高中地球科學/外行星

距離太陽最遠的四顆行星——木星、土星、天王星和海王星——被稱為我們太陽系的外行星。圖 25.19 顯示了外行星和太陽的相對大小。由於它們比地球和其他內行星大得多，並且主要由氣體和液體而不是固體物質構成，因此外行星也被稱為氣態巨行星。

氣態巨行星主要由氫和氦構成，與構成太陽大部分物質的元素相同。天文學家認為，當太陽系最初形成時，氫和氦氣體在整個太陽系中大量存在。然而，內行星的質量不足以留住這些非常輕的氣體。結果，這些內行星上最初存在的氫和氦漂浮到太空中。只有太陽和質量巨大的外行星擁有足夠的引力來阻止氫和氦飄散。

所有外行星都有許多衛星。所有外行星也都有行星環，它們是圍繞行星在薄平面上環繞的塵埃和其他微小顆粒的環。只有土星的環可以從地球上輕鬆觀察到。

學習目標

描述外行星及其衛星的關鍵特徵。
比較外行星彼此之間以及與地球的差異。

木星

木星，如圖 25.20 所示，是我們太陽系中最大的行星，也是太陽系中除了太陽之外最大的天體。木星以羅馬神話中的眾神之王命名。木星的確是一個巨人！它比地球的密度要低得多——它的質量是地球的 318 倍，但體積是地球的 1300 倍以上。由於木星非常大，它反射了大量的陽光。當它可見時，它是夜空中除了月亮和金星之外最明亮的天體。這種亮度更令人印象深刻的是，木星距離地球相當遠——5.20 個天文單位。木星繞太陽執行一週大約需要 12 個地球年。

一個液態氣體球

如果宇宙飛船試圖降落在木星表面，宇航員會發現根本沒有固體表面！木星主要由氫組成，其中還有一些氦，以及少量其他元素。行星的外層是大氣層。在行星內部更深處，壓力將氣體壓縮成液體。一些證據表明木星的中心可能有一個小的岩石核心。

一個暴風雨般的氛圍

木星大氣的上層包含氨 (NH₃) 雲，呈不同的顏色帶。這些帶繞行星旋轉，但也以湍流風暴的形式旋轉。大紅斑，如圖 25.21 所示，是一個巨大的橢圓形風暴，位於木星赤道以南。它比整個地球寬三倍多！風暴中的雲以逆時針方向旋轉，大約每六天旋轉一週。大紅斑已經在木星上存在了至少 300 年。這個風暴可能是木星上的一個永久特徵，但這還不確定。

木星的衛星和環

木星有非常多的衛星。截至 2008 年，我們已經發現了 60 多顆木星的天然衛星。其中，有四顆衛星足夠大、足夠亮，可以用肉眼從地球上看到，只需要使用雙筒望遠鏡即可。這四顆衛星——分別名為木衛一、木衛二、木衛三和木衛四——是伽利略在 1610 年首次發現的，因此有時被稱為伽利略衛星。

圖 25.22 顯示了四顆伽利略衛星及其相對於大紅斑的尺寸。伽利略衛星比矮行星冥王星、穀神星和鬩神星還要大。事實上，木衛三是太陽系中最大的衛星，甚至比水星還要大！

科學家們對木衛二（伽利略衛星中最小的一個）特別感興趣，因為它可能是發現地外生命的一個可能場所。木衛二的表面是一層光滑的冰層。有證據表明，冰層下面有一片液態水海洋。木衛二還擁有持續的能量來源——當它被木星的潮汐力拉伸和壓縮時，它會被加熱。由於它擁有液態水和持續的熱源，天體生物學家推測生命可能在木衛二上形成，就像在地球上一樣。許多工計劃探索木衛二，包括鑽穿冰層並將探測器送入海洋的計劃。然而，目前還沒有嘗試過此類任務。

1979 年，兩艘宇宙飛船（旅行者 1 號和旅行者 2 號）訪問了木星及其衛星。旅行者號任務的照片顯示，木星有一個環系統。這個環系統非常暗淡，因此很難從地球上觀察到。

土星

土星，如圖 25.23 所示，以其美麗的環而聞名。土星的質量大約是地球的 95 倍，體積是地球的 755 倍，是太陽系中第二大行星。儘管它體型巨大，但土星是我們太陽系中密度最小的行星。它的密度小於水，這意味著如果有一個足夠大的浴缸，土星就可以漂浮起來。在羅馬神話中，土星是木星的父親。因此，這是繼木星之後下一個行星的合適名稱。土星繞太陽執行一週大約需要 30 個地球年。

土星的構成與木星相似。它主要由氫和氦構成，它們在外層是大氣層，而在深層是液體。它可能也有一個小的固體核心。上層大氣層有不同顏色的帶狀雲。這些雲快速繞行星旋轉，但土星上的湍流和風暴似乎比木星少。

一個奇怪的六邊形

土星北極有一個奇怪的特徵——雲層形成六邊形圖案，如圖 25.24 中的紅外影像所示。這個六邊形在 1980 年代由旅行者 1 號觀測到，並在 2006 年由卡西尼號軌道器再次觀測到，因此它似乎是一個持久的特徵。儘管天文學家已經假設和推測導致這些六邊形雲層的原因，但還沒有人提出令人信服的解釋。

土星環

土星環最早由伽利略在 1610 年觀測到。然而，他無法清晰地看到它們，以至於沒有意識到它們是環；他認為它們可能是兩顆大型衛星，一顆在土星的每一側。1659 年，荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯第一個意識到這些環實際上是環，而不是衛星。這些環環繞土星赤道。它們看起來傾斜是因為土星本身相對於其軌道平面傾斜了大約 27 度。這些環不接觸行星。

旅行者 1 號宇宙飛船於 1980 年訪問了土星，隨後是旅行者 2 號於 1981 年訪問。旅行者探測器發回了土星、它的環和一些衛星的詳細影像。從旅行者號的資料中，我們得知土星環是由水和冰的粒子組成，還有一些塵埃。環中有一些空隙。一些空隙是由環內的衛星清除的。科學家認為衛星的引力導致環塵埃和氣體落向衛星，從而在環中留下空隙。環中的其他空隙是由土星和環外衛星的相互競爭的引力引起的。

土星的衛星

截至 2008 年，已在土星周圍發現了 60 多顆衛星。其中大多數非常小。甚至有一些在環內被發現。從某種意義上說，環中的所有粒子都像小衛星一樣，因為它們圍繞著土星執行。土星只有七顆衛星足夠大，它們的引力使它們呈球形，而除了其中一顆之外，所有衛星都比地球的月球小。

土星最大的衛星土衛六，大約是地球月球大小的一倍半，也比水星大。圖 25.25 將土衛六的大小與地球進行了比較。科學家對土衛六非常感興趣，因為它擁有類似於地球在生命誕生之前可能擁有的地球大氣層。土衛六表面可能在冰層之下存在一層液態水。科學家現在認為土衛六表面也存在湖泊，但這些湖泊中含有液態甲烷 (CH₄) 和乙烷 (C₂H₆)，而不是水！甲烷和乙烷是天然氣中發現的化合物，天然氣是地球上自然存在的混合氣體，通常用作燃料。

天王星

天王星，如圖 25.26 所示，以希臘天空之神命名。在希臘神話中，天王星是克洛諾斯的父親，克洛諾斯是羅馬神薩圖恩的希臘等價物。順便說一下，天文學家將這個名字發音為“YOOR-uh-nuhs”。

天王星在古代觀察者中並不為人所知。它最早由天文學家威廉·赫歇爾於 1781 年發現。天王星可以用肉眼從地球上看到，但幾個世紀以來一直被忽視，因為它非常暗淡。天王星之所以暗淡，是因為它離太陽很遠，而不是因為它很小。它距離太陽約 28 億公里（18 億英里）。來自太陽的光需要大約 2 小時 40 分鐘才能到達天王星。天王星繞太陽執行一週大約需要 84 個地球年。

一個冰冷的藍綠色球體

與木星和土星一樣，天王星主要由氫和氦組成。它外面有一層厚厚的雲層，內部是液體。然而，天王星比木星和土星具有更高比例的冰狀物質，如水、氨 (NH₃) 和甲烷 (CH₄)。當陽光反射到天王星上時，甲烷雲會濾除紅光，使這顆行星呈現藍綠色。天王星大氣中存在雲層帶，但在正常光線下很難看到，因此這顆行星看起來像一個普通的藍色球體。

天王星是外行星中最輕的，質量約為地球質量的 14 倍。雖然它的質量比地球大得多，但它的密度卻比地球低得多。在天王星的“表面”，引力實際上比地球表面弱。如果你身處天王星的雲層頂端，你的體重會比在地球上輕 10% 左右。

側傾的行星

太陽系中的大多數行星都以與它們繞太陽運動相同的方向繞其軸自轉。然而，天王星是側傾的，因此它的軸幾乎平行於其軌道。換句話說，它就像一個被翻轉的陀螺，以平行於地板的方式旋轉。科學家認為，數十億年前，天王星可能與另一顆行星大小的天體發生碰撞而傾斜。

天王星的環和衛星

天王星擁有一個微弱的環系統，如圖 25.27 所示。這些環圍繞著這顆行星的赤道執行，但由於天王星是側傾的，因此這些環幾乎垂直於這顆行星的軌道。

天王星擁有 27 顆已知的衛星。除了少數幾顆之外，所有衛星都以威廉·莎士比亞戲劇中的角色命名。天王星的五顆最大衛星——米蘭達、艾瑞爾、烏姆伯里爾、泰坦尼亞和奧伯龍，如圖 25.28 所示。

海王星

海王星，如圖 25.29 所示，是距離太陽第八遠的行星。它是唯一一顆無法從地球上用肉眼看到的 major 行星。科學家在海王星真正被發現之前就預測了它的存在。他們注意到天王星並不總是出現在它應該出現的位置。他們知道在天王星之外一定還有另一顆行星，它的引力影響著天王星的軌道。這顆行星於 1846 年被發現，位置與預測的一致，並且由於它的藍色，它被命名為海王星，以羅馬海神命名。

海王星的質量略大於天王星，但大小略小。在許多方面，它類似於天王星。天王星和海王星通常被認為是“姐妹行星”。海王星距離太陽近 45 億公里（28 億英里），比遙遠的天王星還要遠得多。它在軌道上移動非常緩慢，繞太陽執行一週需要 165 個地球年。

極度寒冷和狂風

海王星是藍色的，有一些深色和淺色的斑點。藍色是由大氣氣體造成的，包括甲烷 (CH₄)。當旅行者 2 號在 1989 年最靠近海王星時，在赤道以南有一個巨大的深藍色斑點。這個斑點被稱為大黑斑。然而，當哈勃太空望遠鏡在 1994 年拍攝海王星的照片時，大黑斑已經消失了。相反，在赤道以北出現了一個新的黑斑。天文學家認為這兩個斑點代表著海王星甲烷雲層中的空隙。

海王星外觀的變化是由於其動盪的大氣造成的。海王星上的風速比太陽系中任何其他行星上的風速都快，達到每小時 1100 公里（每小時 700 英里），接近聲速。這種極端天氣讓天文學家感到驚訝，因為這顆行星從太陽那裡接收到的能量很少，不足以驅動天氣系統。海王星也是太陽系中最冷的地方之一。雲層頂端的溫度約為 -218°C（-360°F）。

海王星的環和衛星

像其他外行星一樣，海王星也有由冰和塵埃組成的環。這些環比土星的環薄得多，也暗淡得多。一些證據表明海王星的環可能不穩定，可能會在相對較短的時間內發生變化或消失。

海王星有 13 顆已知的衛星。圖 25.30 所示的海衛一，是其中唯一質量足夠大到呈球形的衛星。海衛一的軌道方向與海王星的軌道方向相反。科學家認為海衛一不是圍繞海王星形成的，而是被海王星的引力捕獲的，當時它經過海王星附近。

冥王星

冥王星曾經被認為是外行星之一，但當行星的定義在 2006 年被改變時，冥王星成為矮行星的領導者之一。它是構成這個星系群中最大、最亮的天體之一。在下一節關於矮行星的討論中，你可以找到關於冥王星的資訊。冥王星不再被認為是行星。

課程總結

四大外行星——木星、土星、天王星和海王星——都是氣體巨行星，主要由氫和氦組成。它們擁有厚厚的氣態外層和液態內部。

所有外行星都有許多衛星，以及由塵埃和其他粒子組成的行星環。
木星是太陽系中最大的行星。它有不同顏色的雲帶，以及一個被稱為大紅斑的持續風暴。
木星有 60 多顆衛星。最大的四顆衛星是由伽利略發現的，被稱為伽利略衛星。
伽利略衛星之一，木衛二，可能在冰層下有一個液態水海洋。這個海洋的條件可能適合生命發展。
土星比木星小，但組成和結構相似。
土星擁有一個巨大的美麗光環系統。土星最大的衛星，土衛六，擁有類似於地球在生命形成之前的大氣層。
天王星和海王星是在近代被發現的。它們在大小和組成上彼此相似。它們都比木星和土星小，而且含有更多的冰狀物質。
天王星傾斜著，可能是由於過去與一個大型物體碰撞造成的。
海王星非常寒冷，並且擁有非常強烈的風。它曾經有一個大的暗斑，後來消失了，然後在星球的另一個地方又出現了一個暗斑。這些暗斑是海王星大氣層中的風暴。
冥王星不再被認為是外行星之一。它現在被認為是一顆矮行星。

複習題

a) 按距離太陽從近到遠排列外行星的順序，b) 按質量從大到小排列外行星的順序，c) 按大小從大到小排列外行星的順序。
為什麼外行星被稱為氣體巨行星？
大紅斑和暗斑有什麼區別？
列出伽利略衛星，並解釋為什麼它們被稱為伽利略衛星。
為什麼木衛二可能是尋找外星生命的地方？
是什麼導致了土星環中的縫隙？
為什麼科學家對土衛六的大氣層感興趣？
土衛六表面有什麼液體？
天王星為什麼是藍綠色的？
海王星最大的衛星叫什麼名字？

詞彙

伽利略衛星: 由伽利略發現的木星最大的四顆衛星。
氣體巨行星: 四大外行星，由氫和氦氣體組成。
大紅斑: 木星上一個巨大的橢圓形風暴。
外行星: 我們太陽系中小行星帶之外的四大行星。
行星環: 圍繞行星的塵埃和岩石薄平面環。

思考點

內行星又小又岩石，而外行星又大又氣態。為什麼行星會形成這樣的兩組？
我們已經討論了太陽、行星和行星的衛星。你能想到其他可以在我們的太陽系中找到的天體嗎？

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