高中地球科学/外行星

距离太阳最远的四颗行星——木星、土星、天王星和海王星——被称为我们太阳系的外行星。图 25.19 显示了外行星和太阳的相对大小。由于它们比地球和其他内行星大得多，并且主要由气体和液体而不是固体物质构成，因此外行星也被称为气态巨行星。

气态巨行星主要由氢和氦构成，与构成太阳大部分物质的元素相同。天文学家认为，当太阳系最初形成时，氢和氦气体在整个太阳系中大量存在。然而，内行星的质量不足以留住这些非常轻的气体。结果，这些内行星上最初存在的氢和氦漂浮到太空中。只有太阳和质量巨大的外行星拥有足够的引力来阻止氢和氦飘散。

所有外行星都有许多卫星。所有外行星也都有行星环，它们是围绕行星在薄平面上环绕的尘埃和其他微小颗粒的环。只有土星的环可以从地球上轻松观察到。

学习目标

描述外行星及其卫星的关键特征。
比较外行星彼此之间以及与地球的差异。

木星

木星，如图 25.20 所示，是我们太阳系中最大的行星，也是太阳系中除了太阳之外最大的天体。木星以罗马神话中的众神之王命名。木星的确是一个巨人！它比地球的密度要低得多——它的质量是地球的 318 倍，但体积是地球的 1300 倍以上。由于木星非常大，它反射了大量的阳光。当它可见时，它是夜空中除了月亮和金星之外最明亮的天体。这种亮度更令人印象深刻的是，木星距离地球相当远——5.20 个天文单位。木星绕太阳运行一周大约需要 12 个地球年。

一个液态气体球

如果宇宙飞船试图降落在木星表面，宇航员会发现根本没有固体表面！木星主要由氢组成，其中还有一些氦，以及少量其他元素。行星的外层是大气层。在行星内部更深处，压力将气体压缩成液体。一些证据表明木星的中心可能有一个小的岩石核心。

一个暴风雨般的氛围

木星大气的上层包含氨 (NH₃) 云，呈不同的颜色带。这些带绕行星旋转，但也以湍流风暴的形式旋转。大红斑，如图 25.21 所示，是一个巨大的椭圆形风暴，位于木星赤道以南。它比整个地球宽三倍多！风暴中的云以逆时针方向旋转，大约每六天旋转一周。大红斑已经在木星上存在了至少 300 年。这个风暴可能是木星上的一个永久特征，但这还不确定。

木星的卫星和环

木星有非常多的卫星。截至 2008 年，我们已经发现了 60 多颗木星的天然卫星。其中，有四颗卫星足够大、足够亮，可以用肉眼从地球上看到，只需要使用双筒望远镜即可。这四颗卫星——分别名为木卫一、木卫二、木卫三和木卫四——是伽利略在 1610 年首次发现的，因此有时被称为伽利略卫星。

图 25.22 显示了四颗伽利略卫星及其相对于大红斑的尺寸。伽利略卫星比矮行星冥王星、谷神星和阋神星还要大。事实上，木卫三是太阳系中最大的卫星，甚至比水星还要大！

科学家们对木卫二（伽利略卫星中最小的一个）特别感兴趣，因为它可能是发现地外生命的一个可能场所。木卫二的表面是一层光滑的冰层。有证据表明，冰层下面有一片液态水海洋。木卫二还拥有持续的能量来源——当它被木星的潮汐力拉伸和压缩时，它会被加热。由于它拥有液态水和持续的热源，天体生物学家推测生命可能在木卫二上形成，就像在地球上一样。许多任务计划探索木卫二，包括钻穿冰层并将探测器送入海洋的计划。然而，目前还没有尝试过此类任务。

1979 年，两艘宇宙飞船（旅行者 1 号和旅行者 2 号）访问了木星及其卫星。旅行者号任务的照片显示，木星有一个环系统。这个环系统非常暗淡，因此很难从地球上观察到。

土星

土星，如图 25.23 所示，以其美丽的环而闻名。土星的质量大约是地球的 95 倍，体积是地球的 755 倍，是太阳系中第二大行星。尽管它体型巨大，但土星是我们太阳系中密度最小的行星。它的密度小于水，这意味着如果有一个足够大的浴缸，土星就可以漂浮起来。在罗马神话中，土星是木星的父亲。因此，这是继木星之后下一个行星的合适名称。土星绕太阳运行一周大约需要 30 个地球年。

土星的构成与木星相似。它主要由氢和氦构成，它们在外层是大气层，而在深层是液体。它可能也有一个小的固体核心。上层大气层有不同颜色的带状云。这些云快速绕行星旋转，但土星上的湍流和风暴似乎比木星少。

一个奇怪的六边形

土星北极有一个奇怪的特征——云层形成六边形图案，如图 25.24 中的红外图像所示。这个六边形在 1980 年代由旅行者 1 号观测到，并在 2006 年由卡西尼号轨道器再次观测到，因此它似乎是一个持久的特征。尽管天文学家已经假设和推测导致这些六边形云层的原因，但还没有人提出令人信服的解释。

土星环

土星环最早由伽利略在 1610 年观测到。然而，他无法清晰地看到它们，以至于没有意识到它们是环；他认为它们可能是两颗大型卫星，一颗在土星的每一侧。1659 年，荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯第一个意识到这些环实际上是环，而不是卫星。这些环环绕土星赤道。它们看起来倾斜是因为土星本身相对于其轨道平面倾斜了大约 27 度。这些环不接触行星。

旅行者 1 号宇宙飞船于 1980 年访问了土星，随后是旅行者 2 号于 1981 年访问。旅行者探测器发回了土星、它的环和一些卫星的详细图像。从旅行者号的数据中，我们得知土星环是由水和冰的粒子组成，还有一些尘埃。环中有一些空隙。一些空隙是由环内的卫星清除的。科学家认为卫星的引力导致环尘埃和气体落向卫星，从而在环中留下空隙。环中的其他空隙是由土星和环外卫星的相互竞争的引力引起的。

土星的卫星

截至 2008 年，已在土星周围发现了 60 多颗卫星。其中大多数非常小。甚至有一些在环内被发现。从某种意义上说，环中的所有粒子都像小卫星一样，因为它们围绕着土星运行。土星只有七颗卫星足够大，它们的引力使它们呈球形，而除了其中一颗之外，所有卫星都比地球的月球小。

土星最大的卫星土卫六，大约是地球月球大小的一倍半，也比水星大。图 25.25 将土卫六的大小与地球进行了比较。科学家对土卫六非常感兴趣，因为它拥有类似于地球在生命诞生之前可能拥有的地球大气层。土卫六表面可能在冰层之下存在一层液态水。科学家现在认为土卫六表面也存在湖泊，但这些湖泊中含有液态甲烷 (CH₄) 和乙烷 (C₂H₆)，而不是水！甲烷和乙烷是天然气中发现的化合物，天然气是地球上自然存在的混合气体，通常用作燃料。

天王星

天王星，如图 25.26 所示，以希腊天空之神命名。在希腊神话中，天王星是克洛诺斯的父亲，克洛诺斯是罗马神萨图恩的希腊等价物。顺便说一下，天文学家将这个名字发音为“YOOR-uh-nuhs”。

天王星在古代观察者中并不为人所知。它最早由天文学家威廉·赫歇尔于 1781 年发现。天王星可以用肉眼从地球上看到，但几个世纪以来一直被忽视，因为它非常暗淡。天王星之所以暗淡，是因为它离太阳很远，而不是因为它很小。它距离太阳约 28 亿公里（18 亿英里）。来自太阳的光需要大约 2 小时 40 分钟才能到达天王星。天王星绕太阳运行一周大约需要 84 个地球年。

一个冰冷的蓝绿色球体

与木星和土星一样，天王星主要由氢和氦组成。它外面有一层厚厚的云层，内部是液体。然而，天王星比木星和土星具有更高比例的冰状物质，如水、氨 (NH₃) 和甲烷 (CH₄)。当阳光反射到天王星上时，甲烷云会滤除红光，使这颗行星呈现蓝绿色。天王星大气中存在云层带，但在正常光线下很难看到，因此这颗行星看起来像一个普通的蓝色球体。

天王星是外行星中最轻的，质量约为地球质量的 14 倍。虽然它的质量比地球大得多，但它的密度却比地球低得多。在天王星的“表面”，引力实际上比地球表面弱。如果你身处天王星的云层顶端，你的体重会比在地球上轻 10% 左右。

侧倾的行星

太阳系中的大多数行星都以与它们绕太阳运动相同的方向绕其轴自转。然而，天王星是侧倾的，因此它的轴几乎平行于其轨道。换句话说，它就像一个被翻转的陀螺，以平行于地板的方式旋转。科学家认为，数十亿年前，天王星可能与另一颗行星大小的天体发生碰撞而倾斜。

天王星的环和卫星

天王星拥有一个微弱的环系统，如图 25.27 所示。这些环围绕着这颗行星的赤道运行，但由于天王星是侧倾的，因此这些环几乎垂直于这颗行星的轨道。

天王星拥有 27 颗已知的卫星。除了少数几颗之外，所有卫星都以威廉·莎士比亚戏剧中的角色命名。天王星的五颗最大卫星——米兰达、艾瑞尔、乌姆伯里尔、泰坦尼亚和奥伯龙，如图 25.28 所示。

海王星

海王星，如图 25.29 所示，是距离太阳第八远的行星。它是唯一一颗无法从地球上用肉眼看到的 major 行星。科学家在海王星真正被发现之前就预测了它的存在。他们注意到天王星并不总是出现在它应该出现的位置。他们知道在天王星之外一定还有另一颗行星，它的引力影响着天王星的轨道。这颗行星于 1846 年被发现，位置与预测的一致，并且由于它的蓝色，它被命名为海王星，以罗马海神命名。

海王星的质量略大于天王星，但大小略小。在许多方面，它类似于天王星。天王星和海王星通常被认为是“姐妹行星”。海王星距离太阳近 45 亿公里（28 亿英里），比遥远的天王星还要远得多。它在轨道上移动非常缓慢，绕太阳运行一周需要 165 个地球年。

极度寒冷和狂风

海王星是蓝色的，有一些深色和浅色的斑点。蓝色是由大气气体造成的，包括甲烷 (CH₄)。当旅行者 2 号在 1989 年最靠近海王星时，在赤道以南有一个巨大的深蓝色斑点。这个斑点被称为大黑斑。然而，当哈勃太空望远镜在 1994 年拍摄海王星的照片时，大黑斑已经消失了。相反，在赤道以北出现了一个新的黑斑。天文学家认为这两个斑点代表着海王星甲烷云层中的空隙。

海王星外观的变化是由于其动荡的大气造成的。海王星上的风速比太阳系中任何其他行星上的风速都快，达到每小时 1100 公里（每小时 700 英里），接近声速。这种极端天气让天文学家感到惊讶，因为这颗行星从太阳那里接收到的能量很少，不足以驱动天气系统。海王星也是太阳系中最冷的地方之一。云层顶端的温度约为 -218°C（-360°F）。

海王星的环和卫星

像其他外行星一样，海王星也有由冰和尘埃组成的环。这些环比土星的环薄得多，也暗淡得多。一些证据表明海王星的环可能不稳定，可能会在相对较短的时间内发生变化或消失。

海王星有 13 颗已知的卫星。图 25.30 所示的海卫一，是其中唯一质量足够大到呈球形的卫星。海卫一的轨道方向与海王星的轨道方向相反。科学家认为海卫一不是围绕海王星形成的，而是被海王星的引力捕获的，当时它经过海王星附近。

冥王星

冥王星曾经被认为是外行星之一，但当行星的定义在 2006 年被改变时，冥王星成为矮行星的领导者之一。它是构成这个星系群中最大、最亮的天体之一。在下一节关于矮行星的讨论中，你可以找到关于冥王星的信息。冥王星不再被认为是行星。

课程总结

四大外行星——木星、土星、天王星和海王星——都是气体巨行星，主要由氢和氦组成。它们拥有厚厚的气态外层和液态内部。

所有外行星都有许多卫星，以及由尘埃和其他粒子组成的行星环。
木星是太阳系中最大的行星。它有不同颜色的云带，以及一个被称为大红斑的持续风暴。
木星有 60 多颗卫星。最大的四颗卫星是由伽利略发现的，被称为伽利略卫星。
伽利略卫星之一，木卫二，可能在冰层下有一个液态水海洋。这个海洋的条件可能适合生命发展。
土星比木星小，但组成和结构相似。
土星拥有一个巨大的美丽光环系统。土星最大的卫星，土卫六，拥有类似于地球在生命形成之前的大气层。
天王星和海王星是在近代被发现的。它们在大小和组成上彼此相似。它们都比木星和土星小，而且含有更多的冰状物质。
天王星倾斜着，可能是由于过去与一个大型物体碰撞造成的。
海王星非常寒冷，并且拥有非常强烈的风。它曾经有一个大的暗斑，后来消失了，然后在星球的另一个地方又出现了一个暗斑。这些暗斑是海王星大气层中的风暴。
冥王星不再被认为是外行星之一。它现在被认为是一颗矮行星。

复习题

a) 按距离太阳从近到远排列外行星的顺序，b) 按质量从大到小排列外行星的顺序，c) 按大小从大到小排列外行星的顺序。
为什么外行星被称为气体巨行星？
大红斑和暗斑有什么区别？
列出伽利略卫星，并解释为什么它们被称为伽利略卫星。
为什么木卫二可能是寻找外星生命的地方？
是什么导致了土星环中的缝隙？
为什么科学家对土卫六的大气层感兴趣？
土卫六表面有什么液体？
天王星为什么是蓝绿色的？
海王星最大的卫星叫什么名字？

词汇

伽利略卫星: 由伽利略发现的木星最大的四颗卫星。
气体巨行星: 四大外行星，由氢和氦气体组成。
大红斑: 木星上一个巨大的椭圆形风暴。
外行星: 我们太阳系中小行星带之外的四大行星。
行星环: 围绕行星的尘埃和岩石薄平面环。

思考点

内行星又小又岩石，而外行星又大又气态。为什么行星会形成这样的两组？
我们已经讨论了太阳、行星和行星的卫星。你能想到其他可以在我们的太阳系中找到的天体吗？

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