목성(Jupiter)

목성(Jupiter)

목성(Jupiter)은 태양에서 다섯 번째 행성이자 태양계에서 가장 큰 행성입니다. 목성은 태양계의 다른 행성을 합친 것보다 2.5배 이상이며 태양의 1000분의 1 이하 질량을 가진 거대 가스 행성입니다. 목성은 달과 금성에 이어 지구 밤하늘에서 세 번째로 밝은 자연 물체로 아주 오래전부터 관찰되어 왔습니다. 목성은 고대 로마 종교의 주요 신인 주피터의 이름을 따서 지어졌습니다. 목성은 주로 수소로 이루어져 있으며(부피의 90%), 그 다음 헬륨이 질량의 4분의 1과 부피의 10분의 1을 구성하고 있습니다. 목성 내부의 지속적인 수축 에너지는 태양으로부터 받는 열보다 더 많은 열을 발생시킵니다. 10시간에 1회전이라는 급속한 회전속도 때문에 행성의 형상은 타원형이며 적도 주변에 미미하지만 눈에 띄는 융기를 가지고 있습니다. 바깥 공기는 일련의 위도대로 나뉘며, 그 경계를 따라 난류와 폭풍이 있습니다. 그 가장 명백한 결과는 1831년부터 아마도 그 이전에 관측된 거대한 폭풍인 대적반 입니다. 목성은 희미한 행성 고리계에 둘러싸여 있으며 강력한 자기권을 가지고 있습니다. 이것은 태양계 중 헬리오스피어에 이어 최대의 연속된 구조입니다. 목성은 갈릴레오 갈릴레이가 1610년에 발견한 4개의 큰 위성을 포함한 95개의 알려진 위성과 아마도 그 이상의 위성으로 구성되어 있습니다. 이오, 에우로파, 가니메데, 칼리스트. 4개 중 가장 큰 가니메데는 행성 수성보다 큽니다. 칼리스토는 두 번째로 크고, 이오와 에우로파는 지구의 달 크기와 거의 같습니다. 1973년 이래 목성에는 9개의 로봇 탐사선이 방문하여 7개의 플라이바이 미션을 하였으며 2개의 전용 궤도 장치가 있고, 2개의 탐사선이 발사를 기다리고 있습니다.

목성의 특징

목성의 특징은 거대한 가스 행성으로 주로 고체가 아닌 기체와 액체로 구성되어 있습니다. 태양계 최대 행성으로 적도에서 지름 142,984km (88,846mi)로 지구의 1321배 부피를 가지고 있습니다. 그 평균 밀도는 1.326g/cm3이며, 목성은 4개 지구 행성의 밀도보다 낮습니다. 질량으로는 목성의 대기는 수소 약 76%, 헬륨 24% 이지만 헬륨 원자는 수소 분자보다 질량이 크기 때문에 목성의 상부 대기는 부피 기준으로 수소 약 90%, 헬륨 약 10% 입니다. 대기 중에는 미량의 메탄, 수증기, 암모니아, 실리콘계 화합물도 포함되어 있습니다. 탄소, 에탄, 황화수소, 네온, 산소, 포스핀, 유황의 분수도 있습니다. 대기의 최외층에는 동결 암모니아 결정이 포함되어 있습니다. 적외선과 자외선 측정을 통해 벤젠 및 기타 탄화수소도 미량 발견되었습니다. 목성 내부에는 보다 밀도가 높은 물질이 포함돼 있으며 질량에 따라 수소 약 71%, 헬륨 24%, 기타 원소 약 5% 가지고 있습니다. 수소와 헬륨의 대기 중 비율은 원시 태양 성운의 이론적 구성에 가깝습니다. 상층 대기 중 네온은 질량당 20ppm으로 구성되어 있어 태양의 약 10분의 1에 해당합니다. 헬륨은 또한 태양 헬륨 조성의 약 80%까지 환원됩니다. 이 감소는 헬륨을 풍부하게 포함한 물방울로서 이 원소들이 침전된 결과입니다. 분광학을 기반으로 토성은 목성과 조성이 비슷하다고 생각되지만 다른 거대 행성 천왕성과 해왕성은 수소와 헬륨이 상대적으로 적고 산소, 탄소, 질소, 황을 포함한 다음으로 가장 일반적인 원소가 비교적 많습니다. 이 행성들은 휘발성 화합물의 대부분이 고체이기 때문에 얼음 거인으로 알려져 있습니다. 목성의 질량은 지구의 318배이며, 태양계에 있는 다른 행성의 2.5배다. 목성은 매우 거대하기 때문에 중입자 중심은 태양의 중심에서 1.068 태양 반경에 위치하고 있습니다. 목성의 반경은 태양의 약 10분의 1이며 질량은 태양의 1000분의 1이다. "쥬피터 질량"(MJ 또는 MJup)은 다른 천체, 특히 태양계 외행성이나 갈색왜성의 질량을 나타내는 단위로 자주 사용됩니다. 예를 들어 태양계 외행성 HD 209458b의 질량은 0.69MJ이고 갈색왜성 글리제 229b의 질량은 60.4MJ입니다. 이론적인 모델에 따르면 목성의 질량이 40% 이상 증가하면 내부는 매우 압축되고 물질의 양이 늘어나도 부피는 감소합니다. 질량의 작은 변화에서는 반경이 크게 변화하지 않습니다. 그 결과 목성은 그 구성과 진화의 역사를 달성할 수 있는 행성만큼의 직경을 가지고 있다고 생각됩니다. 질량의 증가와 함께 더욱 수축하는 과정은 현저한 항성 발화가 달성될 때까지 계속됩니다. 목성은 수소를 융합해 항성이 되려면 약 75배의 질량이 필요한데, 그 지름은 최소 적색왜성이 토성보다 약간 크기 때문에 충분합니다. 목성은 켈빈에 의해 태양 복사에서 받는 열보다 더 많은 열을 방사합니다. 형성 당시 목성은 더 고온이었으며 현재 직경의 약 2배였습니다. 21세기 초 이전에 대부분의 과학자들은 목성 형성에 관한 두 가지 시나리오 중 하나를 제안했습니다. 행성이 고체로서 최초로 도달한 경우, 그것은 밀도가 높은 코어, 행성 반경의 약 80%까지 바깥쪽으로 연장되는 액체 금속 수소(헬륨 포함)의 주위층, 그리고 주로 분자 수소로 이루어진 외부 대기로 구성될 것이라고 보고 있습니다. 또는 행성이 기체 원시행성 원반에서 직접 붕괴될 경우 중심까지 훨씬 밀도가 높은 액체(주로 분자와 금속수소) 대신 구성되는 코어가 완전히 부족할 것으로 예상됐습니다. 주노미션 데이터에 따르면 목성은 맨틀에 혼합하는 확산 코어를 가지고 있습니다. 이 혼합 과정은 형성 중에 발생할 수 있으며 행성은 주위 성운에서 고체와 가스를 흡수했습니다. 혹은 목성이 형성된 지 수백만 년 후 지구 질량 약 10개 행성의 충격에 의해 야기되었을 가능성이 있으며, 이는 원래 고체 목성 코어를 파괴했을 것입니다. 코어는 행성 반경의 30~50%를 차지하며 질량이 지구의 7~25배에 달하는 무거운 원소를 포함하고 있는 것으로 추정되고 있습니다. 이 깊이에서 압력과 온도는 분자수소의 임계압력 1.3MPa와 임계온도 33K (-240.2℃;-400.3 F) 이상 입니다. 이 상태에서는 명확한 액상과 기상이 존재하지 않습니다. 수소는 초임계 유체 상태인 것으로 알려져 있습니다. 구름층에서 아래쪽으로 늘어나는 수소와 헬륨가스는 액체수소나 기타 초임계 유체의 바다와 비슷할 수 있는 더 깊은 층의 액체로 서서히 이행합니다.물리적으로는 깊이가 증가함에 따라 가스는 서서히 뜨거워지고 밀도가 높아집니다. 헬륨과 네온의 비와 같은 물방울이 하층 대기를 통해 아래쪽으로 침전되어 상층 대기 중 이 원소들의 풍부함을 잃게 됩니다. 계산에 따르면 헬륨은 반경 6만 km(37,000 mi)(구름 꼭대기에서 11,000 km(6800 mi))에서 금속 수소로부터 분리되어 다시 5만 km(31,000 mi)(구름 아래 22,000 mi)로 합류합니다. 다이아몬드의 강우량은 토성이나 얼음 거인 천왕성이나 해왕성에서도 발생한다는 것이 시사되고 있습니다. 행성 형성의 열은 대류로만 도망칠 수 있기 때문에 목성 내부의 온도와 압력은 안쪽으로 꾸준히 증가합니다. 대기압 레벨이 1바(0.10MPa)인 표면 깊이에서는 온도는 약 165K (-108℃ ;-163 F) 입니다. 초임계 수소가 분자 유체에서 금속 유체로 서서히 변화하는 영역은 각각 5,000~8,400 GPa의 압력 범위(4,730~8,130℃; 8,540~14,660 F)에 걸쳐 있습니다. 목성의 희석 코어 온도는 20,000K(19,700℃; 35,500 F)로 추정되며 압력은 약 4000GPa 입니다.

목성의 대기

목성의 대기는 구름층에서 3,000km(2,000mi) 깊이까지 펼쳐져 있습니다. 목성은 항상 암모니아 결정 구름으로 덮여 있는데, 여기에는 황화암모늄도 포함되어 있을 가능성이 있습니다. 구름은 대기의 대류권 계면층에 위치하며 열대 지역으로 알려진 서로 다른 위도에서 띠를 형성합니다. 이러한 대기 기체들은 더 밝은 색조의 구역과 더 어두운 벨트로 세분화되어 있습니다. 이러한 상반된 순환 패턴의 상호 작용은 폭풍과 난기류를 일으킵니다. 풍속 100m/s(360km/h; 220mph)는 존 제트 기류에서 일반적입니다. 이들 지역은 해마다 폭, 색, 강도가 다른 것으로 관측되고 있지만 과학자들이 명명할 수 있을 정도로 안정된 상태입니다. 구름층은 약 50km(31mi) 깊이로 적어도 2개의 암모니아 구름으로 구성되어 있습니다. 상부에는 얇고 투명한 영역이 있고 하부에는 두꺼운 대기층이 있습니다. 목성 대기에서 검출된 번개 섬광에 의해 보여지는 것처럼 암모니아 구름 아래에는 옅은 물구름이 있을 것으로 추정하고 있습니다. 이러한 방전은 지구상의 천둥의 1000배나 되는 위력을 가질 수 있습니다. 수운은 내부에서 상승하는 열에 의해 추진되는 지상 뇌우와 마찬가지로 뇌우를 발생시킬 것으로 예상됩니다. 주노(Juno)의 미션은 대기 중 비교적 높은 암모니아 수운에서 발생하는 '얕은 번개'의 존재를 밝혀냈습니다. 이 배출물들은 얼음으로 덮인 물 암모니아성 슬래시 '매쉬볼'을 운반해 대기 중 깊숙이 낙하합니다. 목성의 상층 대기에서 약 1.4밀리초 계속되는 밝은 섬광이 관측되고 있습니다. 이것들은 '엘프' 또는 '스프라이트'로 알려져 있으며 수소에 의해 파란색 또는 분홍색으로 보입니다. 목성 구름의 오렌지와 갈색은 태양으로부터의 자외선에 노출되면 색이 변하는 융기한 화합물에 의해 일어납니다. 정확한 구성은 불분명하지만, 이 물질들은 인, 유황 또는 아마도 탄화수소로 구성되어 있을 것으로 생각됩니다. 색소로 알려진 이 착색 화합물은 하갑판의 더 따뜻한 구름과 혼합됩니다. 색역은 상승 대류 세포가 결정화된 암모니아를 형성하고 발색단을 시야에서 숨길 때 형성됩니다. 목성은 축 방향의 기울기가 낮아 극이 적도 지역보다 태양 복사를 항상 적게 받도록 되어 있습니다. 행성 내부의 대류는 에너지를 극으로 수송하고 구름층의 온도를 균형 있게 조정합니다. 목성의 잘 알려진 특징은 적도에서 22도 남쪽에 위치한 지속적인 고기압성 폭풍우입니다. 적어도 1831년부터 존재해 온 것으로 알려져 있습니다. 허블 우주 망원경에 의한 이미지는 대적색점에 인접한 2개의 '빨강점'을 나타내고 있습니다. 이 폭풍은 12cm 이상의 개구부를 가진 지구 기반 망원경을 통해 볼 수 있습니다.타원형 물체는 시계 반대 방향으로 회전하며 주기는 약 6일이다. 이 폭풍의 최고 고도는 주위 구름 꼭대기에서 약 8km(5mi) 위 입니다. 스팟의 조성과 그 적색의 근원은 불분명하지만 아세틸렌과 반응하는 광해리 암모니아는 설명 가능합니다. 대적반은 지구보다 큽니다. 수학적 모델은 폭풍이 안정적이고 행성의 영구적인 특징이 될 것임을 보여주고 있습니다. 그러나 발견 이후 그 크기는 크게 감소하고 있습니다. 1800년대 후반의 최초 관측에서는 직경은 약 41,000km(25,500mi) 였습니다. 1979년 보이저 비행 때까지 이 폭풍은 길이 23,300km (14,500mi), 폭 약 13,000km (8,000mi) 였습니다. 1995년 허블 관측에서는 20,950km (13,020mi)까지 감소했고 2009년 관측에서는 17,910km (11,130mi)로 나타났습니다. 2015년 시점에서 폭풍은 약 1만6500x10,940km (10,250x6,800mi)로 측정되어 연간 약 930km (580mi)의 길이가 감소하고 있었습니다.2021년 10월 주노 탐사선은 그레이트 레드 스팟의 깊이를 측정해 약 300~500킬로미터(190~310마일) 로 밝혀 냈습니다. 주노 탐사선은 목성 극에 몇 개의 극 사이클론 그룹이 있다는 것을 보여줍니다. 북쪽 그룹에는 9개의 사이클론이 있고 중앙에 큰 사이클론이 1개, 그 주변에 8개가 있습니다.남쪽 그룹도 중심 소용돌이로 구성되어 있는데, 5개의 큰 폭풍과 1개의 작은 폭풍으로 둘러싸여 있어 총 7개의 폭풍이 있습니다. 이러한 극 구조는 목성 대기의 난류에 의해 야기되며 토성 북극에 있는 육각형과 비교할 수 있습니다. 2000년 남반구에 형성된 대기의 특징은 겉보기에는 그레이트 레드 스팟과 비슷하지만 더 작습니다. 이것은 더 작은 흰색 타원형 폭풍이 합병하여 단일 특징을 형성했을 때 작성된 것으로, 이 세 개의 작은 흰색 타원은 1939년부터 1940년에 걸쳐 형성되었습니다. 통합된 기능의 이름은 OvalBA입니다. 이후 강도가 세지면서 흰색에서 빨간색으로 바뀌면서 리틀 레드 스팟이라는 별명이 붙었습니다. 2017년 4월 북극에 있는 목성 열권에서 '대한점'이 발견되었습니다. 이 기능은 폭 24,000km (15,000mi), 폭 12,000km (7,500mi) 및 주위 재료보다 200℃(360F) 저온입니다. 이 스팟은 단기적으로 모양과 강도가 변화하는 한편 15년 이상 대기 중에서 일반적인 위치를 유지하고 있습니다. 그것은 대적반점과 비슷한 거대한 소용돌이일 수도 있고, 지구 열권의 소용돌이처럼 준안정적으로 보입니다. 이 특징은 Io에서 생성된 하전 입자와 목성의 강한 자기장과의 상호작용에 의해 형성되어 열류의 재분배를 가져올 수 있습니다.