Uranus 与 Neptune 上的 H$_{2}$-H$_{2}$O 脱离: 绝热结构模型
地球与行星天体物理
2024-12-11 v1
摘要
行星主要成分的脱离特性影响行星的内部结构和演化。将实验和计算数据上氢和水的 miscibility 与绝热轮廓进行比较，表明在冰巨星 Uranus 和 Neptune 的内部可能发生相分离。我们旨在预测乌拉努斯和海王星的大气水气含量以及水贫淡外层与水富深层内部之间的转换压力。我们构建了七个 H2-H2O 相图，基于可得的实验和计算数据。我们计算内部绝热结构模型，并将其与相图进行比较，以推断是否存在脱离。我们得到顶层强烈的水分 depletion，由于水的雨滴沉降，发现大气水质量分数 Z_atm 的上限分别为乌拉努斯为 0.21，海王星为 0.16。从水贫淡到水富层之间的转换尖锐进行，压力 P_Z 在 4-11 GPa 之间。根据这些对 Z_atm 和 P_Z 的约束，我们发现若 P_Z 大于 10 GPa（乌拉努斯）和 5 GPa（海王星），且深层内部具有高初始水质量分数 0.8，即可再现观察到的引力谐波 J2 和 J4，除非岩石也存在。若将岩石限制在 P_Z 之下，例如在 2000 K（20-30 GPa）以下的岩石云层以下，可改善与 J4 的吻合度。这些发现确认了经典的少层模型，并表明层状结构可能源于原始质量吸积和随后的相分离。需要更精确的 J4 观测不确定性及其动力学贡献、乌拉努斯（UOP）或海王星的探针任务中大气水气含量测量，以及更好地理解杂质混合行为，以限定冰巨星的内部结构。
引用
@article{arxiv.2410.21099,
title = {H$_{2}$-H$_{2}$O demixing in Uranus and Neptune: Adiabatic structure models},
author = {Marina Cano Amoros and Nadine Nettelmann and Nicola Tosi and Philipp Baumeister and Heike Rauer},
journal= {arXiv preprint arXiv:2410.21099},
year = {2024}
}
备注
Accepted for publication in Astronomy and Astrophysics