气态巨行星：木星和土星

这两颗氢氦巨行星主宰着外太阳系，拥有深层金属氢内部、带状大气层和巨大的磁层。

Definition

气态巨行星主要由氢和氦组成，没有固体表面；在太阳系中，它们是木星和土星。

Scope

本主题涵盖木星和土星：它们的整体组成和分层内部结构，包括金属氢区域；它们的内部热源；它们带状大气层和长寿命风暴的动力学；它们强大的固有磁场和磁层；以及土星突出的光环。它借鉴了旅行者号、伽利略号、卡西尼号和朱诺号的飞掠和轨道器数据，以及在极端压力下对氢进行的实验室和理论研究。

Core questions

• 木星和土星的内部结构如何？它们是拥有致密核心还是稀释核心？
• 为什么它们辐射出的热量比从太阳接收到的多？
• 是什么维持了它们带状急流和像大红斑这样的巨大风暴？
• 它们强大的磁场和磁层是如何产生并与它们的卫星相互作用的？

Key theories

金属氢内部

在木星和土星内部巨大的压力下，氢变成导电的金属流体，提供了产生其强大磁场的发电机区域。

内部热量和氦雨

这些巨行星发出的能量多于吸收的能量，其动力来自引力收缩，而在土星中，氦液滴的分离和下沉释放了额外的热量。

纬向急流大气动力学

快速自转和对流热通量将大气组织成交替的东西向急流和条纹，其中像大红斑这样的涡旋可以持续几个世纪。

Mechanisms

自引力压缩氢和氦，直到氢变成金属并导电，从而驱动发电机效应和强大的磁场。缓慢的收缩和氦分异提供内部热量，这与自转一起驱动表面的带状对流。磁层与卫星的相互作用产生极光和强烈的辐射带。

Clinical relevance

木星和土星是研究最充分的巨行星，可作为解释巨型系外行星的模板，同时它们的引力塑造了整个太阳系的动力学历史。

History

对木星条纹和大红斑的望远镜观测可以追溯到几个世纪前，但现代的理解来自于先驱者号和旅行者号的飞掠、伽利略号轨道器和木星大气探测器、卡西尼号土星轨道器以及朱诺号任务，朱诺号精确的引力和磁场测量重塑了木星深层内部的模型。

Debates

木星核心的性质

朱诺号的引力数据显示，木星的核心是稀释的、模糊的，与包层混合在一起，而不是一个清晰定义的重核，这促使人们修正了形成和内部模型。

Key figures

• Andrew Ingersoll
• Tristan Guillot
• Scott Bolton
• William Hubbard

Seminal works

• guillot2005
• ingersoll2004
• bolton2017

Frequently asked questions

大红斑是什么？

它是木星大气中一个巨大、长寿命的反气旋风暴，比地球还宽，通过望远镜观测，它已经持续了至少几个世纪。

为什么木星和土星发出的热量比它们接收到的多？

它们仍在自身引力作用下缓慢收缩，而在土星中，氦向中心沉降会释放额外的热量，因此这两颗行星辐射出的能量都比从太阳吸收的要多。