巨大ガス惑星

巨大ガス惑星は、主に水素とヘリウムで構成された巨大惑星である。^[1]木星と土星は太陽系の巨大ガス惑星である。「巨大ガス惑星」という用語は、もともと「巨大惑星」と同義であった。しかし、1990年代に、天王星と海王星は実際には巨大惑星の別のクラスであり、主に重い揮発性物質（「氷」と呼ばれる）で構成されていることが判明した。このため、天王星と海王星は現在、氷巨星という別のカテゴリに分類されることが多い。^[2]

木星と土星は主に水素やヘリウムなどの元素で構成されており、より重い元素は質量の3～13パーセントを占めています。^{[3]これらは、圧縮された}分子状水素の外層が液体金属水素の層を囲み、内部にはおそらく溶融した岩石の核があると考えられています。水素大気の最外部には、目に見える雲の層が多数あり、そのほとんどは水（以前は地球以外の太陽系には水は存在しないと考えられていました）とアンモニアで構成されています。中央内部にある金属水素の層は、すべてのガス惑星の大部分を構成しており、非常に高い大気圧によって水素が電気伝導体になるため、「金属」と呼ばれています。ガス惑星の核は、非常に高い温度（20,000  K [19,700  °C ; 35,500  °F ]）と圧力でより重い元素で構成されていると考えられているため、その特性はまだ完全には解明されていません。太陽系の巨大ガス惑星の配置はグランド・タック仮説によって説明できる。^[3]

非常に低質量の褐色矮星（質量は木星の約13倍まで低下することがある^[4]）とガス巨星との決定的な違いについては議論されている。 ^[5]一方の学派は形成に基づいており、もう一方は内部の物理学に基づいている。^[5]議論の一部は、褐色矮星が定義上、その歴史のある時点で 核融合を経験しているかどうかに関するものである。

ガス巨星という用語は、1952年にSF作家のジェームズ・ブリッシュ^{[6]によって造られ、もともとはすべての}巨大惑星を指すために使用されていました。すべての巨大惑星の体積の大部分で圧力が非常に高いため、物質は気体状ではないため、これはおそらく多少の誤称です。^[7]核と大気の上層部の固体を除き、すべての物質は臨界点を超えており、そこでは液体と気体の区別はありません。^{[8]それでもこの用語は定着しました。なぜなら、惑星科学者は、物質がどのよう}な相で現れる かに関係なく、惑星の構成要素として一般的に見られる元素や化合物のクラスの省略形として「岩石」、「ガス」、「氷」を使用するからです。太陽系の外側では、水素とヘリウムは「ガス」、水、メタン、アンモニアは「氷」、ケイ酸塩と金属は「岩石」と呼ばれます。この用語では、天王星と海王星は主にガスではなく氷で構成されているため、一般的には氷巨星と呼ばれ、ガス巨星とは区別されます。

理論的には、巨大ガス惑星は、モデル化された大気の物理的特性、つまりその外観に応じて、アンモニア雲 (I)、水雲 (II)、雲なし (III)、アルカリ金属雲 (IV)、およびケイ酸塩雲 (V) の 5 つの異なるクラスに分類できます。木星と土星は両方ともクラス I です。ホット ジュピターはクラス IV または V です。

木星より質量が大きく、約500 M _E ( 1.6  M _J )未満の冷たい水素に富むガス惑星は 、体積が木星よりわずかに大きいだけです。^{[9] 500} M _Eを超える質量の場合 、重力により惑星は縮小します（縮退物質を参照）。^[9]

ケルビン・ヘルムホルツ加熱により、巨大ガス惑星は主星から受け取るエネルギーよりも多くのエネルギーを放射する可能性がある。^{[10] [11]}

「ガス」と「巨星」という言葉はよく組み合わせて使われるが、水素惑星は太陽系のよく知られたガス巨星ほど大きい必要はない。しかし、より小さなガス惑星や恒星に近い惑星は、より大きな惑星やより遠い惑星よりも流体力学的脱出によって大気の質量をより早く失う。 ^{[12] [13]}

ガス矮星は、水素、ヘリウム、その他の揮発性物質の厚い外殻を蓄積した岩石核を持ち、その結果、総半径が地球半径の1.7〜3.9倍になる惑星と定義できます。^{[14] [15]}

最も小さい既知の太陽系外惑星で「ガス惑星」である可能性が高いのはケプラー138dで、地球と同じ質量だが60%大きいため、密度は厚いガス外層を示している。^[16]

低質量のガス惑星でも、適切な温度であればガス惑星に似た半径を持つことができる。^[17]

局所的な嵐によって上方に集められた熱は、巨大ガス惑星の天候の大きな要因です。^[18]内部から逃げる深部の熱の多くは、すべてではないにしても、そびえ立つ雷雨によって上昇します。^[18]これらの擾乱は小さな渦に発展し、最終的には木星の大赤斑のような嵐を形成します。^[18]地球と木星では、雷と水循環が密接に結びついて激しい雷雨を作り出します。^[18]地上の雷雨の間、凝結によって熱が放出され、上昇する空気を押し上げます。^[18]この「湿潤対流」エンジンは、電荷を雲のさまざまな部分に分離することができます。これらの電荷が再結合すると雷が発生します。^[18]したがって、雷を使用して対流が起こっている場所を知らせることができます。^[18]木星には海も湿った地面もありませんが、湿潤対流は地球と同様に機能しているようです。^[18]

大赤斑（GRS）は木星の南半球にある高気圧である。^[19]大赤斑は強力な高気圧で、中心の周りを反時計回りに時速約430～680キロメートルで渦巻いている。 [19]大赤斑はその凶暴さで知られており、木星の小さな嵐さえも餌にしている。^[19]ソリンは、紫外線にさらされることで形成される、さまざまな惑星の表面で見つかる茶色の有機化合物である。木星の表面に存在するソリンは、嵐や循環によって大気中に吸い上げられる。レゴリスから放出されたソリンが木星の大赤斑に引っ掛かり、赤くなっているのではないかと仮説が立てられている。

ヘリウムの凝縮により、巨大ガス惑星では液体ヘリウムの雨が降る。土星では、このヘリウムの凝縮は、ヘリウムが惑星上に存在する液体金属水素と混ざらない特定の圧力と温度で発生する。^[20]土星のヘリウムが不溶性の領域では、より密度の高いヘリウムが液滴を形成し、潜熱の放出と惑星の中心部へのより深い降下の両方を通じてエネルギー源として機能する。^[21]この相分離によりヘリウム液滴が液体金属水素を通って雨として降り注ぎ、より温かい領域に到達して水素に溶解する。^[20]木星と土星の総質量が異なるため、惑星内部の熱力学的条件により、この凝縮プロセスは木星よりも土星でより一般的である可能性がある。^[21]ヘリウムの凝縮は、土星の過剰な光度と、木星と土星の大気中のヘリウムの枯渇の原因である可能性がある。^[21]

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