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内山茂男

木星や土星は巨大ガス惑星と言われています。でも、どうしてガス惑星と言われているのでしょう?

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右図に、現在推定されている木星の内部構造を示しました。 なお「水素」と記してあるところに10%程度ヘリウムも混ざっているようです。 (水素分子の層と金属水素の層の境界はくっきりしているのではなく遷移層があるようです。)
このように、木星や土星は大量の水素やヘリウムからできているためガス惑星と呼ばれているのでしょうね。 水素は「水素ガス」、ヘリウムは「ヘリウムガス」ってよく言いますから。

でも、「ガス」って何のこと?

単に「ガス」というと燃料の都市ガス等を言うことも多いです。ということはガスって燃えるもの? 確かに水素は爆発的に燃えます。メタンガスもよく燃えます。でも、ヘリウムって燃えませんし、やはり燃えない窒素を窒素ガス 15インチ サマータイヤ セット【適応車種:インプレッサ(GD系 セダン)】WEDS レオニス FY パールブラックミラーカット 6.0Jx15LEMANS V LM5 195/65R15、 二酸化炭素を炭酸ガスと呼んだりします。「ガス」って何でしょう?

実は「ガス」とは「気体」のことなのです。

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さて、あらためて木星の内部構造を見ると・・・、大量にあるのは「液体の水素分子」と「液体の金属水素」です。 通常は気体である水素やヘリウムも木星の巨大な重力でつぶされて、ちょっと深くなると液体になってしまうのです。 気体は表面のちょっとだけしかありません。その厚さをネットで調べたら、 100kmと書いてあるものと1000kmと書いてあるものがありました。上の図では厚い1000kmで作図しましたが、 それでも木星全体に比べたらほんのちょっとです。
気体がこんなちょっとで「ガス惑星」と称してよいのでしょうか? これだけでいいのだったら、 地球だって大気があるのでガス惑星と呼べそうです。

気体をガス(gas)と呼ぶなら、液体は?

それは、リキッド(liquid)です。

木星はこのようにほとんどが液体でできているのですから、 「巨大リキッド惑星」と呼ぶのが正しい、と思うのです。

1994年、木星にシューメーカー・レビー第9彗星(SL9)が衝突しました。 このときある会員の知人は「えっ、木星はガスでできているの? それじゃあ、 SL9が木星を突き抜けて反対から出てきちゃうんじゃない?」と言ったそうです。 リキッド惑星と呼んでいれば、このようなことにはなりません。

皆さんは、どう思いますか?




補足: 液体と気体

気体と液体の違いは何でしょう。固体は分子等の位置が決まっていますが、 気体と液体の場合は分子等が自由に動き回れます。ただ、気体は分子等の間が広く開いているのに対し、 液体は分子等がほとんどくっついた状態で動き回っているのだけです。我々が日常生活で見る液体は、 分子同士が引き合う力でくっついています。温度が高くなると、分子の乱雑な運動(熱運動)が激しくなり、 この分子同士が引き合う力を振り切って表面から分子が飛び出していきます。これが蒸発(気化)です。 このような場合、液体と気体では分子間距離が全く違うので、液体と気体は全く異なった状態であることがすぐわかります。

さて、木星の水素はどうなっているでしょうか? 水素も極低温にすると液体になりますが 、

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、 木星ではそのような低温になっていません。木星の液体水素はすごい圧力でつぶされて分子がほとんどくっついているだけです。
木星の表面からだんだん深いところに入っていくと、その上に乗っている水素等の重さがかかって、圧力が大きくなります。 するとだんだん水素ガスの分子間距離が狭くなってきて、やがて液体と呼べるほどにくっついてしまうのです。 前ページの図をみると、水素が途中で気体から液体になるので、海のような液面があるような印象を受けてしまうかもしれません。 でも、どこが液面かよくわからない状態で、濃い気体がいつの間にか液体と呼べるようになっていくのです。 そのためか、文献によっては水素分子の層全体をガスと表記しているものもあります。 このようなことまで考えると、リキッドと呼ばずガスと呼ぶことも否定できません。 そして、もともとガスが集まったものであることも確かです。



おまけの話: 木星の核

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今回の話を書くために、木星の内部構造をネットで確認しているときに興味深い話を見つけました。

木星には鉄や岩石でできた核がある、という図をよく見ますが クーポン有 キャタピラーダンプトラック 769B エアーエレメントA-210AB(2ヶ)(ステアリング) 送料無料!、この核の存在は確実ではないそうです。

現在主流の惑星形成理論は、次のようなものです。
「原始太陽系星雲の中に無数の微惑星ができ、これらが衝突・合体を繰り返して原始惑星が形成される。 そして、この原始惑星が十分大きくなるとその強い重力で、原始太陽系星雲を形成していた水素ガス・ヘリウムガスも集めだす。 これらを集めることで、さらに重力が強くなるため、一度水素やヘリウムを集めだすと急速に成長する。」
原始惑星が水素ガスやヘリウムガスも集めだすためには、 原始惑星(その後の核)が地球質量の10倍よりも大きく成長する必要があるということです。 よく見る「木星の内部構造」は、惑星形成理論から必要な核の大きさを描いているようです。

木星の内部構造を推定するには水素の状態方程式が使われるのですが、 異なる理論や実験に基づいた様々な状態方程式があるそうです。そして、様々なモデルで核の大きさを推定すると クーポン利用で最大1000円割引 シグナスD【4TG/4KP】 【茶/黒パイピング】【被せ】 グロンドマン国産シートカバー GR68YC60P10、 ほとんどのモデルで地球質量の10倍よりも小さくなってしまうというのです(土星は十分な核を持てる)。 これでは、木星の形成が現在主流の形成理論で説明できません。

ここで可能性として考えられるのは2つ。
その1つ目は、水素の状態方程式のモデルが正しくないということ。木星内は実験室で簡単に再現できない超高圧ですから、 この可能性も十分あるようです。それであれば、惑星形成理論から考えられる核があってもおかしくありません。
そして可能性の2つ目は、木星は微惑星衝突による原始惑星を基にして誕生したのではなく、 太陽のように原始太陽系星雲の水素ガス・ヘリウムガスが集まって形成されたということ。 この場合、中心に固体の核がないかもしれません。

いろんな本に「これらの惑星の内部構造はこうですよ」と描かれていると、 ほとんどわかっているように思ってしまいますが 215/70R16 100Q DUNLOP ダンロップ WINTER MAXX SJ8 ウインターマックス SJ8 KEELER FORCE キーラーフォース スタッドレスタイヤホイール4本セット、まだまだ不確実なことはたくさんあるんでしょうね。

おまけの話の参考文献:
~数百ギガパスカルの水素の状態方程式~
生駒大洋,佐野孝好,境家達弘,重森啓介
J. Plasma Fusion Res. Vol.84, No.2 (2008)93-99



この文章は、私の所属する“さいたま☆天文同好会”の会報「まがたま」79号(2010年10月発行) に掲載したものを一部書き直したものです。


おまけの話その2: ガス惑星と呼ぶ理由

(2010年12月追加記載)
先日、国立天文台で「第7回始源天体研究会」が行われ、私も出席してきました (始源天体研究会とは、小惑星・彗星や流星についての研究発表会です)。 初日の夜には懇親会もあり、そのときに太陽系の形成について研究している方に少し話を聞くことができました。

「木星のほとんどは気体(ガス)ではなくて、液体(リキッド)ですよね?」
「そうですね。氷惑星(天王星と海王星)もそうです。あれも水です。」
「水って、H2O という意味(氷や水蒸気も含めたもの)ですか? それとも液体の水という意味ですか?」
「液体の水です。温度が高いのでとけています。」
「ええ! それじゃ、氷惑星ではなくて、水惑星と呼ぶべきじゃないんですか? でも、 水惑星って呼んだら地球と紛らわしいですけど。」
「原材料で呼ぶんですよ。もともと氷が集まったので、氷惑星。木星もそうです。原材料がガスなのでガス惑星です。」

ということで、木星をガス惑星と呼ぶ理由がわかりました。 でも、天王星や海王星の中に液体の水が大量にあったとは驚きました。

注:酔っているときの会話ですので、

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、ここに書いた会話は一部違っているかもしれません。



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