内部拥有“七号冰”的冰巨星-海王星,到底有多特别?

海王星是太阳系八大行星中最靠外的一颗气态行星,由于它距离太阳很远,其表面温度很低,平均只有-210摄氏度,除了和木星、土星这样的气态巨行星的大气层物质组成比较相似以外,海王星大气层以下的结构以及物质组成,却与木星和土星差异较大,一方面表面为氧、氮、碳和硫等这些比氢重的物质占比较高,另一方面也没有发现像木星内核外围包裹的金属氢层,可能替代以水冰的结构,因此科学家们将距离太阳较远的天王星和海王星,与木星、土星这样的气态巨行星加以区分,将其定义为冰巨星。

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海王星的质量虽然远远赶不上木星的质量,但也达到了10^23吨级别,约为地球的17倍,其自转周期约为16个小时,围绕太阳运转一周需要大约165个地球年。至于像天王星和海王星这样的冰巨星是如何形成的,科学界目前的主流观点,仍然是星际物质捕获说,但是与靠近太阳的岩质行星有区别。

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在太阳形成以后,随着大量高能粒子流的向外释放,在靠近太阳区域剩余的原始星云物质,其中较轻的气体大部分被吹到距离太阳较远的轨道,其中在小行星带以外的木星具有得天独厚的形成优势,那就是在吸聚原始行星盘内的部分物质形成内核以后,可以优先捕获到吹到这个区域的大量轻物质,从而使得自身的质量不断增大,形成太阳系内最大的行星,没有被捕获到的轻气体,则继续在距离稍远的轨道上被木星的内核所捕获,最后使木星成为系内第二大行星。

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而天王星和海王星的形成历史则要晚于木星和土星,一方面是被这两个“巨无霸”俘获的星际气体实在是太多了,向着更远的轨道漂移的气体物质变得较少。另一方面,木星和土星形成300万年之后才逐渐冷却,处在土星轨道外侧的宇宙空间中,由于接受太阳辐射的能量非常小,因此聚集了一些处于冰晶状态的星子,它们的公转速度非常慢,使得冰晶体相互结合以及从剩余的星际气体中俘获物质的速度都非常缓慢。这个长达几千万年的酝酿过程中,由一些岩石和冰晶所组成的两个原始行星逐渐脱颖而出,当成长到一定程度以后开始在引力作用下,吸聚从太阳系内侧漂移且没有被木星和土星俘获的大量氢和氦等轻气体。只不过受到物体总量的有限性以及“起步太晚”的缘故,天王星和海王星最终没有条件成长到木星、土星那么大。

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海王星的大气层密度虽然没有木星大,但仍要比地球高出上百倍,虽然其表面温度很低,但随着大气层高度的下降,其温度和压力逐渐提升,在大气层内上下巨大的温度差异,使得大气运动十分频繁,自然环境十分恶劣,其中剧烈风暴是其中最具代表性的事件。据监测,海王星上的风暴平均速度,已经超过了两倍的音速,达到1200公里每小时,想象一下地球上平均风速最高的地方是南极洲,其平均风速也才达到70公里每小时,最高纪录才达到300公里每秒,与海王星上的风暴速度相比真是小巫见大巫。

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说到这里,不得不提一下海王星上的大黑斑,这是旅行者二号飞越海王星期间监测到的一个大型风暴,其移动速度达到惊人的2400公里每小时,这比木星上的大红斑移动速度也要快上许多。科学家们推测,正是由于海王星大气层的温度非常低,在风暴的顶部温度也只达到零下130摄氏度,在低温条件下,风暴组成气体物质之间的摩擦效应明显减弱,所引发的旋流效应也比较小,因此持续时间会相当长,而且会随着能量的不断聚集而速度越来越快。

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科学家们通过对水的相态变化规律以及海王星的结构特点,推测出在海王星的大气层之下,存在着由大量水冰和岩石所构成的一个高热固态圈层结构,而这种水冰不同于地球上水体所结的冰,而是被称为“七号冰”的一种独特固态水。

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决定水体相位的两个主要因素一个是温度,另外一个就是压力,当温度和压力处于特定的组合方式时,水就会以不同的相态出现,除了固、液、气三种基本形态之外,对于固态来说,还可以进一步细分为二号冰、三号冰、一直到十号冰。在海王星的内部,则具备七号冰的存在条件,即压力在10万-100万倍标准大气压、温度在几百到上千温度这个区间之内。

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由于七号冰与一般的水冰的晶体结构不同,在其结晶核与液态水分之间基本没有中间热层,因此在推动液态水分子结晶方面,只会受以初始结晶水分子的排列规律影响,所以结晶的扩散速度理论上非常快,有研究机构测算,七号冰的结晶扩散速度可以达到惊人的1600公里每小时,而海王星的内部就存在着可以支撑七号冰存在的自然环境,这种冰还具有超离子导体功能,具备超强的导电导热能力,融点还极高,想想都觉得恐怖。

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如果在地球的海洋中出现这种七号冰,那么用不了多长时间,地球上的海洋都将全部结成冰块。幸好,我们所在的地球表面,即使在海底深处,也不具备七号冰存在所需要的高压环境,大家就不用为此担心了。

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