Bortom vårt solsystems ' Frost Line ” – regionen där flyktiga ämnen som vatten, ammoniak och metan börjar frysa – fyra massiva planeter finns. Även om dessa planeter – Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus – varierar i fråga om storlek, massa och sammansättning, delar de alla vissa egenskaper som gör att de skiljer sig mycket från planeterna jordiska planeter belägen i det inre solsystemet.
Officiellt utpekade som gas- (och/eller is) jättar, går dessa världar också under namnet 'jovianska planeter'. Namnet används omväxlande med termer som gasjätte och jätteplanet och beskriver världar som i huvudsak är 'Jupiter-liknande'. Och medan solsystemet innehåller fyra sådana planeter, har undersökningar utanför solsystemet upptäckt hundratals jovianska planeter, och det är bara så långt...
Definition:
Termen Jovian kommer från Jupiter, den största av de Yttre planeter och den första som observerades med ett teleskop – av Galileo Galilei 1610 . Med sitt namn från den romerske gudarnas kung – Jupiter eller Jove – har adjektivet Jovian kommit att betyda allt som förknippas med Jupiter; och i förlängningen en Jupiter-liknande planet.
Jätteplaneterna i solsystemet (aka. Jovierna). Kredit: spiff.rit.edu
Inom solsystemet finns fyra jovianska planeter - Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus. En planet som betecknas som Jovian är därför en gasjätte, som huvudsakligen består av väte och heliumgas med varierande grad av tyngre grundämnen. Förutom att ha stora system av månar har dessa planeter var och en sina ringsystem också.
Ett annat vanligt drag hos gasjättar är deras brist på yta, åtminstone jämfört med jordiska planeter. I alla fall definierar forskare 'ytan' på en gasjätte (för att definiera temperaturer och lufttryck) som den region där atmosfärstrycket överstiger en bar (trycket som finns på jorden vid havsnivån).
Struktur och sammansättning:
I alla fall består gasjättarna i vårt solsystem huvudsakligen av väte och helium, medan resten tas upp av tyngre grundämnen. Dessa element motsvarar en struktur som är differentierad mellan ett yttre skikt av molekylärt väte och helium som omger ett skikt av flytande (eller metalliskt) väte eller flyktiga element, och en trolig smält kärna med en stenig sammansättning.
På grund av skillnader i deras struktur och sammansättning är de fyra gasjättarna ofta differentierade, där Jupiter och Saturnus klassificeras som 'gasjättar' medan Uranus och Neptunus är 'isjättar'. Detta beror på det faktum att Neptunus och Uranus har högre koncentrationer av metan och tyngre grundämnen – som syre, kol, kväve och svavel – i sitt inre.
Interiörmodeller av jätteplaneterna, som visar steniga kärnor överlagrade av fasta och gasformiga höljen. Kredit: NASA/JPL
I skarp kontrast till de jordiska planeterna är gasjättarnas densitet något större än vatten (1 g/cm³). Det enda undantaget från detta är Saturnus, där medeldensiteten faktiskt är lägre än vatten (0,687 g/cm)3). I alla fall ökar temperatur och tryck dramatiskt ju närmare man kommer in i kärnan.
Atmosfäriska förhållanden:
Ungefär som deras strukturer och sammansättningar, är atmosfärerna och vädermönster för de fyra gas/isjättarna ganska lika. Den primära skillnaden är att atmosfärerna blir gradvis svalare ju längre bort de är från solen. Som ett resultat har varje joviansk planet distinkta molnlager vars höjder bestäms av deras temperaturer, så att gaserna kan kondensera till flytande och fasta tillstånd.
Kort sagt, eftersom Saturnus är kallare än Jupiter på någon speciell höjd, förekommer dess molnlager djupare i dess atmosfär. Uranus och Neptunus kan, på grund av sina ännu lägre temperaturer, hålla kondenserad metan i sina mycket kalla troposfärer, medan Jupiter och Saturnus inte kan.
Närvaron av denna metan är det som ger Uranus och Neptunus deras disiga blå färg, där Jupiter är orange-vit till utseendet på grund av sammanblandningen av väte (som ger ett rött utseende), medan uppströmningen av fosfor, svavel och kolväten ger efter. fläckiga områden och ammoniakkristaller skapar vita band.
Jupiter och Saturnus har liknande utseenden, på grund av deras liknande sammansättningar och atmosfärer. Kredit: NASA/GSFC
Jupiters atmosfär delas in i fyra lager baserat på ökande höjd: troposfären, stratosfären, termosfären och exosfären. Temperatur och tryck ökar med djupet, vilket leder till att stigande konvektionsceller dyker upp som bär med sig fosfor, svavel och kolväten som interagerar med UV-strålning för att ge den övre atmosfären dess fläckiga utseende.
Saturnus atmosfär liknar Jupiters sammansättning. Därför är den lika färgad, även om dess band är mycket svagare och är mycket bredare nära ekvatorn (vilket resulterar i en blek guldfärg). Precis som med Jupiters molnlager är de uppdelade i de övre och nedre lagren, som varierar i sammansättning baserat på djup och tryck. Båda planeterna har också moln som består av ammoniakkristaller i deras övre atmosfärer, med ett eventuellt tunt lager av vattenmoln underliggande dem.
Uranus atmosfär kan delas in i tre sektioner - den innersta stratosfären, troposfären och den yttre termosfären. Troposfären är det tätaste lagret och råkar också vara det kallaste i solsystemet . Inom troposfären finns lager av moln, med metanmoln på toppen, ammoniumhydrosulfidmoln, ammoniak- och svavelvätemoln och vattenmoln vid de lägsta trycken.
Nästa är stratosfären, som innehåller etan smog, acetylen och metan, och dessa dis hjälper till att värma detta lager av atmosfären. Här ökar temperaturerna rejält, mycket på grund av solinstrålning. Det yttersta lagret (termosfären och korona) har en enhetlig temperatur på 800-850 (577 °C/1 070 °F), även om forskarna är osäkra på orsaken.
Uranus och Neptunus, solsystemets isgigantiska planeter. Kredit: Wikipedia Commons
Detta är något som Uranus delar med Neptunus, som också upplever ovanligt höga temperaturer i sin termosfär (cirka 750 K (476,85 °C/890 °F). Liksom Uranus är Neptunus för långt från solen för att denna värme ska kunna genereras genom absorption av ultraviolett strålning, vilket innebär att en annan uppvärmningsmekanism är inblandad.
Neptunus atmosfär är också till övervägande del väte och helium, med en liten mängd metan. Närvaron av metan är en del av det som ger Neptunus dess blå nyans, även om Neptunus är mörkare och mer levande. Dess atmosfär kan delas in i två huvudregioner: den nedre troposfären (där temperaturen minskar med höjden) och stratosfären (där temperaturen ökar med höjden).
Den nedre stratosfären tros innehålla kolväten som etan och etyn, som är resultatet av metan som interagerar med UV-strålning, vilket skapar Neptunus atmosfäriska dis. Stratosfären är också hem för spårmängder av kolmonoxid och vätecyanid, som är ansvariga för att Neptunus stratosfär är varmare än Uranus.
Vädermönster:
Liksom jorden upplever Jupiter norrsken nära dess norra och södra poler. Men på Jupiter är norrskensaktiviteten mycket mer intensiv och slutar sällan någonsin. Dessa är resultatet av Jupiters intensiva strålning, dess magnetfält och mängden material från Ios vulkaner som reagerar med Jupiters jonosfär.
Omarbetad vy av Björn Jonsson av den stora röda fläcken tagen av Voyager 1 1979 avslöjar en otrolig detaljrikedom. Kredit: NASA/JPL
Jupiter upplever också våldsamma vädermönster . Vindhastigheter på 100 m/s (360 km/h) är vanliga i zonstrålar och kan nå så höga som 620 km/h (385 mph). Stormar bildas inom några timmar och kan bli tusentals km i diameter över natten. En storm, den Stor röd fläck , har rasat sedan åtminstone det sena 1600-talet.
Stormen har krympt och expanderat genom hela sin historia; men 2012 föreslogs det att Giant Red Spot så småningom kan försvinna . Jupiter upplever också periodvis blixtar av blixten i dess atmosfär , som kan vara upp till tusen gånger så kraftfulla som de som observeras här på jorden.
Saturnus atmosfär är liknande, uppvisar långlivade ovaler då och då som kan vara flera tusen kilometer breda. Ett bra exempel är Stor vit fläck (aka. Great White Oval), ett unikt men kortlivat fenomen som inträffar en gång vart 30:e jordår. Sedan 2010 har ett stort band av vita moln kallats Nordlig elektrostatisk störning har observerats omsluta Saturnus och tros följas av en annan 2020.
Vindarna på Saturnus är de näst snabbaste bland solsystemets planeter, som har nått en uppmätta höjd på 500 m/s (1800 km/h). Saturnus norra och södra poler har också visat tecken på stormigt väder. Vid nordpolen har detta formen av en bestående hexagonalt vågmönster mäter cirka 13 800 km (8 600 mi) och roterar med en period på 10h 39m 24s.
Saturnus gör en vackert randig prydnad i denna naturliga färgbild, som visar dess nordpolära hexagon och centrala virvel. Kredit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Sydpolens virvel tar tydligen formen av en jetström, men inte en sexkantig stående våg. Dessa stormar beräknas generera vindar på 550 km/h, är jämförbara i storlek med jorden och tros ha pågått i miljarder år. 2006 rymdsonden Cassini observerade en orkanliknande storm som hade ett klart definierat öga. Sådana stormar hade inte observerats på någon annan planet än jorden – inte ens på Jupiter.
Uranus väder följer ett liknande mönster där system bryts upp i band som roterar runt planeten, som drivs av intern värme som stiger till den övre atmosfären. Vindarna på Uranus kan nå upp till 900 km/h (560 mph), vilket skapar massiva stormar som den som upptäcktes av rymdteleskopet Hubble 2012. I likhet med Jupiters stora röda fläck, är denna ' Mörk fläck ” var en gigantisk molnvirvel som mätte 1 700 kilometer gånger 3 000 kilometer (1 100 miles gånger 1 900 miles).
Eftersom Neptunus inte är en fast kropp, genomgår dess atmosfär differentiell rotation, med dess breda ekvatorialzon som roterar långsammare än planetens magnetfält (18 timmar mot 16,1 timmar). Däremot gäller det omvända för de polära områdena där rotationsperioden är 12 timmar. Denna differentiella rotation är den mest uttalade av alla planeter i solsystemet, och resulterar i kraftig latitudinell vindskjuvning och våldsamma stormar.
Rekonstruktion av Voyager 2-bilder som visar Great Dar Spot (överst till vänster), Scooter (mitten) och Small Dark Spot (nedre till höger). Kredit: NASA/JPL
Den första som upptäcktes var en massiv anticyklonstorm som mätte 13 000 x 6 600 km och som liknar Jupiters stora röda fläck. Känd som Stor mörk fläck , denna storm upptäcktes inte fem senare (2 november 1994) när rymdteleskopet Hubble letade efter den. Istället hittades en ny storm som var väldigt lik till utseendet på planetens norra halvklot, vilket tyder på att dessa stormar har en kortare livslängd än Jupiters.
Exoplaneter:
På grund av de begränsningar som våra nuvarande metoder inför, är de flesta av exoplaneter hittills upptäckts av undersökningar som Kepler rymdobservatorium har varit jämförbara i storlek med de jättelika planeterna i solsystemet. Eftersom dessa stora planeter antas ha mer gemensamt med Jupiter än med de andra jätteplaneterna, har termen 'Jovian Planet' använts av många för att beskriva dem.
Många av dessa planeter, som är större i massa än Jupiter, har också kallats 'Super-Jupiters' av astronomer. Sådana planeter finns vid gränsen mellan planeter och bruna dvärgstjärnor , de minsta stjärnorna som finns i vårt universum. De kan vara upp till 80 gånger mer massiva än Jupiter men är fortfarande jämförbara i storlek, eftersom deras starkare gravitation komprimerar materialet till en allt tätare, mer kompakt sfär.
Konstnärens koncept av 'Hot Jupiter' exoplaneten HD 149026b. Kredit: NASA/JPL-Caltech
De Super-Jupiters som har avlägsna banor från sina moderstjärnor kallas 'Cold Jupiters', medan de som har nära banor kallas 'Hot Jupiters'. Ett överraskande antal heta Jupiters har observerats av exoplanetundersökningar, på grund av att de är särskilt lätta att upptäcka med hjälp av metoden Radial Velocity – som mäter svängningen hos moderstjärnor på grund av deras planeters inverkan.
Tidigare trodde astronomer att Jupiterliknande planeter bara kunde bildas i de yttre delarna av ett stjärnsystem. Den senaste upptäckten av många Jupiter-stora planeter som kretsar nära sina stjärnor har dock kastat tvivel om detta. Tack vare upptäckten av Jovians bortom vårt solsystem kan astronomer tvingas ompröva våra modeller för planetbildning.
Sedan Galileo först observerade Jupiter genom sitt teleskop, har jovianska planeter varit en oändlig källa till fascination för oss. Och trots många århundraden av forskning och framsteg finns det fortfarande många saker vi inte vet om dem. Vårt senaste försök att utforska Jupiter, den Juno Mission , förväntas ge några ganska intressanta fynd. Vi hoppas att de tar oss ett steg närmare att förstå de där jävla jovianerna!
Vi har skrivit många intressanta artiklar om gasjättar här på Universe Today. Här är Solsystemguide , De yttre planeterna , Vad finns inuti en gasjätte? , och Vilka planeter har ringar?
För mer information, kolla in NASA Utforskning av solsystemet sida och Science Daily's de jovianska planeterna .
Astronomy Cast har ett antal avsnitt på de jovianska planeterna, inklusive Avsnitt 56: Jupiter .