Имат ли планетите – гиганти в Слънчевата система твърда повърхност?

Планетите от Слънчевата система и самото Слънце са се образували от един огромен облак от газ и прах, но химическият състав на планетите много се различава. Някои от планетите в нашата система са се образували основно от тежки химически елементи, имат висока плътност и твърда повърхност. Другите, като Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, са се образували от газ и лед и при тях възниква логичния въпрос – имат ли тези газови гиганти твърда повърхност?

Газовите гиганти

Планетите – гиганти се разделят на няколко класа. В Слънчевата система представители на един от тези класове, а именно газовите гиганти, са Юпитер и Сатурн.

За разлика от планетите от земната група те имат много малка средна плътност. Тези планети се състоят преди всичко от водород и хелий, а вътрешната им структура е много слабо изследвана. Атмосферите на Юпитер и Сатурн, освен водород и хелий, съдържаt следи от метан, водна пара, амоняк и скални примеси както и минимални количества въглерод, етан, сероводород, неон, кислород, фосфин и сяра. Най-външният слой на атмосферата съдържа кристали замръзнал амоняк. Двете планети са толкова големи, че водородът и хелият към центъра на планетата са подложени на огромно налягане. Някои теоретични модели предсказват, че налягането там може би е от порядъка на 100 000 000 бара.

Под такова колосално налягане вътре в газовите гиганти познатите ни земни материали би трябвало да приемат много странни състояния. При спускане на няколко хиляди километра по-надолу от видимите облаци на Сатурн и Юпитер, температурата бързо расте, а съответно и налягането, което е толкова високо, че водородът от газообразно състояние преминава постепенно в газово-течно и след това в течно, като преходът в течно състояние е достатъчно плавен. При спускане по-надолу, течният водород още повече се свива и на определена дълбочина започва да преминава в твърдо състояние или както е известно още метализирано състояние, в което той има свойствата на обичайните метали.

Тъй като този преход също е плавен (много гъстият течен водород незначително се различава от метализирания водород по своите механически свойства), то газовите гиганти нямат както ясно изразена твърда повърхност, така и ясно изразена течна повърхност.

Освен това всяка газова планета има ядро, образувано от по-тежки елементи. Тези ядра се явяват тела, състоящи се от тежки елементи в твърда фаза и лед, които са се образували още преди захващането на газа от околната мъглявина и образуването на планетата. Ядрото се намира под налягане в десетки милиони барове, като основно то се състои от въглерод, желязо, азот, силиций и кислород в съчетание с въглерод.

Интересното при Юпитер и Сатурн e, че те излъчват повече енергия, отколкото получават от Слънцето. Смята се, че основният метод за получаване на тази топлина е по механизма на Келвин-Хелмхолц (бавно сгъстяване под действието на гравитацията), а друга част от топлината може би се получава във вътрешността при „утаяването“ на хелия в предимно водородната среда (хелият е по-тежък от водорода) и отделената енергия вследствие на триенето между атомите.

Ледените гиганти

Друг, не по-малко интересен клас планети-гиганти, са ледените гиганти. Към тях в Слънчевата система спадат Уран и Нептун, които се различават по своя състав и вътрешен строеж от Юпитер и Сатурн.

Счита се, че структурите на Уран и Нептун са много подобни и се състоят от три слоя: скалиста (силикат/желязо-никел) сърцевина в центъра, ледена мантия в средата и външна газова обвивка преди всичко от водород и хелий, но съдържаща по-тежки елементи, такива като кислород, въглерод, азот и сяра. По-голяма част от масата на тези две планети се намира в техните ядра. Съотношението на размерите на ядрата на ледените гиганти спрямо техните цялостни размери е по-голямо, отколкото при газовите гиганти, а във вътрешния им строеж отсъства огромния слой от метализиран водород. Всъщност ледената мантия не се състои от лед в конвенционалния смисъл, а от гореща и плътна течност, състояща се от вода, амоняк и други летливи вещества. Този флуид, който има висока електрическа проводимост, понякога се нарича водно-амонячен океан.

Ето защо Уран и Нептун ги наричат ледени гиганти. Терминологията „ледени гиганти“ се е наложила през 90-те години на миналия век, когато изследователите са установили, че Уран и Нептун се различават по своя състав от Юпитер и Сатурн.

Така че за разлика от планетите от земната група, планетите-гиганти в Слънчевата система нямат твърда повърхност, тъй като те основно се състоят от газове, които в различните „слоеве“ се намират в различно фазово състояние, а в самия център се намира ядро, състоящо се от твърди скални породи и лед, намиращи се под огромно налягане.