五、中太阳系：气态巨行星的“气体王国”与环系奇迹
从中太阳系的定义（小行星带至海王星轨道，约2.2-30AU）开始，太阳系的主角从岩石行星转向两类更庞大的天体——气态巨行星（木星、土星）与冰巨星（天王星、海王星）。它们的质量占太阳系总质量的92%以上（木星独占71%），不仅主导了中太阳系的引力格局，更以复杂的环系、庞大的卫星家族和剧烈的磁场活动，成为太阳系中最具视觉冲击力的“明星天体”。
5.1 木星：太阳系的“保护神”与“小太阳系”
5.1.1 基本参数与结构：气态巨行星的典范
木星是太阳系体积最大（直径13.98万公里，地球的11倍）、质量最大（1.9×102?kg，地球的318倍）的行星，轨道半长轴5.2AU（约7.78亿公里），公转周期11.86年。若将其视为“失败恒星”，其质量仅为太阳的千分之一（需达太阳质量8%才能触发氘核聚变），但已足够用引力重塑整个中太阳系。
木星的结构分为三层：
核心：质量约10-30倍地球，由岩石（铁、镁、硅）与金属氢混合组成，温度高达2万℃，压力达1亿巴（地球核心的10倍）；
液态金属氢层：核心外包裹着约7万公里厚的液态氢，因高压失去电子，呈现金属导电性。这一层是木星强磁场的源头——氢原子的快速旋转（随行星自转）产生电流，生成太阳系最强的行星磁场（表面强度14高斯，地球的2万倍）；
大气层：最外层是对流活跃的气态层，主要成分为氢（89%）和氦（10%），含微量甲烷、氨、水蒸气及有机分子（如乙烷）。大气中可见清晰的“带纹”（深色的 belts 与浅色的 zones），由不同纬度的上升/下沉气流形成，风速可达600km/h。
5.1.2 大气活动：永不停歇的风暴与雷暴
木星大气的标志性特征是大红斑（Great Red Spot）——一个持续数百年的巨型反气旋风暴，直径曾达3个地球宽度（目前缩小至1.3个地球）。其颜色源于大气中的磷、硫化合物在紫外线照射下的化学反应，而风暴的持久性得益于木星无固体表面的“摩擦耗散”，能量持续由内部对流补充。
除大红斑外，木星大气中还存在“珍珠链”（白色椭圆风暴群）、闪电（能量是地球闪电的1000倍）等现象。2020年朱诺号探测器发现，木星极地的风暴群呈多边形结构（8个极地风暴围绕中心气旋），与地球的飓风完全不同，暗示其大气动力学受高速自转（周期9小时55分）和强磁场的双重调控。
5.1.3 卫星系统：太阳系内的“迷你太阳系”
木星拥有95颗已知卫星（截至2024年），其中最着名的4颗伽利略卫星（木卫一、木卫二、木卫三、木卫四）由伽利略望远镜于1610年发现，它们的特征堪比小型行星：
木卫一（Io）：太阳系火山活动最剧烈的天体，因木星与邻近卫星（欧罗巴、加尼美得）的潮汐加热，表面有400余座活火山，喷发高度达300公里，熔岩流覆盖面积相当于地球陆地总和；
木卫二（Europa）：直径3122公里（略小于月球），表面覆盖厚达10-30公里的冰壳，下方存在深度达100公里的液态水海洋（水量是地球的2倍）。哈勃望远镜观测到其冰面有水蒸气喷发（高度200公里），暗示海洋与岩石核心接触，具备生命诞生的化学条件（如热泉口）；
木卫三（Ganymede）：太阳系最大卫星（直径5268公里），拥有自身的磁场（唯一拥有磁层的卫星），冰壳下存在咸水海洋，可能与液态水层混合形成“咸冰”；
木卫四（Callisto）：表面布满陨石坑（最古老的地貌达40亿年），冰壳厚达150公里，下方可能存在液态水海洋，但因远离木星潮汐加热，地质活动微弱。
木星的卫星系统不仅是研究天体演化的“天然实验室”，更因欧罗巴、木卫二的潜在宜居性，成为未来探测的重点（如NASA的“欧罗巴快船”任务计划2024年发射）。
5.2 土星：环系的“美学大师”与低密度奇迹
5.2.1 基本参数与结构：最“轻”的巨行星
土星轨道半长轴9.54AU（约14.3亿公里），公转周期29.46年，直径11.65万公里（地球的9.5倍），质量5.68×102?kg（地球的95倍），但密度仅0.687g/cm3（可浮在水面）。其结构与木星类似，但核心更小（约15倍地球质量），液态金属氢层更厚（占比达60%），大气中氦含量更低（仅3-4%，因早期分离沉入核心）。
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