Warto przeczytać

Pojęcia „gazowe olbrzymy” zaczęto używać w drugiej połowie XX wieku. Dzięki ówczesnym obserwacjom znano masę i promień planet. Na tej podstawie oszacowano ich średnie gęstości. Wiadomym jest, że planety zewnętrzne mają znacznie mniejsze gęstości od planet wewnętrznych i w bardzo małym stopniu składają się z substancji stałych. Z tego powodu planety zewnętrzne zaczęto nazywać gazowymi olbrzymami. Po wieloletnich obserwacjach i badaniach okazało się, że nazwa jest trochę mylna. Gazowe olbrzymy mają jedynie cienką gazową warstwę atmosfery. Głębsze warstwy tych planet składają się z mieszaniny, która nie jest ani gazem, ani cieczą, a tym bardziej nie jest ciałem stałym. W gazowych olbrzymach panuje ogromne ciśnienie, które sprawia, że pierwiastki, z których jest zbudowana planeta, znajdują się powyżej punktu krytycznegopunkt krytycznypunktu krytycznego, przez co nie można rozróżnić żadnego ze stanów skupienia. W przypadku najdalszych planet stan ten jest czymś pomiędzy gazem a cieczą. Z tego powodu planetolodzy jako kryterium podziału planet przyjęli skład chemiczny, bez względu na to, w jakim stanie skupienia substancje się znajdują. Stworzono trzy główne grupy substancji, według których dzieli się również planety na 3 typy (skaliste, gazowe i lodowe).

A podział substancji wygląda następująco:

– skały, czyli krzemiany i metale,

– lody, czyli woda, amoniak i metan,

– gazy, czyli wodór i hel.

Z tego powodu Jowisz i Saturn – składające się głównie z gazów (wodoru i helu) – nazywamy gazowymi olbrzymami, natomiast Uran i Neptun – składające się z lodów (wody, metanu, amoniaku) – nazywamy lodowymi olbrzymami.

RHmrx3xzUnRCo

Rys. 1. Infografika przedstawia porównanie budowy wewnętrznej gazowych olbrzymów Układu Słonecznego. Wszystkie gazowe olbrzymy mają małe skaliste jądra, które otoczone są bardzo dużym płaszczem. Najbardziej zewnętrzna warstwa to cienka atmosfera gazowa. Infografika przedstawia cztery planety, jedną obok drugiej. Z każdej planety przedstawionej jako kula, wycięta została prawa ćwiartka kuli, dzięki czemu widoczny jest przekrój planety. Po lewej stronie widoczny jest największy z gazowych olbrzymów, Jowisz. Jądro Jowisza składa się ze skał oraz lodu. Jądro otoczone jest płaszczem, którego głównym składnikiem jest wodór metaliczny. Zewnętrzna część płaszcza to głównie wodór cząsteczkowy. Cały płaszcz jest wielokrotnie większy od samego jądra. Drugi od lewej widoczny jest nieco mniejszy od Jowisza Saturn. Jądro Saturna składa się ze skał oraz lodu. Jądro otoczone jest płaszczem, którego głównym składnikiem jest wodór metaliczny. Zewnętrzna część płaszcza to głównie wodór cząsteczkowy. Cały płaszcz jest wielokrotnie większy od samego jądra. Drugi od prawej widoczny jest znacznie mniejszy od Saturna, Uran. Jądro planety Uran składa się ze skał oraz lodu. Jądro otoczone jest płaszczem, który stanowi lód wodny, lód amoniakalny oraz lód metanowy. Zewnętrzna część płaszcza to głównie gazowy wodór, hel oraz metan. Cały płaszcz jest wielokrotnie większy od samego jądra. Po prawej stronie widoczny jest najmniejszy gazowy olbrzym Układu Słonecznego, Neptun. Jądro Neptuna składa się ze skał oraz lodu. Jądro otoczone jest płaszczem, który stanowi lód wodny, lód amoniakalny oraz lód metanowy. Zewnętrzna część płaszcza to głównie gazowy wodór, hel oraz metan. Cały płaszcz jest wielokrotnie większy od samego jądra.

RIssvRvhHoXld

Rys. 2. Infografika przedstawia porównanie osi obrotu oraz osi pola magnetycznego Ziemi oraz gazowych olbrzymów w Układzie Słonecznym. Planety pokazano na tle czarnej przestrzeni kosmicznej. Infografikę przecina pozioma biała linia symbolizująca płaszczyznę orbity planet wokół Słońca. Środki wszystkich planet znajdują się na tej samej linii poziomej. Każdej planecie zaznaczono oś obrotu wokół własnej osi, w postaci linii przerywanej zakończonej strzałką oraz oś magnetyczną planety w postaci żółtej przerywanej linii. Po lewej pokazano Ziemię jako niewielką niebiską kulę z zarysami kontynentów na powierzchni. Oś obrotu Ziemi jest pochylona w lewo względem kierunku pionowego, a oś magnetyczna jest pochylona o jedenaście stopni bardziej w lewo niż oś obrotu. Drugi od lewej pokazano Jowisz, w postaci dużej szarej kuli, największej spośród wszystkich planet Układu Słonecznego. Oś obrotu Jowisza jest pionowa, a oś magnetyczna jest pochylona w lewo od osi obrotu o dziesięć stopni. Środkowa planeta to Saturn pokazany w postaci szarej kuli, nieco mniejszej od Jowisza. Wokół Saturna widoczne są charakterystyczne pierścienie układające się w jednej płaszczyźnie pochylonej w lewo względem kierunku poziomego. Oś obrotu i oś magnetyczna Saturna są równoległe i pochylone w lewo względem kierunku pionowego. Drugi od prawej pokazano Uran jako niebieską kulę większą od Ziemi, ale znacznie mniejszą od Saturna. Oś obrotu planety Uran jest nieco odchylona w górę od kierunku poziomego, natomiast oś magnetyczna jest pochylona w prawo od kierunku pionowego i tworzy z osią obrotu kąt sześćdziesięciu stopni. Oś magnetyczna planety Uran nie przechodzi przez jego środek i jest przesunięta w prawo. Po prawej pokazano Neptun w postaci niebieskiej kuli o podobnej wielkości jak Uran. Oś obrotu Neptuna jest pochylona w lewo względem kierunku pionowego. Oś magnetyczna Neptuna jest odchylona w prawo od kierunku pionowego i tworzy z osią obrotu kąt czterdziestu sześciu stopni. Oś magnetyczna Neptuna jest przesunięta w prawo względem jego środka. Wszystkie osie obrotu planet przechodzą przez ich środek. Osie magnetyczne Ziemi, Jowisza i Saturna również przechodzą przez ich środek. Osie planety Uran i Neptun nie.

Dwa najbliższe Ziemi gazowe olbrzymy są widoczne na niebie nieuzbrojonym okiem, natomiast Urana i Neptuna można obserwować jedynie przez teleskopy.

Podstawowe informacje o gazowych olbrzymach Układu Słonecznego przedstawia Tabela 1., w której średnią odległość planet od Słońca wyrażono w jednostkach astronomicznychjednostka astronomiczna [au]jednostkach astronomicznych, a obserwowalną jasność planet w magnitudomagnitudo [mag]magnitudo.

Tabela 1. Podstawowe informacje o gazowych olbrzymach Układu Słonecznego

Gazowe olbrzymy nie mają powierzchni, na której można stanąć tak jak na Ziemi i innych planetach skalistych. Na planetach gazowych poziom powierzchni określa się jako przestrzeń w gazie, gdzie ciśnienie wynosi 1 bar (100 000 Pa).

Eksploracja gazowych olbrzymów jest bardzo trudna ze względu na ich odległość od Ziemi. Jedyną możliwością, którą daje współczesna technika, jest wysyłanie w okolice tych planet bezzałogowych misji kosmicznych (więcej na ten temat w e‑materiale, pt. „Bezzałogowe misje kosmiczne”). Dzięki takim misjom jak Voyager, Galileo, Pioneer 11, Cassini‑Huygens możemy oglądać bardzo dokładne zdjęcia gazowych olbrzymów oraz analizować ich skład chemiczny, pole magnetyczne i określić budowę wewnętrzną.

Badania laboratoryjne, podczas których odtworzono prawdopodobne warunki fizyczne panujące w kolejnych warstwach wewnętrznych lodowych olbrzymów, dostarczyły ciekawych informacji na temat zjawisk pogodowych tych planet. Na lodowych olbrzymach, takich jak Uran i Neptun, które zawierają dużo metanu, prawdopodobnie powstają diamentowe deszcze oraz tworzą się diamentowe jeziora i morza. Ogromne ciśnienie wewnątrz tych planet prowadzi do przemiany atomów węgla zawartych w metanie w diamenty, które opadają w głębsze warstwy planety. W tych warstwach parametry fizyczne ulegają zmianie, ponieważ wzrasta temperatura i ciśnienie. To powoduje rozpad struktury diamentu, który zachowuje się jak woda i rozpuszcza się, tworząc jeziora i morza.

Jowisz i Saturn charakteryzują się wyraźnymi równoleżnikowymi pasmami chmur. Pasma Jowisza można dostrzec przy użyciu lornetki. W pasmach tych obserwuje się często owalne struktury, które są burzami w gęstych atmosferach tych planet. Niektóre z burzowych struktur nigdy nie znikają. Przykładami są: Wielka Czerwona Plama na Jowiszu lub sześciokątna burza na biegunie północnym Saturna. Na Uranie i Neptunie również występują takie chmury i zjawiska burzowe, ale są one widoczne tylko przez największe teleskopy.

Jedynie dzięki sondom kosmicznym, które zanurzyłyby się w głąb gazowych olbrzymów, moglibyśmy poznać i zrozumieć wszystkie zjawiska zachodzące w tych planetach.

W kosmosie znajduje się wiele układów planetarnych, w których skład wchodzą gazowe olbrzymy. Na początku XXI wieku planety określane gorącymi jowiszami były odkrywane najczęściej. Typy gazowych olbrzymów krążących wokół innych gwiazd zostały stworzone w oparciu o własności fizyczne planet Układu Słonecznego. Gorące jowisze są planetami typu Jowisza, znajdującymi się bardzo blisko gwiazdy macierzystej, planety typu gorących neptunów są planetami podobnymi do Neptuna lub Urana, ale na dużo mniejszych orbitach. Znamy setki takich planet. Każdego miesiąca odkrywane są nowe. Dzięki najnowszym technologiom wykorzystywanym do budowy teleskopów naziemnych, w najbliższych latach będziemy w stanie badać dokładnie takie planety. Poznamy dzięki temu znacznie lepiej nasze gazowe olbrzymy oraz będziemy potrafili porównać je z tymi w dalekich układach planetarnych.

Słowniczek