巨行星是主宰太阳系的天体——假如你愿意忽略太阳，并且认为天体的大小很重要。图3的第二行展示了太阳系的四颗巨行星的尺寸。当我们将这四颗巨行星与等比例缩放的类地行星进行比较时，很明显，巨行星的尺寸遥遥领先。在图3中，天王星的图像是由环绕在地球轨道上的哈勃太空望远镜拍摄的，其他三颗巨行星的图像则是由到访这些行星的宇宙飞船拍摄的。巨行星的密度比类地行星要小，因此质量对它们的影响并没有那么重要。木星的密度只有地球的24%，土星的密度则更小，小到假如它落到一个足够大的水桶中，甚至能漂浮起来。这些巨行星在其赤道面上都有行星环，但只有土星和天王星的行星环足够明显，能在图3中看到。这些行星环看起来坚固，其实是由无数极其微小的轨道粒子组成的。在下一章中，我们将讨论这些行星环，以及巨行星的卫星。

按照惯例，一颗巨行星的大小，要从它的云层顶部开始测量。这种云层存在于对流层中。对流层上方是基本透明的、密度逐渐降低的大气层，此大气层的分类方法与地球相同。但定义或探测巨行星的对流层底部是很难的，即使对离地球最近的巨行星——木星——也是如此。1995年，伽利略号释放的再入探测器探测了木星的云层。在高压(22个大气压)和高温(153℃)摧毁它之前，探测器只到达了木星云层下方160千米处。或许，在温度和压力如此高的情况下，每个巨行星的气态对流层与液态区域之间没有明显的界线，属于逐渐过渡。可以确定的是，这些巨行星没有足以让人站立的坚实表面。巨行星的基本数据展示在表5中。由于巨行星在快速地旋转(见表2)，它们的形状会变平，因此这里的极直径比赤道直径要小。木星的极直径比赤道直径小6.5%，土星的极直径比赤道直径小10%，而对于气体含量较低、自转速度较慢的天王星和海王星来说，这一差异仅在2%左右(对于类地行星来说，这一差异不到1%)。

内部结构

我们没有办法直接研究巨行星的内部，但我们可以利用巨行星的大气成分(99%的氢和氦)和我们对太阳系构成成分的常识，构造一个与测量密度一致的模型，由此推算出的内部压力也会一致。在大气层之下，每颗巨行星都必须有一个主要由氢分子(H2)和氦原子(He)组成的区域，我们最好称其为“流体”而不是“**”或“气体”。在巨行星的中心，可能都有一个岩石内核——木星和土星内部有一个大概是3倍地球质量的岩石内核，而天王星和海王星内部则有一个大概与地球质量相等的岩石内核；在内核周围，应该有一个由未知比例的水、氨和甲烷组成的“冰”的外核——木星的外核质量大约是地球质量的2倍，土星的外核质量大约是地球质量的6倍，天王星大约是12倍，海王星大约是15倍。即使我们可以估算巨行星中心的压强(木星中心的压强达到了惊人的5000万个大气压)，但我们并不知道巨行星内部的成分，并且对其内部的温度也只有一个模糊的概念(木星中心的温度超过15 000℃，海王星核的外边缘处温度大约是2200℃)。因此，我们无法知道这些外核和内核是处于熔融态还是固态。对于在这种极端条件下的物质会如何表现，我们并不完全理解。比如金属铁是否能从岩石中区分出来，向中心下沉，形成内核中的内核。甚至天王星和海王星的内核是不是冰和岩石的混合物。

表5　巨行星的基本数据

*请注意，表中的质量单位是表3中类地行星的1000倍

在天王星和海王星的核周围有个氢和氦组成的壳，仅相当于1个地球质量，却有大约6000千米厚；而“气态巨行星”木星和土星的核周围有更厚的氢和氦包层，分别超过300个和80个地球质量。相比冰或岩石，氢模型更容易建立。科学家们非常自信地宣称，超过200万个大气压的压强下，氢原子会被挤压得十分紧密，电子将不再被限制在特定的原子中。在这时，氢原子会变成一片类似熔化的金属海洋，电子就在其中漫游，这种电子的自由运动使“金属氢”成为一种优良的导电体。木星核周围的金属氢壳层(其中含有一些氦)可能有260个地球质量(占木星总质量的80%)，而土星核周围的金属氢壳层可能只有41个地球质量(占土星总质量的40%多一点)。图17显示了木星的完整内部结构。

巨行星的内部结构有可能依然在演化，这是因为除了天王星之外，它们向太空辐射的热量都超过了从太阳接收到的热量。木星是如此大，以至于可能仍在释放自它形成以来就困住的大量原始热量，但土星和海王星不一样，这种过剩的热量表明有热量正在被生成。这些热量差大到不可能是辐射热，因此这些巨行星的内部分化可能仍在进行：密度更大的物质向内部沉降(使内壳层生长，周围的壳层变得更薄但更纯净)，其重力势能转化为热能。这种热量可能来自核(或内核)的持续增长。以土星为例，这还可能来自它的金属氢壳层中的氦滴向内沉降。

图17　截面图显示了木星内部的假想内层。主要标记了对流层云顶区(亮)和带(暗)

大气

成分

我们研究巨行星内部主要是通过合理的猜测，但对其大气的研究可以更多地依赖观察和测量。巨行星的云和其覆盖层的成分可以用光谱学来研究。光谱学研究的是不同波长的阳光在大气不同深度的吸收情况，而巨行星大气中每一深度处的平均分子质量，可由从巨行星后方的航天器发射的无线电信号的折射量来确定。另外，伽利略号探测器在进入木星下降过程中对木星大气层也进行了多种测量。表6比较了这四颗巨行星大气层的化学成分。除了列出的化学成分，每个巨行星的大气都含有少量的乙炔(C2H2)；木星的大气含有乙烯(C2H4)，并且它和土星的大气都含有磷化氢(PH3)、一氧化碳(CO)和锗烷(GeH4)。

天王星和海王星大气最上层的连续云由甲烷冰粒子组成。由于木星和土星的大气温度过高，甲烷无法凝结，取而代之的是氨冰颗粒凝结成了最上层的云。这些顶部云层的厚度大约为10千米，在它们的下方，“空气”可能会再次变得纯净。计算表明，在木星最上端云层下方大约30千米处，应该有由硫化氢铵(NH4HS)组成的第二层云；在第二层云下方大约20千米处，应该有由水(顶部是冰，下面是液滴)组成的第三层云。伽利略号探测器在合适的深度发现了可能的硫化氢铵云，但没有发现任何水冰云。有人说这是因为模型本身有误，也有人说，这是因为水冰云是不连续的，探测器刚好从水冰云的缝隙中穿了过去，因此没观测到水冰云。同样的分层也可能出现在土星上，但由于土星的重力较小，云层之间的距离大约是木星云层的3倍。在天王星和海王星的甲烷云之下，也可能有含氨云。

表6　巨行星大气中检测到的气体

*显示了每种气体在不同巨行星大气中所占的比例

木星氨云顶部的大气压力是地球海平面大气压力的2~3倍。在其他巨行星上，云层顶部的压力接近地球海平面的大气压力。

大气环流

即使只是通过小型望远镜，我们也能在木星上看到平行于赤道的全球云带。在其他巨行星上，这一特征不那么明显。来自太阳的热量一定在这种大气环流中扮演着某种角色，影响了气态巨行星大气的可见部分。但木星的大气环流似乎主要是由内部热驱动的，并且是由木星的快速旋转控制的。

传统上，暗带被称为“带(belt)”，中间的亮带则被称为“区(zone)”。图17显示了木星上主要带和区的名称。由于我们没有固体表面作为参照系，所以在测量巨行星上的风速时，要参照巨行星自身的平均自转速度。在木星上，云层顶部的风以每秒130米的速度向东吹过大部分赤道带。北赤道带和南赤道带与赤道区的相邻边缘都有这种运动，但风速随着与赤道之间距离的增大而减小，并最终发生逆转，直到到达热带地区，风向在热带地区再次发生逆转。以此类推，每条带和区之间的风向反复逆转，直到极地地区。

在木星的很多区，大气主要是上升的，这会导致氨云在高处凝结，使那里显得很明亮。相反，在木星的带，大部分大气在下沉，这会把云顶拉得更低，使它们看起来更暗。但在木星上已经发现了这种模式的局部例外，并且上升的区和下沉的带的一般规律在其他巨行星上几乎不存在，因为其他巨行星上的大气环流更难理解。影响区和带能见度的一个复杂因素是，人们对会给云层添加颜色的微量化合物的性质和丰富程度知之甚少。这些微量化合物被预测是光化学反应的结果。木星大气的各种黄色和红色可能是由硫(S，从硫化氢或氨硫化氢中光化学释放)、磷(P，从亚磷酸中释放)或肼(N2H4，从氨中光化学释放)造成的。

土星大气颜色的变化不那么明显，区和带的模式也不那么明显。但是，土星大气的风速更高，向东吹的风的速度超过每秒400米，在赤道两侧10纬度的区域内非常盛行。

木星和土星上的旋转风暴系统是众所周知的，最著名的例子是木星大红斑。可以从图3中看到它——一个椭圆形地貌，横跨南赤道带和南热带区的边界，从东到西绵延26 000千米，呈螺旋状结构，逆时针旋转的周期大约为6天。至少从1830年起，从望远镜的观测中就可以清楚地看到木星的大红斑。在木星(在图17中沿着南温带观测)和土星上都可以看到不同尺度的小风暴。大约每隔30年，在夏季的北半球，土星大气图案就会被一个巨大的土星风暴系统毁损一次。该风暴系统会从赤道附近的一个白点开始，在1个月内扩散至环绕整个土星，然后逐渐从视野中消失。

木星和土星呈淡黄色，天王星和海王星呈蓝绿色，这是因为我们是通过一定深度的甲烷气体覆盖层来看它们的云顶的。甲烷气体会优先吸收较长波长的光，即红色的光。

天王星82.1°的轴倾角导致了极端的天王星季节变化。例如当旅行者2号——唯一造访天王星的宇宙飞船——在1986年飞过天王星时，天王星的南极阳光充足，而北半球的大部分地区正经历着长达数十年的黑暗。在旅行者号拍摄的图像上，天王星的南半球看起来平淡无奇，令人失望，但随着天王星年的推移，太阳开始在更宽的纬度范围内升起和落下，天王星也开始越来越像其他巨行星(图18)。2007年，天王星经过它的春分点，其南极以及南半球的其他部分随后开始逐渐进入漫长的黑暗，并且南半球的仲冬将在2028年达到顶峰。

1989年，旅行者2号飞越海王星，揭示其中的详情。那时的海王星看起来就像蓝色版本的木星，在赤道以南有一个巨型风暴系统，以黑斑的形式存在。这个风暴系统被命名为“大暗斑”，以致敬其在木星上的著名“表亲”。然而，“大暗斑”的寿命较短，到1994年就消失了。与木星和土星不同的是，海王星上的赤道风是向西吹的(与行星的自转方向相反)，在图18中可以看出这一点，大黑点相对较小的、更偏南的黑点在西移。

图18　上图：1998 年8 月（左）和2006年7月（右），哈勃太空望远镜观测到的天王星。参照大气环带图案来看，天王星的自转轴相对于太阳的方向变化是明显的。1998 年，南极周围的地区仍然处于阳光之下，但到2006 年，行星轴几乎与太阳平行。在1998 年拍摄的照片中，天王星的北极附近可以看到明亮的高云，同时也可以看到光环和一些内侧卫星。但到了2006 年，光环是侧面对着镜头，看不见了。取而代之的是，可以看到一颗规则卫星天卫一（Ariel）和它的影子

下图：旅行者2 号在1989 年接近海王星时所拍摄的两张海王星图片。这两张照片几乎完全记录了一个行星的自转。大暗斑和伴生的高亮度十分突出。请注意海王星的带状结构，和一个更南的小暗点

磁层

每颗巨行星都有很强的磁场。“磁偶极矩[1]”常用于测量行星磁场。海王星的“磁偶极矩”是地球磁场的25倍，天王星的“磁偶极矩”是地球的38倍，土星的“磁偶极矩”是地球的582倍，木星的“磁偶极矩”是地球的1949倍。为了产生这些磁场，每颗行星必须包含一个在进行某种对流运动的导电流体区域。在有磁场的两颗类地行星(水星和地球)中，对导电流体区域的解释是它们的铁核形成了一个流体外壳。木星和土星的磁场可能是在金属氢层中产生的，由行星相对快速的自旋所激发。但天王星和海王星的金属氢压力太低了，所以它们的磁场成因很难解释，可能是由它们外核的导电“冰”的内部运动造成的。

行星磁场(同样适用于水星和地球)的一个重要影响是，它会将行星包裹在一个太阳磁场线无法穿透的区域内，这个区域被称为行星的“磁层”。太阳风中的带电粒子(主要是质子和电子)的路径是受太阳磁场控制的，除非它们撞击到行星磁层的“弓形激波”，“弓形激波”会使带电粒子偏离行星。

带电粒子有时也能通过行星的磁层，尤其是会通过行星背向太阳的长长的磁尾泄漏回来。在两极附近，带电粒子可以沿着磁场线被引导到大气层的顶部。在那里，带电粒子的到来会在天空中发出被称为极光的光芒。极光在地球上广为人知，在木星和土星上也能被观测到。

[1]　人们最早认为磁体是由无数小的磁偶极子组成。后来认识到物质的磁性乃是由分子电流定向排列而产生，于是重新设定了计算方法，但仍保留了等效的“磁偶极矩”的概念。