太阳系的其他行星和卫星

对于气体巨行星——木星和土星——许多最引人注目的问题都是流体动力学性质的。这些问题包括带状多射流结构的起源大气流动以及长期存在的大气漩涡的动力学，其中最著名的是木星的大红斑。在这本书中，我们将很少谈到这种流体动力学问题。然而，热大气结构为任何动态查询提供了基本的基础。此外，热结构决定了行星热量损失的速度，因此在气体巨星的长期演化中起着至关重要的作用。热结构也影响大气化学和彩色云的性质，使我们能够看到这些行星上壮观的流体模式。

气态巨行星与岩石类地行星形成了有趣的对比，因为它们缺乏固体表面。而不是太阳辐射有可能穿透到地面并被吸收，因此加热大气从下面，当太阳光束向下传播并衰减时，气体巨星上的太阳辐射在整个大气的上部不断沉积。此外，与岩石行星不同的是，来自内部的热流在气候中起着微不足道的作用，气体巨星的流体性质允许大量的热流从内部逸出到太空。raybet雷竞技最新对于木星和土星来说，这种热通量与从太阳接收到的能量通量相当。在接下来的章节中，我们的目标之一将是学习大气驱动气体巨星的独特性质如何影响热结构。这些气体巨星也提供了一个有趣的机会来检验这些想法raybet雷竞技最新气候受到大气成分。这些行星主要由H2组成，含有少量的He和一系列其他物质，包括氨(NH3)、甲烷(CH4)和水，后三种物质以气态和冷凝形式存在。其组成影响大气的热力学，以及红外和可见光的光学特性。

天王星和海王星就像气体巨星一样，它们在任何深度都没有明显的固体表面，这可能会对大气产生重大影响。然而，它们通常被单独归类为冰巨星，因为它们含有更高比例的尚无结冰水、氨和甲烷等物质。大气层外层的成分可以通过光谱观测来确定，其中含有很高比例的氢和氦。然而，行星的总体密度限制了它们主要由冰地幔组成。在天王星的情况下，冰地幔必须占行星总质量的9.3到13.4个地球质量，也就是14.5个地球质量。类似的比例也适用于海王星。通常使用的术语“冰地幔”有些误导，因为这种物质实际上是一种热的、冰沙状的混合物，更恰当的描述是水-氨海洋。无论使用什么术语，决定冰地幔和更气态的外层大气之间转变性质的热结构都涉及到地球的所有相同问题大气能量在其他星球上的平衡。天王星的一个新特征是它的轴向倾斜．它的旋转轴几乎垂直于轨道平面的法线。换句话说，轴几乎在轨道平面上。这意味着在天王星北半球的夏天，北极直接指向太阳，整个南半球处于黑暗之中。作为对比，地球的轴目前只相对于平线倾斜23.4o。天王星的高轴向倾斜可能会给这颗行星一个极端的季节周期，尽管要观察它需要很长时间，因为天王星的一年是84个地球年。轴向倾斜对季节性周期我们将在第七章中概括性地讨论行星的数量。在天王星和海王星的遥远轨道上接收到的非常低的太阳辐射导致极度寒冷外层大气，特别是在海王星的情况下。这些行星提供了一个机会来研究由极其微弱的气流驱动的大气的新特征太阳能，还有来自内部的同样微弱的热量。尽管海王星的热驱动较弱，但它拥有太阳系中迄今为止最强的风，以及各种有趣的气象特征。关于行星风，我们不会说得太多，但就像气体巨星的情况一样，对热结构的良好理解是对气象学进行任何攻击的先决条件。

气体和冰巨星也挑战了我们关于宜居带的概念，宜居带是指行星的轨道上有一些区域，那里的温度与地球类似，允许液态水存在。气体和冰巨星没有明显的表面，但它们都有一定的深度，温度与地球相似，液态水可以存在。大气中也有大量有机分子的化学原料，包括氨和甲烷。这里的压力并不比地球海洋底部的压力大。人们可能对生命在地表生存有一些偏见，但必须记住，在地球上，生命首先出现在海洋中，并在冒险登上陆地之前在那里生活了数十亿年。气态和冰质的巨行星也可以被认为是“全海洋”，而不是“全海洋”。所有大气“因此，目前还远不清楚它们是否适合居住，至少对不需要太多阳光的化学合成生命来说是这样。我们对宜居地带的思考，对那些在岩石表面生存的生命过于偏见。

从行星气候的角度来看，太阳系中最有趣的天体之一根本不是行星，而是卫raybet雷竞技最新星。环绕土星运行的土卫六是一个相当大的冰体，其半径是火星半径的76%。因为它是由冰而不是岩石组成的，所以表面重力很低:1.35米/s2，实际上比月球的表面重力要低，尽管月球比土卫六小。然而，土卫六的有趣之处在于它稠密的大气层。土卫六的大气主要由氮组成，其表面压力约为地球的1.5倍。更有趣的是，大气的下层大约有30%是甲烷。在土卫六的低温(约95K)下，甲烷会像雨一样落下，并参与一个与地球上的水类似的水文循环，但作用温度要低得多。在接下来的章节中，我们将发展物理学来研究土卫六上甲烷和地球上水的作用之间的异同。土卫六的大气层也是一个沸腾的有机化工厂，由上层大气中的甲烷制造出复杂的长链碳氢化合物烟雾。这些烟雾吸收太阳辐射，遮蔽地表，是土卫六气候的关键因素。raybet雷竞技最新 Such organic hazes were first discovered on Titan, but there are speculations that similar hazes could have been present in methane-dominated atmospheres of the Early Earth.

关于土卫六的一个主要问题是它为什么还留有大气层。考虑到低重力，氮气大气将很快逸出(我们将在第8章中看到相关的物理学)。此外，大气中的化学反应将逐渐将所有甲烷转化为隔离在地表的柏油污泥。无论如何，土卫六的大气层必须由回收化学物质沉积在表面，以及从内部排出N2(可能以氨的形式)和CH4。这究竟是如何发生的是土卫六的一大问题。

即使是没有明显大气层的冰冷卫星也能表现出相当有趣的特征。木星的卫星木卫二就是一个很好的例子。这颗卫星上有一层10到50公里厚的水冰外壳，但在外壳下面有一个液态水海洋。木卫二显示了一个有趣的范围地壳的特征，包括一些表明海洋融化的说法。当然，海洋的存在引起了人们的注意，因为它可能是生命的栖息地。冰冷的卫星挑战了行星科学的认识论界限。在木卫二表面的低温下，就像在土卫六上一样，水冰基本上是一种岩石，就像沙子可以被认为是地球上SiO2的“冰”一样。的的遗留物与氨、甲烷和其他化合物形成矿物质，当温度足够高时，冰矿物就会流动或融化，形成冰火山作用。在研究木卫二、土卫六或其他冰冻卫星的地壳和内部时，我们是在研究地质学、海洋学还是冰川学?不管你想叫它什么，这些卫星，正如人们所说的，“总是冰冷的，从不沉闷。”

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