天王星、海王星─鑽石雨？

天王星、海王星─鑽石雨？
國立臺灣大學大氣科學系陳穎霖、郭子仙博士生

太陽系邊緣的兩顆類木行星：天王星、海王星，分別為第七顆以及第八顆行星，與太陽的平均距離分別為19.6天文單位以及30天文單位，其組成份主要是氫、氦以及由水、氨、甲烷所結成的「冰」。這類型冰巨星，不若地球、金星、水星、火星等類地行星有明確存在的岩石核心，相對密度較低，體積也較大，天王星的體積在太陽系中排行第三，而質量約為地球的14倍，海王星的體積排行第四，質量則大約是地球的17倍。兩者在大氣中具有複雜的雲層結構，其內部高壓的狀態，成為近年科學家研究相態變化的好對象。

天王星的內部近核心壓力非常的大，高達800GPa(約地球表面氣壓790萬倍)，因為壓力重力效應，溫度也從外層的-220度飆升到7000度，在極高的壓力下可以形成密度相當高的冰(9g/)。過去的研究模擬這種壓力及溫度環境，並且在將溫度提高到攝氏50000度後，觀察到鑽cm3石塵埃產生的現象(由甲烷衍生的碳化合物)；Eggert(2010年,發表於Nature Physics)研究碳化合物(鑽石、石墨)等相態變化後，認為存在「液態具導電流體性質」的鑽石，因此在天王星、海王星的環境下，可能有固態的鑽石塵埃參與於相態變化中，支持早在1981年就被科學家提出的鑽石雨幻想。

高壓下形成的液態鑽石，可能表現得像水一樣，而給予天王星或海王星「液態的海洋」或「鑽石海」的現象；在Eggert的研究中，固態形成的鑽石更像冰山一樣浮在液態的鑽石海上，另外，「具導電性質」的流體活動也可能造成其磁場的異常（如圖一）。

圖一 地球、木星、土星及天王星、海王磁場和自轉軸夾角的迥異。天王星與海王星的自轉軸及磁極有著非常大的夾角(約60度)，近年來有學者試圖以碳化合物在高壓情況下形成「具導電性質」流體的活動，來解釋此現象。

實際觀測發現天王星不同高度的雲層由不同成份的化合物組成，藉由觀測雲層的活動可以反演風場，圖二顯示天王星在不同高度可能有不同組成包括H₂O, NH₄HS, NH₃, N₂S, 或CH₄的雲。由於天王星的自轉軸和公轉軸夾角相當大，幾乎是「躺著」轉，他的四季變化非常顯著(永晝、永夜現象)，長達84年的公轉週期，更讓季節變化長達21年。

圖二、天王星雲層、溫度隨高度分布

海王星的大氣比天王星更活耀，即便其所接受到的太陽輻射僅有地球的1/900，但由於其大氣對流的能量守恆及角動量守恆的特性，使得高緯度地區的風速大小為全太陽系之最(600m/s) 也有許多大型類似木星上的風暴被觀測到，對流雲發展旺盛，雲頂溫度被認為比天王星更低。下圖為高層雲的特寫，這些雲層的形成不似地球是由水的三態變化，而是由氨、甲烷、碳化合物及水參與產生。

圖三、海王星的的雲層

圖四、海王星的高層高速雲的近照

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參考資料:

1. J.H. Eggert, Melting temperature of diamond at ultrahigh pressure, Nature Physics (2010)
2. Ross, M. The ice layer in Uranus and Neptune_diamonds in the sky? Nature 292, 435_436 (1981).
3. Suomi, V.E.,Limaye, S.S., Johnson, D.R., High wind of Neptune –A possible mechanism, Science, vol.251, Feb. 22, 1991, p.929-932
4. http://astronomy.nmsu.edu/tharriso/ast105/UranusandNeptune.html