10-10STPcm3/g(即标准温度和压力(273 K,0.1MPa)下的 cm3/g;1cm3/g=4.46×10-5mol/g)。(据中国科学院地球化学研究所,1998)

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