7.7 מדוע הן כה ענקיות?

מערכת של חוקים כלליים יכולה להסביר את המאפיינים החשובים של האטמוספירה הפלנטרית. בעזרתם ניתן להגדיר את נושא הפלנטולוגיה ההשוואתית. אנו יכולים ליישם את הכללים האלה על כוכבי הלכת הענקיים כדי להסביר את היווצרותה של האטמוספירה המסיבית שלהם. כלל אחד, למשל, מציין שלפלנטות גדולות יש כוח כבידה חזק יותר, כך שהם מסוגלים לשמור טוב יותר על מולקולות הגז שלהן מלהשתחרר לחלל.

שיקול נוסף הוא הטמפרטורה. הטמפרטורה היא מדד של האנרגיה הקינטית של חלקיקים: ככל שהטמפרטורה של גז גבוהה יותר, כך האנרגיה הקינטית של חלקיקי הגז גבוהה יותר, ולכן המהירות של מולקולות הגז גבוהה יותר. לכן, בכוכבי לכת קרים, הרחוקים מן השמש, לחלקיקי גז יש בדרך כלל מהירות נמוכה. בין כל המולקולות בכל טמפרטורה נתונה, המולקולות הקלות ביותר הן המהירות ביותר. מימן הוא הגז הקל ביותר ולכן מולקולות המימן הן המהירות ביותר, בממוצע. במקום השני בין היסודות הקלים נמצא ההליום. שילוב של רעיונות אלה, מאפשר להעריך כי מימן והליום הם הגזים הראשונים שישתחררו מכוח הכבידה של כוכב לכת.  אך, הם יוכלו להישמר בכוכבי הלכת הגדולים והקרים ביותר.

באמצעות החלת העקרונות של כוח הכבידה והתיאוריה הקינטית של גזים, אנו יכולים להבין מדוע כוכבי לכת ענקיים הפכו לגדולים כל כך בניגוד לכוכבי הלכת הארציים. בכדור הארץ הקטן, מולקולות מימן שהיו באטמוספירה שלנו נעו במהירות מספקת כדי להימלט לחלל. כתוצאה מכך, בכדור הארץ כמעט ולא נשאר מימן באטמוספרה. במקום זאת, גזים כבדים כגון חמצן, חנקן ופחמן דו חמצני מרכיבים את האטמוספירות של הפלנטות הארציות. לעומת זאת, בארבעה ענקי הגז קרים, המימן וההליום נעים לאט יותר בשל הטמפרטורה הנמוכה. גם הליבות המאסיביות של הפלנטות עזרו להן לשמור על הגזים הקלים ביותר. כך שהמימן וההליום נשמרו, יחד עם כל הגזים האחרים שהיו באזור זה של הערפילית הסולארית. מאז כמויות המימן באטמוספירה גדולות הרבה יותר מכמויות הגזים אחרים, כך שמימן שולט בכל ארבעת הענקים הגזיים.

ניתן להציג מידע על כוח הכבידה וההרכב האטמוספרי של כוכב לכת בגרף אחד, שבו הציר האנכי הוא מהירות הבריחה מכוכבי לכת, והציר האופקי הוא הטמפרטורה. קווים משופעים מראים את המהירות האופיינית הגבוהה ביותר של אטומי גז ומולקולות שונות. אם הקו עובר מתחת לפלנטה או ירח מסוים, מולקולות הגז האלה לעולם אינן מגיעות למהירות הבריחה, והגז נשמר באטמוספירה. כך אנו משתמשים בכוח הכבידה ובתנועות התרמיות של האטומים כדי להסביר את הרכב האטמוספרה של הכוכב. העקרונות הפיזיים המשמשים בהסבר הם כלליים לחלוטין. במילים אחרות, הם יחולו על כל כוכבי הלכת בכל מערכת שמש. כל מה שאנחנו צריכים לדעת הם: א. המסה של הפלנטה, אשר קובעת את מהירות הבריחה, ב. המרחק מן הכוכב המרכזי, אשר קובע את הטמפרטורה בפלנטה.

איך נוצר כוכב לכת ענק? אנחנו יכולים למעשה לחזות בקרוב את גודל הפלנטה. ראשית, אנו יכולים להעריך כיצד הטמפרטורה של כוכב לכת משתנה עם המרחק מן השמש. מרחקו של צדק מהשמש הוא 5.2 יחידות אסטרונומיות (AU) , כך שהוא קולט 1/27 = ²(1/5.2)   מהקרינה שכדור הארץ מקבל. על פי חוק סטפן-בולצמן, הטמפרטורה קשורה לקרינה הנפלטת  S α T⁴. לכן, הטמפרטורה במקום שבו נמצא  צדק היא ^1/4(1/27) = 0.44 פעמים הטמפרטורה שעל פני כדור הארץ –   293K. מתקבלת טמפרטורה של  128K =  293 × 0.44 התיאוריה הקינטית של הגזים קובעת שהאנרגיה הקינטית של האטום הממוצע היא  1/2mv²= 3/2 kT  מכאן שמהירות האטום הוא יחסי לשורש הריבועי של הטמפרטורה, v α T^1/2. נסתייע בתוצאה שמהירות המימן באטמוספירה של כדור הארץ היא  16.2 ק"מ לשנייה. לכן, מהירות המימן סביב פלנטה בגודל כדור הארץ הנמצאת במרחק צדק מהשמש תהיה  ^1/2(0.44)16.2= 10.7 קילומטר לשניה. מכיוון שזוהי בקרוב מהירות הבריחה, המימן לא יישמר.

אם כוכב לכת בגודל כדור הארץ היה במרחק של צדק, הוא היה נשאר באותו גודל כמו כדור הארץ. אבל כוכב לכת סלעי גדול מעט יותר, רק מספר פעמים מועט של מסת כדור הארץ, הוא היה מצליח לשמור על אטמוספירת מימן. כך נוצרת השפעת משוב: כאשר המימן לכוד, המסה תגדל, לכן כוח הכבידה יגדל וגם מהירות הבריחה תגדל. מלכודת המימן תתעצם. אם היה כוכב לכת סלעי במערכת השמש החיצונית הגדול פי כמה מכדור הארץ, כוח הכבידה שלו היה בסופו של דבר חזק דיו לא רק ​​לשמור על מימן באטמוספרה שלו, אלא גם למשוך וללכוד את המימן הנמצא בחלל שסביבו. כך נבנים כוכבי הלכת הענקיים. מעניין לציין, שצדק הגיע לגודל המרבי שפלנטה יכולה לגדול. אם צדק היה מוסיף למשוך חומר גזי, הכבידה העצמית שלו הייתה דוחסת אותו קצת יותר, כך שקוטרו לא היה משתנה.