거대 기체 행성
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1. 개요
거대 기체 행성은 1952년 SF 작가 제임스 블리시가 처음 사용한 용어로, 목성형 행성 전체를 지칭한다. 거대 기체 행성은 모델링된 물리적 대기 특성에 따라 암모니아 구름, 물 구름, 구름 없음, 알칼리 금속 구름, 규산염 구름 등급으로 분류되며, 목성과 토성은 암모니아 구름 등급에 속한다. 외계 행성 중에는 수소로 이루어진 차가운 거대 기체 행성과 암석형 핵을 가진 가스 난쟁이(미니 해왕성)가 있으며, 켈빈-헬름홀츠 기작을 통해 항성에서 받는 에너지보다 많은 에너지를 방출하기도 한다. 거대 기체 행성의 기상 현상으로는 목성의 대적반과 토성의 헬륨 응축 등이 있다.
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- 거대 기체 행성 - 목성
목성은 태양계에서 가장 큰 행성이며, 수소와 헬륨으로 이루어진 가스 행성으로, 대적점과 강력한 자기장, 95개의 위성을 가지고 있고, 주노 탐사선 등을 통해 탐사가 진행되고 있다. - 거대 기체 행성 - 해왕성
해왕성은 태양계의 여덟 번째 행성이며, 1846년에 발견되었고, 질량이 지구의 약 17배인 거대 얼음 행성으로, 푸른색을 띠며 강력한 폭풍과 14개의 위성을 가지고 있다. - 행성의 종류 - 얼음 행성
얼음 행성은 표면이 얼음으로 덮여 극저온 환경을 가지지만, 지열로 인해 지하에 액체 바다가 존재할 가능성이 있어 외계 생명체의 서식지가 될 수 있는 천체로, 태양계 내외에서 여러 위성, 엣지워스-카이퍼 대 천체 및 외계 행성 후보들이 발견되었다. - 행성의 종류 - 목성형 행성
목성형 행성은 크고 무거우며 수소와 헬륨으로 이루어진 두꺼운 대기를 가진 행성으로, 태양계의 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 속하며, 내부는 유체 상태이고 많은 위성과 고리를 가지며, 혜성 침입을 막아 지구 생명체 진화에 영향을 주었을 것으로 추정된다.
| 거대 기체 행성 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| |
| 특징 | |
| 구성 성분 | 주로 가벼운 원소로 구성됨 |
| 표면 온도 | 대략 |
2. 용어
"거대 기체 행성"이라는 용어는 1952년 SF 작가 제임스 블리시가 처음 만들었으며,[28] 목성형 행성 전체를 칭하는 말로 사용되었다. 하지만 거대 행성 내부의 높은 압력 때문에 대부분의 물질은 기체 형태로 존재하지 않으며,[29] 맨 위 대기층과 고체 핵을 제외한 모든 물질은 임계점을 지나 액체와 기체의 구별이 불가능하다.[30]
거대 기체 행성은 이론적으로 대기층의 물리적 모습에 따라 암모니아 구름(I), 물 구름(II), 구름이 없는 형태(III), 알칼리 금속 구름(IV), 규소 구름(V)의 다섯 분류로 나눌 수 있다.[1] 목성과 토성은 모두 I형이며, 뜨거운 목성은 IV형 또는 V형이다.[1]
이러한 문제점에도 불구하고 "거대 기체 행성"이라는 용어는 계속 사용되었는데, 그 이유는 행성과학에서 "암석", "기체", "얼음"과 같은 용어들이 물질의 실제 상과는 관계없이 사용되는 경우가 많기 때문이다. 예를 들어, 외태양계에서 수소와 헬륨은 "기체", 물, 메테인, 암모니아는 "얼음", 규소와 금속은 "암석"으로 불린다. 이러한 용어 사용에 따르면 천왕성과 해왕성은 "기체"가 아닌 "얼음"으로 이루어져 있기 때문에, 현재는 거대 얼음 행성으로 불리는 경우가 많다.
3. 분류
3. 1. 수다르스키의 분류
이론적으로, 거대 기체 행성은 대기층의 물리적 특성, 즉 외관에 따라 다음과 같이 다섯 가지로 분류할 수 있다.
목성과 토성은 모두 I형에 속한다. 뜨거운 목성은 IV형 또는 V형이다.
4. 외계 행성
4. 1. 차가운 거대 기체 행성
차가운 기체 행성은 주로 수소로 이루어졌으며, 목성보다 질량이 작지만 크기는 약간 더 크다.[31] 일정 질량 이상이 되면 중력으로 인해 행성이 줄어든다.[31]이러한 기체 행성은 켈빈-헬름홀츠 기작을 통해 항성에서 받는 에너지보다 많은 에너지를 방출할 수 있다.[32][33] 질량이 목성보다 크고 약 () 미만인 차가운 수소 함유 기체 행성은 부피가 목성보다 약간 클 뿐이다.[9] 이상의 질량에서는 중력으로 인해 행성이 수축될 것이다(축퇴 물질 참조).[9]
켈빈-헬름홀츠 가열으로 인해 기체 행성은 모성으로부터 받는 에너지보다 더 많은 에너지를 방출할 수 있다.[10][11]
4. 2. 난쟁이 가스 행성 (미니 해왕성)
보통 "거대"와 "기체"를 붙여 부르지만, 수소 행성은 태양계의 기체 행성보다 작을 수도 있다. 하지만 작은 기체 행성이 중심별에 너무 가까우면 큰 행성보다 더 빠르게 대기를 잃을 수 있다.[34][35]기체 행성으로 추정되는 가장 작은 외계 행성은 케플러-138d로, 질량은 지구 정도이지만 지구보다 60% 커 밀도상 기체 행성으로 보인다.[36]
질량이 적은 기체 행성이라도 온도에 따라 일반적인 기체 행성 정도로 크기가 커질 수 있다.[37] 가스 드워프는 암석형 핵을 가지고 있으며, 수소, 헬륨 및 기타 휘발성 물질의 두꺼운 외피를 축적하여 총 반지름이 지구 반지름의 1.7~3.9배인 행성으로 정의할 수 있다.[14][15]
5. 기상 현상
지역 폭풍에 의해 위로 향하는 열은 가스 행성의 날씨를 움직이는 주요 동력이다.[18] 내부에서 탈출하는 깊은 열은 대부분 우뚝 솟은 뇌우를 통해 위로 흐른다.[18] 이러한 교란은 작은 소용돌이로 발전하여 목성의 대적반과 같은 폭풍을 형성한다.[18] 지구와 목성에서 번개와 물의 순환은 강렬한 뇌우를 만드는 데 밀접하게 연결되어 있다.[18] 지구 뇌우 동안 응축은 위로 상승하는 공기를 밀어 올리는 열을 방출하며, 이 "습한 대류" 엔진은 전하를 구름의 다른 부분으로 분리하고, 이러한 전하의 재결합이 번개이다.[18] 따라서 번개를 통해 대류가 어디에서 발생하는지 알 수 있다.[18] 목성은 바다나 젖은 땅이 없지만, 습한 대류는 지구와 유사하게 기능하는 것으로 보인다.[18]
대적반은 목성 남반구에 위치한 고기압 시스템으로, 시속 약 430~680km로 중심을 반시계 방향으로 회전하는 강력한 반태풍이며, 작은 목성 폭풍을 먹기도 한다.[19] 톨린은 UV 방사선에 노출되어 형성되는 갈색 유기 화합물인데, 목성 표면의 톨린이 폭풍과 순환에 의해 대기 중으로 빨려 들어가 대적반에 갇혀 붉은색을 띠게 된다는 가설이 있다.
기체 행성에서 헬륨의 응축은 액체 헬륨 비를 생성한다. 토성에서는 헬륨 응축이 특정 압력과 온도에서 발생하는데, 이는 헬륨이 액체 금속 수소와 섞이지 않기 때문이다.[20] 밀도가 높은 헬륨은 방울을 형성하고, 잠열 방출과 행성 중심부로의 하강을 통해 에너지원으로 작용한다.[21] 이러한 상 분리는 헬륨 방울을 형성하여 액체 금속 수소를 통해 비처럼 떨어지게 하며, 더 따뜻한 지역에 도달하면 수소에 용해된다.[20] 목성과 토성은 총 질량이 달라 헬륨 응축 과정이 목성보다 토성에서 더 우세하게 발생할 수 있다.[21] 헬륨 응축은 토성의 과도한 광도와 목성 및 토성의 대기 중 헬륨 고갈의 원인일 수 있다.[21]
5. 1. 목성의 기상
지역 폭풍에 의해 위로 향하는 열은 가스 행성의 날씨를 움직이는 주요 동력이다.[18] 내부에서 탈출하는 깊은 열의 대부분은 우뚝 솟은 뇌우를 통해 위로 흐른다.[18] 이러한 교란은 작은 소용돌이로 발전하여 결국 목성의 대적반과 같은 폭풍을 형성한다.[18] 지구와 목성에서 번개와 물의 순환은 강렬한 뇌우를 만들기 위해 밀접하게 연결되어 있다.[18] 지구 뇌우 동안 응축은 위로 상승하는 공기를 밀어 올리는 열을 방출한다.[18] 이 "습한 대류" 엔진은 전하를 구름의 다른 부분으로 분리할 수 있으며, 이러한 전하의 재결합이 번개이다.[18] 따라서 우리는 번개를 사용하여 대류가 어디에서 발생하는지 알 수 있다.[18] 목성은 바다나 젖은 땅이 없지만, 습한 대류는 지구와 유사하게 기능하는 것으로 보인다.[18]5. 2. 목성의 대적반
대적반(GRS)은 목성 남반구에 위치한 고기압 시스템이다.[19] GRS는 시속 약 430~680km로 중심을 반시계 방향으로 회전하는 강력한 반태풍이다.[19] 이 반점은 사나운 성질로 알려져 있으며, 심지어 작은 목성 폭풍을 먹기도 한다.[19] 톨린은 UV 방사선에 노출되어 형성되는 다양한 행성 표면에서 발견되는 갈색 유기 화합물이다. 목성 표면에 존재하는 톨린은 폭풍과 순환에 의해 대기 중으로 빨려 들어간다. 지표면에서 방출된 톨린이 목성의 GRS에 갇혀 붉은색을 띠게 된다는 가설이 있다.5. 3. 토성과 목성의 헬륨 비
기체 행성에서 헬륨의 응축은 액체 헬륨 비를 생성한다. 토성에서는 헬륨 응축이 특정 압력과 온도에서 발생하는데, 이는 헬륨이 행성에 존재하는 액체 금속 수소와 섞이지 않기 때문이다.[20] 헬륨이 불용성인 토성의 지역에서는 밀도가 높은 헬륨이 방울을 형성하고, 잠열 방출과 행성 중심부로의 하강을 통해 에너지원으로 작용한다.[21] 이러한 상 분리는 헬륨 방울을 형성하여 액체 금속 수소를 통해 비처럼 떨어지게 하며, 더 따뜻한 지역에 도달하면 수소에 용해된다.[20] 목성과 토성은 총 질량이 다르기 때문에, 행성 내부의 열역학적 조건은 헬륨 응축 과정이 목성보다 토성에서 더 우세하게 발생할 수 있다.[21] 헬륨 응축은 토성의 과도한 광도와 목성 및 토성의 대기 중 헬륨 고갈의 원인일 수 있다.[21]참조
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