Итак, Юпитер, Сатурн и т. д. все газовые гиганты. Я понимаю, что у них большие газовые атмосферы, которые из-за давления со временем становились бы все более и более плотными по мере приближения к центру планеты. Упав на Сатурн или Юпитер, пройдем ли мы через них, пока не столкнемся с ядром? примерно соответствует моей модели — газ, в конце концов сжатый под действием силы тяжести, сформирует, как я полагаю, жидкое ядро, за которым следует твердая поверхность.
Если предположить, что Юпитер и Сатурн состоят из чистого водорода (на самом деле около 90%, но я немного упрощу, как можно вычислить расстояние, на котором находится «поверхность»? Другими словами, на некотором расстоянии , гравитация должна сжимать газ в жидкость, а в точке еще ниже я бы предположил, что жидкость сожмется в газ.
Есть ли уравнение, которое подскажет мне, что это за точки?
И, для бонусных баллов, если предположить, что Сатурн имеет диаметр 72 367 миль / 116 464 км , на каких расстояниях будут точки перехода из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное?
Полное раскрытие: я понимаю, что такое же поверхностное давление фактически взорвет человека, пытающегося ступить на указанную поверхность. Несмотря на желание попробовать это в реальности, я на самом деле не собираюсь «пробовать это дома». Это мысленный эксперимент о том, как я рассчитываю, где гравитация переводит соединение в другое состояние материи. Меня больше интересует, как можно моделировать влияние массы на гравитацию и сжатие. В качестве мысленного эксперимента я предполагаю, что технически это не «проблема, с которой я сталкиваюсь», но мне любопытно. Заранее спасибо :)
Это может не полностью ответить на ваш вопрос, но, возможно, это будет хорошим началом.
Что следует учитывать
Что касается первых двух пунктов, которые следует рассмотреть, у нас на самом деле нет особых проблем. Мы могли бы выяснить мощность солнечного излучения (ну... в вики написано если вам интересно), оцените энергию, полученную Юпитером, используя аргумент площади поверхности, а затем вычислив мощность излучения Юпитера. На этом сайте http://www.tritonfun.com/custom.em?pid=594668 говорится, что Юпитер излучает в 1,9 раза больше тепла, чем получает от Солнца. Но это потому, что он также создает свою собственную энергию различными способами (включая радионуклиды). Мы можем игнорировать все это, потому что я держу пари, что Юпитер близок к тепловому равновесию в краткосрочной перспективе (т.е. он не постоянно меняет температуру в целом чрезвычайно резко). Если бы вам не дали информацию о том, насколько горяча планета,. К счастью, мы можем использовать данные из других источников для определения температуры Юпитера.
Это относится к пунктам 1 и 2. Судя по ряду онлайн-ресурсов, Юпитер имеет несколько слоев, а именно: внешнюю газообразную атмосферу, переходную область между газом и жидкостью, жидкую/металлическую секцию и ядро, состоящее в основном из водорода.. К сожалению, я не могу найти точные расстояния для всех этих объектов... что значительно облегчило бы ответ. Но нам нужно знать, что слои сильно различаются по давлению и температуре. На самом деле многие слои, которые находятся дальше от центра Юпитера, на самом деле более горячие, но с меньшим давлением. Таким образом, сочетание давления и температуры будет влиять на то, в какой фазе находится водород. Чрезвычайно сложно и, вероятно, далеко за пределами возможностей большинства физиков понять, почему в одних слоях давление больше, чем в других, но мы могли бы просто сильно упростить и сказать, что давление и повышение/понижение температуры как простая функция расстояния от центра Юпитера.
Температура и давление Юпитера неуклонно растут по мере того, как мы приближаемся к центру только в ядре.. Вблизи области фазового перехода между газом и жидкостью температура составляет около 10 000 К, а давление — 200 ГПа. Температура на краю ядра составляет около 36 000 К и 3000-4500 ГПа. Таким образом, кажется, что и температура, и давление также увеличиваются по всему жидкому/переходному слою. Я не уверен, как рассчитать это с нуля, учитывая элементы, массу планеты, ее радиус и плотность. Конечно, это потребует уравновешивания сил гравитации с электростатическими силами (я только что попытался провести быстрый расчет, используя только эти две силы, но это было СОВЕРШЕННО). Тот факт, что мой расчет был довольно далек от истины, говорит мне о том, что вам нужно учитывать гораздо больше вещей, которые чрезвычайно важны для точности. Например, когда молекулы водорода нагреваются, они будут подпрыгивать все быстрее и быстрее. вызывает большее отторжение. Подобные детали сильно усложняют расчет.
Я знаю, что это не очень вам поможет, но, надеюсь, я проиллюстрировал некоторые важные моменты. Во-первых, такого рода расчеты (если вы хотите, чтобы они были точными) — это то, что люди с докторской степенью специализируются на таких вычислениях. Вы можете сделать огромные упрощения и, возможно, получить нормальный ответ. Но я чувствую, что это напрасная трата усилий, чтобы на самом деле провести расчеты, если они не дадут вам очень точного ответа. Но, как я уже сказал, если вы хотите получить грубый ответ, подумайте обо всех действующих силах. Гравитация, электростатическое отталкивание, средняя тепловая энергия, а затем сделайте результирующую силу = 0. Электростатическое отталкивание водорода можно найти на вики-странице, и, надеюсь, вы знаете, как учитывать гравитацию как функцию расстояния от центра = p.
Для газовых гигантов можно рассчитать «поверхность», где давление газов равно 1 земной атмосфере (1 атм), это используется для определения диаметра планеты. Что касается того, где находится фактическое семенное ядро планет, которое их первоначально сформировало, я не уверен, где это может быть.
Всякий раз, когда вы используете слово «поверхность» по отношению к газовому гиганту, вы должны быть осторожны. Майк прав в том, что уровень в 1 атм используется в качестве эталонного уровня для таких вещей, как радиус планеты, но на самом деле это не поверхность, а просто произвольный уровень в атмосфере.
И вы можете подумать, что существует поверхность, которая образует границу между океаном жидкого водорода и атмосферой газообразного водорода, но это не так. Водород при таких давлениях на самом деле не газ и не жидкость, а сверхкритическая жидкость, и резкого перехода нет.
Предполагается, что дальше к центру находится слой жидкого металлического водорода. На самом деле там может быть резкий переход, но условия при таких температурах изучены недостаточно.
Наконец, самый центр считается каменным ядром, что в основном означает более высокую концентрацию кремния, железа и других элементов. Но я не уверен, является ли он кристаллическим или жидким при таких температурах и давлениях.
Алан Роминджер
Энтони Х
Н. Дева