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토성의 물리적 특성과 구조

by #$✶ΩΩ✶ 2021. 4. 18.

토성 수소와 헬륨이 주로 구성된 가스 거인입니다. 토성은 태양계에서 두 번째로 큰 행성이지만, 다른 행성에 비해 단단한 표면은 작습니다. 토성의 자전은 구형 스페로이드(타원)의 모양을 갖도록 합니다. 즉, 적도에서 극과 부푼 때 평평하게 됩니다. 그래서 적도와 극지의 반경은 상당히 차이가 납니다. 적도는 약 60,268km이며, 극지는 약 54,364km로 거의 10%에 가깝게 차이가 납니다. 태양계의 다른 거대한 행성인 목성, 천왕성 그리고 해왕성도 구형 스페로이드 모양이며 행성은 크지만, 토성과 마찬가지로 행성의 표면은 적은 편입니다. 벌지 및 회전 속도의 조합은 적도, 8.96 m/s2를 따라 효과적인 표면 중력이 극에 있는 것의 74%이며 지구의 표면 중력보다 낮다는 것을 의미한다. 그러나 거의 36km/s의 적도 탈출 속도는 지구보다 훨씬 높습니다. 토성은 태양계의 유일한 행성으로, 물보다 밀도가 약 30% 적습니다. 토성의 핵은 물보다 상당히 밀도가 높지만, 행성의 평균 특정 밀도는 대기로 인해 0.69g/cm3이다. 목성은 지구의 질량의 318배이며 토성은 지구 질량의 95배이다. 목성과 토성은 태양계의 전체 행성 질량의 92%를 보유한다.

주로 수소와 헬륨으로 구성되긴 하지만, 토성의 질량 대부분은 가스상에 있지 않습니다. 이는 밀도가 0.01g/cm3이상이면 수소가 이상적이지 않은 액체가 되어 토성의 질량의 99.9%를 함유하는 반경에 도달하기 때문입니다. 토성 내부의 온도, 압력 및 밀도는 모두 코어쪽으로 꾸준히 상승하여 수소가 더 깊은 층의 금속이 됩니다. 표준 행성 모형은 토성의 내부가 수소와 헬륨으로 둘러싸인 작은 암석 핵과 다양한 휘발성의 미량의 흔적을 가진 목성의 내부와 비슷하다는 것을 암시합니다. 이 코어는 지구와 조성물과 비슷하지만 밀도가 더 높습니다. 토성의 중력 순간을 검사하여 내부의 물리적 모델과 함께 토성의 코어 덩어리에 제약을 가할 수 있었습니다. 2004년 과학자들은 토성의 핵이 지구의 질량의 9~22배가 되어야 한다고 추정했습니다. 이 정도 수치는 직경 약 25,000km에 해당하는 수치이어야 한다고 추정했습니다. 이것은 두꺼운 액체 금속 수소 층으로 둘러싸여 있으며, 이어서 점차적으로 고도가 증가하는 가스로 전환되는 헬륨 포화 분자 수소의 액체 층이 뒤따릅니다. 가장 바깥쪽 층은 1,000km에 걸쳐 있으며 가스로 구성됩니다. 토성은 그 핵심에 11,700 °C에 도달 뜨거운 내부를 가지고 있습니다. 태양으로부터 받는 에너지의 2.5배 더 많은 에너지를 우주로 발산합니다. 목성의 열에너지는 켈빈에 의해 생성됩니다. 느린 중력 압축의 헬름홀츠 메커니즘이지만, 그러한 과정만으로는 토성의 열 생성을 설명하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 왜냐하면 토성의 질량이 적기 때문입니다. 대안 또는 추가 메커니즘은 토성 내부 깊숙한 곳에 있는 헬륨 방울의 배출을 통한 열의 발생일 수 있습니다. 이 물방울들이 저밀도 수소를 통해 내려오면서 마찰에 의해 열을 방출하고 토성의 외부 층은 헬륨이 고갈되게 됩니다. 이 하강하는 방울들은 핵을 둘러싸고 있는 헬륨 껍질로 축적되었을 수 있습니다. 다이아몬드의 강우량은 목성과 얼음 거인 천왕성과 해왕성뿐만 아니라 토성에서도 발생하는 것으로 제안되었다.

토성의 외부 대기는 분자 수소 96.3% 및 3.25% 헬륨을 부피별로 함유하고 있습니다. 헬륨의 비율은 태양에서 이 원소의 풍부함에 비해 현저히 결핍됩니다. 헬륨(금속성) 보다 무거운 원소의 양은 정확하게 알려지지 않았지만, 그 비율은 태양계의 형성으로부터 원시풍의 풍요로움과 일치하도록 가정합니다. 이 무거운 원소의 총질량은 토성의 핵심 지역에 있는 중요한 분수와 지구의 질량의 19-31 배로 추정됩니다. 암모니아, 아세틸렌, 에탄, 프로판, 인 스핀 및 메탄의 미량은 토성의 대기권에서 검출되었습니다. 상부 구름은 암모니아 결정으로 구성되며, 낮은 수준의 구름은 암모늄 하이드로슘화로 구성된 것으로 보입니다. 태양으로부터의 자외선은 상부 대기 중의 메탄 광분해를 일으켜, 결과 제품이 에디와 확산에 의해 하향 전달되는 일련의 탄화수소 화학반응으로 이어집니다. 이 광화학 주기는 토성의 연간 계절 주기에 의해 변조됩니다.