Как рассчитать, где будет находиться «поверхность» газового гиганта?

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 :)

Похоже, определение «поверхности», которое вы используете, — это определение фазового перехода. Большинство радиусов Юпитера, которые вы найдете в Интернете, используют другое определение.
Итак, как связанный/переформулированный вопрос: Часть (1) у газовых гигантов есть видимый диск; какова природа граничной области, которая вызывает (относительно) острый край видимого диска, который мы видим на фотографиях? Часть (2) какова природа той граничной области (не обязательно той же самой, которая отвечает за видимый диск), которую астрономы выбирают в качестве точки измерения радиуса газового гиганта?
У Юпитера нет поверхности — его атмосфера представляет собой сверхкритическую жидкость , поэтому невозможно определить точку, в которой он перестает быть газом и начинает быть жидкостью — он просто постепенно становится все плотнее и плотнее по мере того, как вы опускаетесь.

Ответы (3)

Это может не полностью ответить на ваш вопрос, но, возможно, это будет хорошим началом.

Что следует учитывать

  1. Тепловая энергия, полученная Юпитером от Солнца
  2. Тепловая энергия, излучаемая Юпитером (следовательно, чистая тепловая энергия)
  3. состав Юпитера
  4. температура Юпитера
  5. гравитация Юпитера
  6. Тепловые свойства водорода (среди прочих свойств)

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 3.846 × 10 26 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.

Использование давления в 1 атм в качестве определения поверхности кажется довольно произвольным. Я думал, что Юпитер и другие были жидкими/газообразными на всем протяжении из-за тепла и давления.

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.