Mitä ovat jääjättiläiset? Uranus ja Neptunus — koostumus ja erot

Jääjättiläiset Uranus ja Neptunus: koostumus, sisäiset olosuhteet ja erot Jupiteriin/Saturnukseen — selkeä katsaus niiden syntyyn, rakenteeseen ja ainutlaatuisiin piirteisiin.

Jääjättiläinen on valtava planeetta, joka koostuu pääasiassa vetyä ja heliumia raskaammista alkuaineista, kuten hapesta, hiilestä, typestä ja rikistä. Aurinkokunnassa tunnetaan kaksi jääjättiläistä, Uranus ja Neptunus.

Astrofysiikassa ja planeettatieteissä termi "jää" viittaa haihtuviin kemiallisiin yhdisteisiin, joiden jäätymispisteet ovat yli 100 K (-280 °F; -173 °C), kuten vesi, ammoniakki tai metaani, joiden jäätymispisteet ovat vastaavasti 273, 195 ja 91 K (31,7, -108,7 ja -295,9 °F; -0,1, -78,1 ja -182,2 °C).

1990-luvulla huomattiin, että Uranus ja Neptunus ovat erillinen jättiläisplaneettojen luokka, joka eroaa muista jättiläisplaneetoista, Jupiterista ja Saturnuksesta. Niitä alettiin kutsua jääjättiläisiksi. Niiden muodostavat yhdisteet olivat kiinteitä aineita, kun planeetat juuttuivat yhteen niiden muodostumisen aikana. Nykyään Uranuksen ja Neptunuksen vedestä on vain vähän jään muodossa. Sen sijaan vesi on ylikriittistä nestettä niiden sisällä vallitsevissa lämpötiloissa ja paineissa.

Jääjättiläiset koostuvat massaltaan vain noin 20 prosentista vetyä ja heliumia, kun taas aurinkokunnan kaasujättiläiset Jupiter ja Saturnus koostuvat molemmat yli 90 prosentista vetyä ja heliumia.

Rakenne ja sisäolosuhteet

Jääjättiläisten rakenne voidaan mieltää yleensä kolmikerroksisena:

• Ilmakehä: ohut ulkokerros, koostuu pääasiassa vedystä ja heliumista, mutta myös metaanista, joka antaa planeetoille sinertävän sävyn.
• Manteli: suuri, viskoosi kerros, jossa vallitsee sekoitus vettä, ammoniakkia ja metaania. Näitä yhdisteitä kutsutaan planeettatieteissä "jäiksi" vaikka ne planeetan sisällä ovat korkean paineen ja lämpötilan takia usein ylikriittisessä tai ionisessa muodossa.
• Kova ydin: pienempi, mutta tiheä kivi- ja metallipitoinen ydin.

Sisätiloissa paine voi nousta miljooniin kertoihin maapallon ilmakehän paineesta ja lämpötilat voivat olla tuhansia kelvinejä. Näissä olosuhteissa esimerkiksi vesi voi muuttua superkriittiseksi aineeksi tai mahdollisesti superioniseksi olomuodoksi, jossa vetyionit ovat liikkuvia ja happiatomit muodostavat kiderakenteen.

Ilmakehä, väri ja sääilmiöt

Metaani absorboi punaisen valon, joten sekä Uranus että Neptunus näyttävät sinivihreiltä. Kumpikin planeetta kuitenkin näyttää hieman eri sinisen sävyltä: Neptunus on yleensä syvemmän sininen ja Uranus vaaleamman vihertävä. Eroihin vaikuttavat myös pilvikerrokset ja aerosolihäiriöt ilmakehässä.

Neptunus tuntee Aurinkokunnassa voimakkaimmat tuulet: tuulennopeudet voivat nousta tuhansiin kilometreihin tunnissa. Uranuksen ilmakehä on rauhallisempi, mutta molemmilla esiintyy myrskyjä, pilvimuodostelmia ja laajamittaisia ilmakehän virtauksia.

Magnetosfääri ja sähköiset ominaisuudet

Molemmilla planeetoilla on epäsymmetriset ja voimakkaasti kallistuneet magneettikentät, jotka eivät ole keskitettyjä pallon keskustaan. Tämä viittaa siihen, että magneettikentät syntyvät todennäköisesti mantelin sulassa, ionisoituneessa osassa eivätkä klassisesta metallisesta ytimestä kuten Maalla.

Erot Uranuksen ja Neptunuksen välillä

• Sisäinen lämpö: Neptunus säteilee huomattavasti enemmän sisäistä lämpöä kuin mitä se saa Auringolta, kun taas Uranus säteilee hyvin vähän ylimääräistä lämpöä — syy tähän ei ole täysin selvä.
• Ilmakehä ja väri: Neptunus on syvemmän sininen ja aktiivisempi ilmakehäilmiöiden suhteen; Uranuksen väri on vaaleampi ja usein vihertävämpi.
• Akselin kaltevuus: Uranuksella akselin kaltevuus on lähes 98°, mikä aiheuttaa hyvin pitkiä vuodenaikoja ja ikään kuin planeetan pyörivän kyljellään. Neptunuksen akseli on lähellä normaalia, joten sen vuodenaikavaihtelut ovat perinteisemmät.
• Kuutilmasto: Uranuksella on useita suuria kuita kuten Miranda, Ariel, Umbriel, Titania ja Oberon. Neptunuksen tunnetuin kuu on Triton, joka kiertää retrogradisesti ja on todennäköisesti kaapattu Kuurajan (Kuiper belt) objektista; Triton on geologisesti aktiivinen ja sillä on vulkaanista toimintaa sekä jäisiä geologisia muotoja.

Havaintoja ja tutkimus

Olennaista tietoa näistä planeetoista saatiin käytännössä ainoalta lähietäisyyden ohilennolta: NASA:n Voyager 2 -luotain lensi Uranuksen ohi vuonna 1986 ja Neptunuksen ohi vuonna 1989. Näiden ohilentojen jälkeen jääjättiläisistä tiedetään huomattavasti enemmän, mutta yhä on monia avoimia kysymyksiä, kuten niiden sisäisen rakenteen yksityiskohdat ja Uranuksen heikko lämmöntuotto.

Jääjättiläisiin suuntautuvia uusia avaruusluotaimia on ehdotettu ja osittain priorisoitu planeettatieteen tulevissa ohjelmissa, sillä lisätutkimus auttaisi ymmärtämään paremmin paitsi Aurinkokuntaa myös lukemattomia samanlaisia eksoplaneettoja, joita löydetään muista tähtijärjestelmistä.

Mielenkiintoisia mahdollisuuksia

• Matalan ilmakehän ja mantelin olosuhteissa on ehdotettu mm. "timanttisateen" (metaanin dissosiaatio ja hiilen tiivistyminen) mahdollisuutta — tämä on edelleen hypoteettista ja mallinnukseen perustuvaa.
• Superkriittinen ja superioninen vesi voi käyttäytyä hyvin eri tavalla kuin maapallon vesi, mikä vaikuttaa planeettojen magneettikenttiin ja lämmönsiirtoon.

Yhteenvetona: jääjättiläiset ovat oma, selkeästi erottuva planeettaluokkansa. Niiden koostumus, rakenne ja sisäiset olosuhteet poikkeavat merkittävästi niin kaasu- kuin kiviplaneetoista, ja ne tarjoavat tärkeän vertailukohdan planeettojen muodostumis- ja kehitysprosesseille sekä aurinkokuntamme että eksoplaneettojen kontekstissa.

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mitä ovat jääjättiläiset?

K: Kuinka monta jääjättiläistä on Aurinkokunnassa?

K: Mikä on "jään" määritelmä astrofysiikassa ja planeettatieteessä?

K: Miten jääjättiläisten koostumus eroaa kaasujättiläisten koostumuksesta?

K: Milloin Uranuksen ja Neptunuksen havaittiin olevan muista jättiläisplaneetoista erillinen luokka?

K: Missä muodossa suurin osa Uranuksen ja Neptunuksen vedestä on nykyään?

Hae kirjaimella