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冰巨行星(英語:ice giant,又稱類海行星),是一種主要由比氫和氦更重的氣體組成的巨行星,例如氧、碳、氮和硫等。在太阳系中,天王星和海王星均是典型的冰巨行星[1]。在它們的質量大約只有20%是氫和氦,而氣態巨行星(木星和土星)的質量中通常主要是含有90%以上的氫和氦。在1990年代,人們意識到天王星和海王星是另一類獨特的巨行星,獨立於其他的巨行星。
於1990年代,天文學家發現天王星和海王星其實與氣態巨行星不同,因為它們只有20%的成份是氫氣,而木星和土星等氣態巨行星卻有高達90%的成份都是氫氣。[1]這些冰巨行星的主要成份為「冰」,即比氫和氦更重的元素。[1]這些材料在冰巨行星的形成過程中是以固體的狀態存在,但現在只存在於某特定情況,如超臨界流體。[1]儘管冰巨行星的表層仍然是以氫氣為主,但在這範圍之下的內部區域則大致呈現「冰凍」狀態。[1]這些「冰」主要由水、氨與甲烷組成,因此水的状态方程對冰巨行星的形成佔有非常重要的地位。[2]與氣態巨行星不同的是,這些冰巨行星的核心缺乏金属氢。[1][3]
冰巨行星有著變化極大的大氣模式,其中包括极地涡旋、強烈的緯向風,和大尺度環流。[1]現在還沒有任何模型能夠準確解釋這些氣候系統。[1]因為它們的巨大規模和低熱導率,行星內部的壓力可達數百GPa,而溫度則可達數千K。[4][2]於2012年3月,天文學家們發現,冰巨行星中的水的可壓縮性可能少於正常的三分之一。[5]這個數據有助於為冰巨行星建模,並能有助天文學家們對它們的理解。[5]除了天王星和海王星外,太陽系外也有冰巨行星的存在。[5]
冰巨行星的大小比氣態巨行星小,但仍然比類地行星大。[6]冰巨行星大小受到約束,源於一個重要因素:氣態巨行星的形成必須比類地行星快,因為它們要防止原行星盤中的氣體消散。[6]根據觀測年輕星團中的原行星盤,冰巨行星必須在3-10萬年之內形成,之後原行星盤就會開始消散。[6][7]
天王星和海王星的磁場均異常地移位和傾斜。[8]這些冰巨行星的磁場強度介乎於氣態巨行星和類地行星之間,即地球磁場強度的數十倍。天王星和海王星的磁場強度分別是地球的50倍和25倍。[8]這些冰巨行星的磁場是來自其電離對流熔融冰幔。[8]
冰巨行星的大小明顯比氣態巨行星小得多:木星和土星的赤道半徑分別是71492公里和60268公里,但天王星和海王星僅有25559公里和24764公里。儘管如此,冰巨行星仍然比類地行星大得多(地球的赤道半徑僅為6378公里)。[9]而它們的質量、自轉周期、卫星数量等亦介乎於氣態巨行星與類地行星之間。[10]
亮灰色為冰巨行星
淡棕色為類木行星
水藍色為類地行星
天体 | 赤道半径 (km) |
赤道重力 地球=1 |
體積 地球=1 |
质量 地球=1 |
平均密度 (g/cm) |
轨道半径 (AU) |
赤道傾角 (度) |
公转周期 (地球年) |
自转周期 (地球日) |
已发现卫星数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
天王星 | 25559 | 0.89 | 63 | 14.54 | 1.27 | 19.2184 | 97.9 | 84.01年 | 17小时14分钟 | 27 |
海王星 | 24764 | 1.11 | 58 | 17.15 | 1.64 | 30.1104 | 27.8 | 164.82年 | 16小时06分钟 | 14 |
木星 | 71492 | 2.48 | 1321 | 317.832 | 1.33 | 5.2026 | 3.08 | 11.86年 | 9小时50分钟 | 95 |
土星 | 60268 | 0.94 | 755 | 95.16 | 0.69 | 9.5549 | 26.7 | 29.46年 | 10小时39分钟 | 83 |
地球 | 6378 | 1.00 | 1.00 | 1.000 | 5.52 | 1.0000 | 23.44 | 1年 | 23小时56分钟 | 1 |