天王星 -太陽系八大行星之一

天王星

太陽系八大行星之一
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天王星(Uranus)是太陽系由內向外的第七顆行星(18.37~20.08天文單位),其體積在太陽系中排名第三(比海王星大),質量排名第四(小于海王星),幾乎橫躺著圍繞太陽公轉。

天王星大氣的主要成分是氫和氦,還包含較高比例的由水、氨、甲烷等結成的"",與可以探測到的碳氫化合物。天王星是太陽系內大氣層最冷的行星,最低溫度隻有49K(-224℃)。其外部的大氣層具有復雜的雲層結構,水在最低的雲層內,而甲烷組成最高處的雲層。 相比較而言,天王星的內部則是由冰和岩石所構成。

天王星的英文名稱Uranus來自古希臘神話中的天空之神烏拉諾斯(Οὐρανός),是克洛諾斯的父親,宙斯的祖父。與在古代就為人們所知的五顆行星(水星、金星、火星、木星、土星)相比,天王星的亮度也是肉眼可見的,但由于亮度較暗、繞行速度緩慢並且由于當時望遠鏡觀測能力不足,未被古代的觀測者認定為一顆恆星。直到1781年3月13日,威廉·赫歇耳爵士宣布他發現了天王星,首度擴展了太陽系已知的界限,這也是第一顆使用望遠鏡發現的行星。

天王星和海王星的內部和大氣構成和更巨大的氣態巨行星木星土星不同。同樣的,天文學家設立了冰巨星分類來安置它們。

  • 中文名稱
    天王星
  • 外文名稱
    Uranus
  • 軌道傾角
    0.77°
  • 逃逸速度
    21.3km/s
  • 發現時間
    1781年3月
  • 離心率
    0.044405586
  • 表面溫度
    -180℃
  • 升交點經度
    73.99°
  • 與太陽的距離
    28.69億千米
  • 衛星數
    27顆
  • 公轉周期
    84.323326年
  • 光環厚度
    1.6千米
  • 質量
    8.6810 ±13×10²⁵kg
  • 平均密度
    1.318g/cm³
  • 自轉方向
    順時針
  • 自轉周期
    17時14分24秒
  • 大氣構成
    氫(H)氦(He)甲烷(CH₄)
  • 註音
    ㄊㄧㄢ ㄨㄤˊ ㄒㄧㄥ
  • 發現者
  • 半長軸
    2,876,679,082km
  • 直徑
    51118km
  • 分類
    遠日行星

探索發現

發現

天王星在被發現是行星之前,已經被觀測了很多次,但都把它當作恆星看待。最早的紀錄可以追溯至1690年約翰·佛蘭斯蒂德在星表中將他編為金牛座34,並且至少觀測了6次。法國天文學家Pierre Lemonnier在1750至1769年也至少觀測了12次,包括一次連續四夜的觀測。

天王星天王星

威廉·赫歇爾1781年3月13日于他位于索美塞特巴恩鎮新國王街19號自宅的庭院中觀察到這顆行星(赫歇爾天文博物館),但在1781年4月26日最早的報告中他稱之為彗星。赫歇爾用他自己設計的望遠鏡“對這顆恆星做了一系列視差的觀察”。他在他的學報上的紀錄著:“在與金牛座ζ成90°的位置……有一個星雲樣的星或者是一顆彗星”。在3月17日,他註記著:“我找到一顆彗星或星雲狀的星,並且由他的位置變化發現是一顆彗星”。當他將發現提交給皇家學會時,雖然含蓄的認為比較像行星,但仍然聲稱是發現了彗星:

"The power I had on when I first saw the comet was 227. From experience I know that the diameters of the fixed stars are not proportionally magnified with higher powers,as planets are; therefore I now put the powers at 460 and 932,and found that the diameter of the comet increased in proportion to the power,as it ought to be,on the supposition of its not being a fixed star,while the diameters of the stars to which I compared it were not increased in the same ratio. Moreover,the comet being magnified much beyond what its light would admit of,appeared hazy and ill-defined with these great powers,while the stars preserved that lustre and distinctness which from many thousand observations I knew they would retain. The sequel has shown that my surmises were well-founded,this proving to be the Comet we have lately observed."

赫歇爾因為他的發現被通知成為皇家天文學家,並且語無倫次的回復說:“我不知該如何稱呼它,它在接近圓形的軌道上移動很像一顆行星,而彗星是在很扁的橢圓軌道上移動。我也沒有看見彗發彗尾”。

當赫歇爾繼續謹慎的以彗星描述他的新對象,其他的天文學家已經開始做不同的懷疑。俄國天文學家Anders Johan Lexell估計它至太陽的距離是地球至太陽的18倍,而沒有彗星曾在近日點四倍于地球至太陽距離之外被觀測到柏林天文學家約翰·波得描述赫歇爾的發現像是"在土星軌道之外的圓形軌道上移動的恆星,可以被視為迄今仍未知的像行星的天體"。波得斷定這個以圓軌道運行的天體比彗星更像是一顆行星。

這個天體很快便被接受是一顆行星。在1783年,法國科學家拉普拉斯證實赫歇爾發現的是一顆行星。赫歇爾本人也向皇家天文學會的主席約翰·班克斯承認這個事實:“經由歐洲最傑出的天文學家觀察,顯示這顆新的星星我很榮譽的在1781年3月指認出的,是太陽系內主要的行星之一”。

命名

馬斯基林曾這樣的問赫歇爾:"做為天文學世界的恩寵"(原文如此)"為您的行星取個名字,這也完全是為了您所愛的,並且也是我們迫切期望您為您的發現所做的。"回應馬基斯林的請求,赫歇爾決定命名為"喬治之星Georgium Sidus)"或"喬治三世"以紀念他的新贊助人--喬治三世。他在給約瑟夫·貝克的信件中解釋道:

威廉·赫歇爾威廉·赫歇爾

“In the fabulous ages of ancient times the appellations of Mercury,Venus,Mars,Jupiter and Saturn were given to the Planets,as being the names of their principal heroes and divinities. In the present more philosophical era it would hardly be allowable to have recourse to the same method and call it Juno,Pallas,Apollo or Minerva,for a name to our new heavenly body. The first consideration of any particular event,or remarkable incident,seems to be its chronology: if in any future age it should be asked,when this last-found Planet was discovered? It would be a very satisfactory answer to say,'In the reign of King George the Third.”

天文學家Jerôme Lalande建議將這顆行星稱為赫歇爾以尊崇它的發現者。但是,波得贊成用希臘神話的烏拉諾斯,譯成拉丁文的意思是天空之神,中文則稱為天王星。波得的論點是農神土星)是宙斯(木星)的父親,新的行星則應該取名為農神的父親。天王星的名稱最早是在赫歇爾過世一年之後的1823年才出現于官方檔案中。喬治三世或"喬治之星"的名稱在之後仍經常被使用(隻在英國使用),直到1850年,HM航海歷才換用天王星的名稱。

天王星的名稱是行星中唯一取自希臘神話而非羅馬神話的,天王星的形容詞(Uranian)被鈾的發現者Martin Klaproth用來命名在1789年新發現的元素。Uranus的重音在第一個音節,因為倒數第二個音a是短音(ūrănŭs)

並且是開放的音節。這樣的音節在拉丁文中從未被強調過,因此在傳統上名字的正確發音是來自英語的[ˈjʊ.rə.nəs]

。傳統上不正確的發音,重音落在第二音節並且將a發成長音是很普通的。天王星的天文學符號是Astronomical symbol for Uranus,他是火星和太陽符號的綜合,因為天王星是希臘神話的天空之神,被認為是由太陽和火星聯合的力量所控製的。他在佔星學上的符號,是Lalande在1784年建議的。在給赫歇爾的一封信中,Lalande描述他是"您的名字首次戰勝地球的符號" ("a globe surmounted by the first letter of your name")。在東亞,也都翻譯成天王星(sky king star)。

星體特征

基本參數

軌道半徑(天文單位

19.218

軌道偏心率

0.046

軌道對黃道斜角(°)

0.77

公轉周期(年)

83.747

會合周期(日)

369.66

質量(相對于地球)

14.535

半徑(相對于地球)

4.007

平均密度(克/釐米)

1.318

表面重力加速度(米/秒²)

8.69

逃逸速度(千米/秒)

21.3

赤道自轉周期(小時)

17.24

赤道對軌道斜角(°)

97.86

發現衛星數

27(2005-3-4)

反射率

0.51

平均雲層溫度(℃)

12.8

大氣壓力(巴)

未知

大氣組成

H₂ 83% He 15% CH₄ 2%

軌道參數

(歷元 J2000)

  • 遠日點距離:3,004,419,704 km(20.08330526 AU)
  • 近日點距離:2,748,938,461 km(18.37551863 AU)
  • 軌道半長軸:2,876,679,082 km(19.22941195 AU)
  • 軌道離心率:0.044405586
  • 公轉周期:30799.095個地球日(84.323326 年)
  • 自轉周期:17時14分24秒
  • 自轉方向:自東向西
  • 逃逸速度:21.3 km/s
  • 會合周期:369.66 日
  • 平均公轉速度:6.81 km/s
  • 平均近點角:142.955717°
  • 軌道傾角:0.772556°(6.48° 對太陽的赤道)
  • 升交點赤經:73.989821°
  • 近日點輻角:96.541318°
  • 衛星數:27

物理參數

  • 赤道半徑:25,559 ±4 km(4.007地球)
  • 兩極半徑:24,973 ±20 km(3.929地球)
  • 扁率:0.0229
  • 表面積:8.1156×10⁹ km²(15.91個地球表面積)
  • 體積:6.833×10¹³km³;(63.086個地球體積)
  • 質量:8.6810 ±13×10²⁵ 公斤(14.536個地球)
  • GM=5,793,939 ±13 公裏³/秒²;
  • 平均密度:1.290 g/cm³;
  • 赤道表面重力加速度:8.69 m/s²;(0.886 g)
  • 逃逸速度:21.3 km/s
  • 行星自轉周期:0.71833 地球日(17時14分24秒)
  • 赤道旋轉速率:2.59 km/s(9,320km/h)
  • 軸傾斜:97.77°
  • 北極赤經:17 h 9 min 15 s,257.311°
  • 赤緯:-15.175°
  • 反照率:0.300 (bond),0.51 (geom)
  • 表面溫度:
  • 最小:49 K(-224.15℃)
  • 平均:53 K(-220.15℃)
  • 最高:57 K(-216.15℃)
  • 星等:5.9~5.32
  • 角度尺寸:3.3"~4.1"
  • 形容用詞:Uranian

大氣組成

  • 83±3% 氫分子 (H₂)
  • 15±3% 
  • 2.3% 甲烷
  • 0.009%(0.007-0.015%) 重氫化合物(HD)
  • :
  • 氨硫化氫(NH₄SH)
  • 甲烷(CH₄)

物質構成

天王星主要是由岩石與各種成分不同的水冰物質所組成,其組成主要元素為(83%),其次為氦(15%)。在許多方面天王星(海王星也是)與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同,其性質比較接近木星與土星的地核部分,而沒有類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面(主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成)。

地球和天王星大小的比較地球和天王星大小的比較

天王星的質量大約是地球的14.5倍,是類木行星中質量最小的,他的密度是1.29公克/釐米³隻比土星高一些。直徑雖然與海王星相似(大約是地球的4倍),但質量較低。這些數值顯示他主要由各種各樣揮發性物質,例如水、氨和甲烷組成。天王星內部凍的總含量還不能精確的知道,根據選擇的模型不同有不同的含量,但是總在地球質量的9.3 至13.5倍之間。氫和氦在全體中隻佔很小的部分,大約在0.5至1.5地球質量。剩餘的質量(0.5至3.7地球質量)才是岩石物質。

天王星的標準模型結構包括三個層面:在中心是岩石的核,中間是凍的地函,最外面是氫/氦組成的外殼。相較之下核非常的小,隻有0.55地球質量,半徑不到天王星的20%;地函則是個龐然大物,質量大約是地球的13.4倍;而最外層的大氣層則相對上是不明確的,大約擴展佔有剩餘20%的半徑,但質量大約隻有地球的0.5倍。天王星核的密度大約是9克/釐米³,在核和地函交界處的壓力是800萬巴和大約5,000K的溫度。凍的地函實際上並不是由一般意義上所謂的冰組成,而是由水、氨和其他揮發性物質組成的熱且稠密的流體。這些流體有高導電性,有時被稱為水-氨的海洋。天王星和海王星的大塊結構與木星和土星相當的不同,凍的成分超越氣體,因此有理由將她們分開另成一類為冰巨星。

上面所考慮的模型或多或少都是標準的,但不是唯一的,其他的模型也能滿足觀測的結果。例如,如果大量的氫和岩石混合在地函中,則凍的總量就會減少,並且相對的岩石和氫的總量就會提高;可利用的資料還不足以讓我門確認哪一種模型才是正確的。天王星內部的流體結構意味著沒有固體表面,氣體的大氣層是逐漸轉變成內部的液體層內。但是,為便于扁球體的轉動,在大氣壓力達到1巴之處被定義和考慮為行星的表面時,他的赤道和極的半徑分別是25,559±4和24,973±20 公裏。這樣的表面將做為這篇文章中高度的零點。

  • 內熱

天王星的內熱看上去明顯的比其他的類木行星為低,在天文的項目中,他是低熱流量。仍不了解天王星內部的溫度為何會如此低,大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星,放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍;相反的,天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠紅外(也就是熱輻射)的部分釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。事實上,天王星的熱流量隻有 0.042 ±0.047w/m²,遠低于地球內的熱流量0.075w/m²。天王星對流層頂的溫度最低溫度紀錄隻有49K,使天王星成為太陽系溫度最低的行星,比海王星還要冷。

在天王星被超重質量的錘碎機敲擊而造成轉軸極度傾斜的假說中,也包含了內熱的流失,因此留給天王星一個內熱被耗盡的核心溫度。另一種假說認為在天王星的內部上層有阻止內熱傳達到表面的障礙層存在,例如,對流也許僅發生在一組不同的結構之間,也許禁止熱能向上載遞。

  • 海洋

根據旅行者2號的探測結果,科學家推測天王星上可能有一個深度達一萬公裏、溫度高達6650℃,由含氮分子碳氫化合物離子化物質組成的液態海洋。由于天王星上巨大而沉重的大氣壓力,令分子緊靠在一起,使得這高溫海洋未能沸騰及蒸發。反過來,正由于海洋的高溫,恰好阻擋了高壓的大氣將海洋壓成固態。海洋從天王星高溫的核心(高達攝氏6650度)一直延伸到大氣層的底部,覆蓋整個天王星。必須強調的是,這種海洋與我們所理解的、地球上的海洋完全不同。然而,卻有觀點認為,天王星上不存在這個海洋。真相如何,恐怕隻有待進一步的觀測,或是寄望美國國家航空航天局(NASA)會落實初步構想中的新視野號2號計畫,派出無人探測船再度拜訪天王星。

星體磁場

在旅行者2號抵達之前,天王星的磁層從未被測量過,因此很自然的還保持著神秘。在1986年之前,因為天王星的自轉軸就躺在黃道上,天文學家盼望能根據太陽風測量到天王星的磁場。

天王星效果圖天王星效果圖

航海家的觀測顯示天王星的磁場是奇特的,一是他不在行星的幾何中心,再者他相對于自轉軸傾斜59°。事實上,磁極從行星的中心偏離往南極達到行星半徑的1/3。這異常的幾何關系導致一個非常不對稱的磁層,在南半球的表面,磁場的強度低于0.1高斯,而在北半球的強度高達1.1 高斯;在表面的平均強度是0.23 高斯。與地球的磁場比較,兩極的磁場強度大約是相等的,並且"磁赤道"大致上也與物理上的赤道平行,天王星的偶極矩是地球的50倍。海王星也有一個相似的偏移和傾斜的磁場,因此有人認為這是冰巨星的共同特點。一種假說認為,不同于類地行星和氣體巨星的磁場是由核心內部引發的,冰巨星的磁場是由相對于表面下某一深度的運動引起的,例如水-氨的海洋。

盡管有這樣奇特的準線,天王星的磁層在其他方面與一般的行星相似:在他的前方,位于23個天王星半徑之處有弓形震波,磁層頂在18個天王星半徑處,充分發展完整的磁尾和輻射帶。綜上所論,天王星的磁層結構不同于木星的,而比較像土星的。天王星的磁尾在天王星的後方延伸至太空中遠達數百萬公裏,並且因為行星的自轉被扭曲而斜向一側,像是拔瓶塞的長螺旋桿。

天王星的磁層包含帶電粒子:質子和電子,還有少量的H2+離子,未曾偵測到重離子。許多的這些微粒可能來自大氣層熱的暈內。離子和電子的能量分別可以高達4和1.2百萬電子伏特。在磁層內側的低能量(低于100 電子伏特)離子的密度大約是2 釐米⁻³。微粒的分布受到天王星衛星強烈的影響,在衛星經過之後,磁層內會留下值得註意的空隙。微粒流量的強度在10萬年的天文學時間尺度下,足以造成衛星表面變暗或是太空風暴。這或許就是造成衛星表面和環均勻一致暗淡的原因。在天王星的兩個磁極附近,有相對算是高度發達的極光,在磁極的附近形成明亮的弧。但是,不同于木星的是,天王星的極光對增溫層的能量平衡似乎是無足輕重的。

20世紀80年代,“旅行者2號”開始對天王星、海王星進行考察,使得人們有可能將這兩個行星的磁場繪製成圖。結果是出人意料的。大多數行星都有南極和北極兩極磁場。地球的磁極位于極地附近,與地球的南北極存在一個偏角,稱為磁偏角,二者交角為11.5°。其他許多行星,包括木星、土星和木星的衛星“伽裏米德”都與地球類似。比如木星的磁偏角是10°,與地球相近。然而海王星和天王星的磁場與其他行星的情況大相徑庭,它們的磁場有多個極,而且磁偏角很大,分別是47°和59°。科學家曾提出若幹機製來解釋這些異常的磁場,但都沒有達成共識。

科學家曾猜想這可能是兩個行星的薄外殼迴圈流動的結果,而這個外殼是由水、甲烷、氨和硫化氫組成的帶電流體。現今,美國哈佛大學薩賓-斯坦利和傑裏米-布洛克哈姆利用一個數學模型檢驗了這個理論,指出產生磁場的迴圈層是天王星、海王星的薄外殼,而不像地球那樣,是位于接近地球核心的外核。他們同時指出薄外殼的迴圈或對流運動實際上是行星產生怪異磁場的原因,因為這是行星中存在流動和運動的部分。

研究學者說,磁場是由行星中導電體的復雜流動運動產生的,這個過程被稱為“發電機效應”。

澳大利亞國家大學地磁學專家特德-裏雷說,這個研究結果意義非凡,但似乎並不是那麽讓人驚訝。“值得註意的是,我們生活的地球,它的磁場兩極與地球南北兩極大致重合,因此我們也希望在別的行星上發現類似的情況。”

裏雷說,“地球外核流體的運動產生了地磁場。雖然我們往往將磁和鐵聯系在一起,但實際上,任何運動著的帶電流體都能產生磁場。對于行星,這首先取決于它是否存在流體以產生‘發電機效應’。地球存在外核流體,這兩個行星可能不存在流體,也可能存在流體。事實上它們似乎都存在導電性良好的流體,而且還受某種力量驅策處于運動狀態,這也是產生‘發電機效應’的必要條件。由于天王星和海王星產生‘發電機效應’的部位與地球的不同,以至于它們有如此不同的磁場,這就不足為奇了。”

季節變化

2004年3月到5月這一短暫期間,很多片大塊雲彩出現天王星大氣層裏,這讓天王星有著類似海王星般的面板。觀察到229米/秒(824公裏/時)的破表風速,和被稱為"7月4日煙火"的雷雨風暴。 2006年8月23日,科羅拉多州博爾德市太空科學學院和威斯康辛大學的研究員觀察到天王星表面有一個大黑斑,讓天文學家對天王星大氣層的活動有更多的了解。 雖然為何這突如其來活動暴漲的發生原因仍未被研究員所明了,但是它呈現了天王星極度傾斜的自轉軸所帶來的季節性的氣候變化。 要確認這種季節變化的本質是很困難的,因為對天王星大氣層堪用的觀察資料仍少于84年,也就是一個完整的天王星年。雖然已經有了一定數量的發現,光度學的觀測已經累積了半個天王星年(從1950年代起算),在兩個光譜帶上的光度變化已經呈現了規律性的變化,最大值出現在至點,最小值出現在晝夜平分點。從1960年開始的微波觀測,深入對流層的內部,也得到相似的周期變化,最大值也在至點。 從1970年代開始對平流層進行的溫度測量也顯示最大值出現在1986年的至日附近。 多數的變化相信與可觀察到的幾何變化相關。

然而,有某些理由相信天王星物理性的季節變化也在發生。當南極區域變得明亮時,北極相對的呈現黑暗,這與上述概要性的季節變化模型是不符合的。在1944年抵達北半球的至點之前,天王星亮度急遽提升,顯示北極不是永遠黑暗的。 這個現象意味著可以看見的極區在至日之前開始變亮,並且在晝夜平分點之後開始變暗。 詳細的分析可見光和微波的資料,顯示亮度的變化周期在至點的附近不是完全的對稱,這也顯示出在子午圈上反照率變化的模式。最後,在1990年代,在天王星離開至點的時期,哈柏太空望遠鏡和地基的望遠鏡顯示南極冠出現可以察覺的變暗(南半球的"衣領"除外,它依然明亮),同時,北半球的活動也證實是增強了, 例如雲彩的形成和更強的風,支持期望的亮度增加應該很快就會開始。

至點,天王星的一個半球沐浴在陽光之下,另一個半球則對向幽暗的深空。受光半球的明亮曾被認為是對流層裏來自甲烷雲與陰霾層局部增厚的結果。 在緯度-45°的明亮"衣領"也與甲烷雲有所關聯。 在南半球極區的其他變化,也可以用低層雲的變化來解釋。 來自天王星微波發射譜線上的變化,或許是在對流層深處的迴圈變化造成的,因為厚實的極區雲彩和陰霾可能會阻礙對流。天王星春天和秋天的晝夜平分點即將來臨,動力學上的改變和對流可能會再發生。

大氣層

與其他的氣體巨星,甚至是與相似的海王星比較,天王星的大氣層是非常平靜的。當旅行者2號在1986年飛掠過天王星時,總共觀察到了10個橫跨過整個行星的雲帶特征。有人提出解釋認為這種特征是天王星的內熱低于其他巨大行星的結果。在天王星記錄到的最低溫度是49 K,比海王星還要冷,使天王星成為太陽系溫度最低的行星。

天王星天王星

雖然在天王星的內部沒有明確的固體表面,天王星最外面的氣體包殼,也就是被稱為大氣層的部分,卻很容易以遙感測量。遙感測量的能力可以從1帕之處為起點向下深入至300公裏,相當于100帕的大氣壓力和320K的溫度。稀薄的暈從大氣壓力1帕的表面向外延伸擴展至半徑兩倍之處,天王星的大氣層可以分為三層:對流層,從高度300至50 公裏,大氣壓100帕至0.1帕;平流層(同溫層),高度50至4000 公裏,大氣壓力0.1帕至10⁻¹⁰ 帕;和增溫層/暈,從4000公裏向上延伸至距離表面50,000公裏處。沒有中氣層(散逸層)。

天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同,主要是氫分子。氦的摩爾分數,這是每摩爾中所含有的氦原子數量,是0.15±0.03;在對流層的上層,相當于0.26±0.05質量百分比。這個數值很接近0.275±0.01的原恆星質量百分比。顯示在氣體的巨星中,氦在行星中是不穩定的。在天王星的大氣層中,含量佔第三位的是甲烷(CH₄)。甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星製造了明顯的藍綠或深藍的顏色。在大氣壓力1.3帕的甲烷雲頂之下,甲烷在大氣層中的摩爾分數是2.3%,這個量大約是太陽的20至30倍。混合的比率在大氣層的上層由于極端的低溫,降低了飽合的水準並且造成多餘的甲烷結冰。對低揮發性物質的豐富度,像是氨、水和硫化氫,在大氣層深處的含量所知有限,但是大概也會高于太陽內的含量。除甲烷之外,在天王星的上層大氣層中可以追蹤到各種各樣微量的碳氫化合物,被認為是太陽的紫外線輻射導致甲烷光解產生的。包括乙烷(C₂H₆),乙炔(C₂H₂),甲基乙炔(CH₃C₂H),聯乙炔(C₂HC₂H)。光譜也揭露了水蒸汽的蹤影,一氧化碳和二氧化碳在大氣層的上層,但可能隻是來自于彗星和其他外部天體的落塵。

  • 對流層

對流層是大氣層最低和密度最高的部分,溫度隨著高度增加而降低,溫度從有名無實的底部大約320 K,300公裏,降低至53K,高度50 公裏。在對流層頂實際的最低溫度在49至57K,依在行星上的高度來決定。對流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠紅外線最主要的區域,由此處測量到的有效溫度是59.1±0.3 K。

對流層應該還有高度復雜的雲系結構,水雲被假設在大氣壓力50至100帕,氨氫硫化物雲在20至40 帕的壓力範圍內,氨或氫硫化物雲在3和10帕,最後是直接偵測到的甲烷雲在1 至2 帕。對流層是大氣層內動態非常充分的部分,展現出強風、明亮的雲彩和季節性的變化,將會在下面討論。

  • 平流層

天王星大氣層的中層是平流層,此處的溫度逐漸增加,從對流層頂的53 K上升至增溫層底的800至850 K。平流層的加熱來自于甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射,大氣層的這種形式是甲烷的光解造成的。來自增溫層的熱也許也值得註意。碳氫化合物相對來說隻是很窄的一層,高度在100至280公裏,相對于氣壓是10微帕至0.1微帕,溫度在75K和170K之間。含量最多的碳氫化合物是乙炔和乙烷,相對于氫的混合比率是×10⁷,與甲烷和一氧化碳在這個高度上的混合比率相似。更重的碳氫化合物、二氧化碳和水蒸氣,在混合的比率上還要低三個數量級。乙烷和乙炔在平流層內溫度和高度較低處與對流層頂傾向于凝聚而形成數層陰霾的雲層,那些也可能被視為出天王星上的雲帶。然而,碳氫化合物集中在在天王星平流層陰霾之上的高度比其他類木行星的高度要低是值得註意的。

  • 增溫層

天王星大氣層的最外層是增溫層或暈,有著均勻一致的溫度,大約在800至850 K。仍不了解是何種熱源支撐著如此的高溫,雖然低效率的冷卻作用和平流層上層的碳氫化合物也能貢獻一些能源,但即使是太陽的遠紫外線和超紫外線輻射,或是極光活動都不足以提供所需的能量。除此之外,氫分子和增溫層與暈擁有大比例的自由氫原子,她們的低分子量和高溫可以解釋為何暈可以從行星擴展至50,000公裏,天王星半徑的倆倍遠。這個延伸的暈是天王星的一個獨特的特點。他的作用包括阻尼環繞天王星的小顆粒,導致一些天王星環中塵粒的耗損。天王星的增溫層和平流層的上層對應著天王星的電離層。觀測顯示電離層佔據2,000 至10,000 公裏的高度。天王星電離層的密度比土星海王星高,這可能肇因于碳氫化合物在平流層低處的集中。電離層是承受太陽紫外線輻射的主要區域,它的密度也依據太陽活動而改變。極光活動不如木星和土星的明顯和重大。

  • 帶狀結構、風和雲

在1986年,旅行者2號發現可見的天王星南半球可以被細分成兩個區域:明亮的極區和暗淡的赤道帶狀區。兩這區的分界大約在緯度-45°的附近。一條跨越在-45°至-50°之間的狹窄帶狀物是在行星表面上能夠看見的最亮的大特征,被稱為南半球的"衣領"。極冠和衣領被認為是甲烷雲密集的區域,位置在大氣壓力1.3至2 帕的高度。很不幸的是,旅行者2號抵達時正是盛夏,而且觀察不到北半球的部分。不過,從21世紀開始之際,北半球的"衣領"和極區就可以被哈勃太空望遠鏡和凱克望遠鏡觀測到。結果,天王星看起來是不對稱的:靠近南極是明亮的,從南半球的"衣領"以北都是一樣的黑暗。稍後可能出現在天王星上的季節變化,將會被詳細的討論。天王星可以觀察到的緯度結構和木星與土星是不同的,他們展現出許多條狹窄但色彩豐富的帶狀結構。

天王星天王星

除了大規模的帶狀結構,旅行者2號觀察到了10朵小塊的亮雲,多數都躺在"衣領"的北方數度。在1986年看到的天王星,在其他的區域都像是毫無生氣的死寂行星。但是,在1990年代的觀測,亮雲彩特征的數量有著明顯的成長,他們多數都出北半球開始成為可以看見的區域。一般的解釋認為是明亮的雲彩在行星黑暗的部分比較容易被分辨出來,而在南半球則被明亮的"衣領"掩蓋掉了。然而,兩個半球的雲彩是有區別的,北半球的雲彩較小、較尖銳和較明亮。他們看上去都躺在較高的高度,直到2004年南極區使用2.2μm觀測之前這些都是事實。這是對甲烷吸收帶敏感的波段,而北半球的雲彩都是用這種光譜的波段來觀測的。雲彩的生命期有這極大的差異,一些小的隻有4小時,而南半球至少有一個從旅行者2號飛掠過後仍一直存在著。最近的觀察也發現,雖然天王星的氣候較為平靜,但天王星的雲彩有許多特徵與海王星相同。但有一種特殊的影像,在海王星上很普通的大暗斑,在2006年之前從未在天王星上觀測到。

天王星核心圖天王星核心圖

追蹤這些有特征的雲彩,可以測量出天王星對流層上方的風是如何在極區咆哮。在赤道的風是退行的,意味著他們吹的方向與自轉的方向相反,他們的速度從100至50 米/杪。風速隨著遠離赤道的距離而增加,大約在緯度±20°靜止不動,這兒也是對流層溫度最低之處。再往極區移動,風向也轉成與行星自轉的方向一致,風速則持續增加,在緯度±60°處達到最大值,然後下降至極區減弱為0。在緯度40°附近,風速從150到200 米/杪,因為"衣領"蓋過了所有平行的雲彩,無法測量從哪兒到南極之間的風速。與北半球對照,風速在緯度+50°達到最大值,速度高達240 米/杪。這些速度會導致錯誤的認定北半球的風速比較快,事實上,在天王星北半球的風速是隨著緯度一度一度的在緩緩遞減,特別是在中緯度的±20°至±40°的緯度上。還無法認定從1986年迄今,天王星的風速是否發生了改變,而且對較慢的子午圈風依然是一無所知。

外圍組成

行星環

天王星有一個暗淡的行星環系統,由直徑約十米的黑暗粒狀物組成。他是繼土星環之後,在太陽系內發現的第二個環系統。已知天王星環有13個圓環,其中最明亮的是ε環(Epsilon),其他的環都非常黯淡。天王星的光環像木星的光環一樣暗,但又像土星的光環那樣有相當大的直徑。天王星環被認為是相當年輕的,在圓環周圍的空隙和不透明部分的區別,暗示她們不是與天王星同時形成的,環中的物質可能來自被高速撞擊或潮汐力粉碎的衛星。而最外面的第5個環的成分大部分是直徑為幾米到幾十米的冰塊。除此之外,天王星可能還存在著大量的窄環,寬度僅有50米,單環的環反射率非常低。

天王星的衛星和環概要圖天王星的衛星和環概要圖

環的發現日期是1977年3月10日,在James L. Elliot、Edward W. Dunham、和Douglas J. Mink使用柯伊伯機載天文台觀測時。這個發現是很意外的,他們原本的計畫是觀測天王星掩蔽SAO 158687以研究天王星的大氣層。然而,當他們分析觀測的資料時,他們發現于行星掩蔽的前後,這顆恆星都曾經短暫的消失了五次。他們認為,必須有個環系統圍繞著行星才能解釋。後來他們又偵測到四個額外的環。旅行者2號在1986年飛掠過天王星時,直接看見了這些環。旅行者2號也發現了兩圈新的光環,使環的數量增加到11圈。

在2005年12月,哈勃太空望遠鏡偵測到一對早先未曾發現的藍色圓環。最外圍的一圈與天王星的距離比早先知道的環遠了兩倍,因此新發現的環被稱為環系統的外環,使天王星環的數量增加到13圈。哈柏同時也發現了兩顆新的小衛星,其中的天衛二十六還與最外面的環共享軌道。在2006年4月,凱克天文台公布的新環影像中,外環的一圈是藍色的,另一圈則是紅色的。

關于外環顏色是藍色的一個假說是,它由來自天衛二十六的細小冰微粒組成,因此能散射足夠多的藍光。天王星的內環看起來是呈灰色的。

名稱
  
與天王星中心的距離(km)寬度(km)

1986 U2R

38,000

2,500

Ring 6

41,840

1-3

Ring 5

42,230

2-3

Ring 4

42,580

2-3

Alpha Ring

44,720

7-12

Beta Ring

45,670

7-12

Eta Ring

47,190

0-2

Gamma Ring

47,630

1-4

Delta Ring

48,290

3-9

1986 U1R

50,020

1-2

Epsilon Ring

51,140

20-100

R/2003 U 2

~66,000(near Portia)

 

R/2003 U 1

97,734(at Mab)

 

衛星

已知天王星有27顆天然的衛星,這些衛星的名稱都出自莎士比亞和蒲伯的歌劇中。五顆主要衛星的名稱是米蘭達、艾瑞爾、烏姆柏裏厄爾泰坦尼亞歐貝隆。第一顆和第二顆(泰坦尼亞和歐貝隆)是威廉·赫歇耳在1787年3月13日發現的,另外兩顆艾瑞爾和烏姆柏裏厄爾是在1851年被威廉·拉索爾發現的。在1852年,威廉·赫歇耳的兒子約翰·赫歇耳才為這四顆衛星命名。到了1948年傑勒德P. 庫普爾發現第五顆衛星米蘭達。

天王星主要衛星的比較天王星主要衛星的比較

天王星衛星系統的質量是氣體巨星中最少的,的確,五顆主要衛星的總質量還不到崔頓的一半。最大的衛星,泰坦尼亞,半徑788.9 公裏,還不到月球的一半,但是比土星第二大的衛星Rhea稍大些。這些衛星的反照率相對也較低,烏姆柏裏厄爾約為0.2,艾瑞爾約為0.35(在綠光)。這些衛星由冰和岩石組成,大約是50%的冰和50%的岩石,冰也許包含氨和二氧化碳。

在這些衛星中,艾瑞爾有著最年輕的表面,上面隻有少許的隕石坑;烏姆柏裏厄爾看起來是最老的。米蘭達擁有深達20 公裏的斷層峽谷,梯田狀的層次和混亂的變化,形成令人混淆的表面年齡和特征。有種假說認為米蘭達在過去可能遭遇過巨型的撞擊而被完全的分解,然後又偶然的重組起來。

1986年1月,旅行者2號太空船飛越過天王星,在稍後研究照片時,發現了Perdita和10顆小衛星。後來使用地面的望遠鏡也證實了這些衛星的存在。

天衛一(Ariel)是環繞天王星運行的一顆衛星。天衛一(Ariel)是天王星的衛星它是威廉·拉塞爾(William Lassell)在1851年10月24日發現的,是天王星的已知衛星中距其第十二近衛星,也是它最明亮的衛星。

天衛二(Umbriel英語發單"UM bree el")是天王星第三大衛星,已知衛星中距天王星第十三近它由William Lassell于1851年發現。天衛二和天衛四很相似,但後者要比它大35%。天王星的大衛星都是由佔40~50%的冰和岩石混合而成,它所含的岩石比土衛五之類所含的要多一些。天衛二的劇烈起伏的火山口地形可能從它形成以來就一直穩定存在。天衛二非常暗,它反射的光大約是天王星最亮的衛星--天衛一的一半. 它的表面布滿隕石坑。盡管沒有地質活動的跡象,卻有著離奇的特征。它有一個明亮的隕石坑,寬約112公裏,綽號"螢光杯"。坑表面深色部分可能是有機物質,淺色部分則無人知道是什麽。

天衛三(Titania)是環繞天王星運行的一顆衛星。天衛三跟天衛四差不多大小,也復滿了火山灰。這表明曾發生過火山活動。那兒有長達數千公裏的風力強勁的大峽谷,可能是由于內部的水凍結、膨脹,撐裂了薄弱的外殼而形成的。天衛三直徑約為1000公裏,是天王星最大的衛星。它的表面也被一種黑色物質重新覆蓋過,可能是甲烷或水冰。

天衛四(Oberon)是環繞天王星運行的一顆衛星。最外層的天衛四布滿了隕石坑。隕石坑底有許多暗區,可能已經填滿冰岩。

天衛五(Miranda)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛六(S/1986 U 7,Cordelia)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛七(S/1986 U 8,Ophelia)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛八(S/1986 U 9,Bianca)是環繞天王星運行的一顆衛星

天衛九(S/1986 U 3,Cressida)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛十(S/1986 U 6,Desdemona)是天王星的一顆小的天然衛星

天衛十一(S/1986 U 2,Juliet)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛十二(S/1986 U 1,Portia)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛十三(S/1986 U 4,Rosalind)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛十四(S/1986 U 5,Belinda)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛十五(S/1985 U 1,Puck)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛十六(S/1997 U 1,Caliban)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛十七(S/1997 U 2,Sycorax)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛十八(S/1999 U 3,Prospero)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛十九(S/1999 U 1,Setebos)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛二十(S/1999 U 2,Stephano)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天衛二十一(S/2001 U 1,Trinculo)是環繞天王星運行的一顆衛星。

天王星衛星列表:

名稱 GM(km/s)平均半徑(km)平均密度(g/cm)

天衛一

 

90.3±8.0

578.9±0.6

1.665±0.147

天衛二

 

78.2±9.0

584.7±2.8

1.400±0.163

天衛三

 

235.3±6.0

788.9±1.8

1.715±0.044

天衛四

 

201.1±5.0

761.4±2.6

1.630±0.043

天衛五

 

4.4±0.5

235.8±0.7

1.201±0.137

天衛六

S/1986 U 7

0.0030±0.0013

20.1±3

1.3

天衛七

S/1986 U 8

0.0036±0.0020

21.4±4

1.3

天衛八

S/1986 U 9

0.0062±0.0014

25.7±2

1.3

天衛九

S/1986 U 3

0.0229±0.0034

39.8±2

1.3

天衛十

S/1986 U 6

0.0119±0.0045

32.0±4

1.3

天衛十一

S/1986 U 2

0.0372±0.0096

46.8±4

1.3

天衛十二

S/1986 U 1

0.1122±0.0199

67.6±4

1.3

天衛十三

S/1986 U 4

0.0170±0.0085

36±6

1.3

天衛十四

S/1986 U 5

0.0238±0.0142

40.3±8

1.3

天衛十五

S/1985 U 1

0.1931±0.0143

81±2

1.3

天衛十六

S/1997 U 1

0.049

49

1.5

天衛十七

S/1997 U 2

0.359

95

1.5

天衛十八

S/1999 U 3

0.0014

15

1.5

天衛十九

S/1999 U 1

0.0014

15

1.5

天衛二十

S/1999 U 2

0.0004

10

1.5

天衛二十一

S/2001 U 1

0.00005

5

1.5

天衛二十二

S/2001 U 3

0.00009

6

1.5

天衛二十三

S/2003 U 3

0.00007

5.5

1.5

天衛二十四

S/2001 U 2

0.00009

6

1.5

天衛二十五

S/1986 U 10

0.000004

4.5

1.5

天衛二十六

S/2003 U 1

天衛二十七

S/2003 U 2

星體運動

天王星每84個地球年環繞太陽公轉一周,與太陽的平均距離大約30億公裏,陽光的強度隻有地球的1/400。他的軌道元素在1783年首度被拉普拉斯計算出來,但隨著時間,預測和觀測的位置開始出現誤差。在1841年約翰·柯西·亞當斯首先提出誤差也許可以歸結于一顆尚未被看見的行星的拉扯。在1845年,勒維耶開始獨立的進行天王星軌道的研究,在1846年9月23日迦雷在勒維耶預測位置的附近發現了一顆新行星,稍後被命名為海王星。

哈勃太空望遠鏡的天王星影像哈勃太空望遠鏡的天王星影像

天王星內部的自轉周期是17 小時又14 分,但是,和所有巨大的行星一樣,他上部的大氣層朝自轉的方向可以體驗到非常強的風。實際上,在有些緯度,像是從赤道到南極的2/3路徑上,可以看見移動得非常迅速的大氣,隻要14個小時就能完整的自轉一周。

自轉軸

天王星的自轉軸可以說是躺在軌道平面上的,傾斜的角度高達98°,這使他的季節變化完全不同于其他的行星。其它行星的自轉軸相對于太陽系的軌道平面都是朝上的,天王星的轉動則像傾倒而被輾壓過去的球。當天王星在至日前後時,一個極點會持續的指向太陽,另一個極點則背向太陽。隻有在赤道附近狹窄的區域內可以體會到迅速的日夜交替,但太陽的位置非常的低,有如在地球的極區;其餘地區則是長晝或長夜,沒有日夜交替。運行到軌道的另一側時,換成軸的另一極指向太陽;每一個極都會有被太陽持續的照射42 年的極晝,而在另外42年則處于極夜。在接近晝夜平分點時,太陽正對著天王星的赤道,天王星的日夜交替會和其他的行星相似,在2007年12月7日,天王星經過日夜平分點。

粗略一點理解:如果以日出日落一天為單位來計算,那麽就是地球一年,天王星一天。

節氣

北半球南半球
冬至1902,1986夏至
春分 1923,2007秋分
秋分1965,2049 春分

這種軸的指向帶來的一個結果是,在一年之中,天王星的極區得到來自于太陽的能量多于赤道,不過,天王星的赤道依然比極區熱。導致這種結果的機製仍然未知;天王星異常的轉軸傾斜原因也不知道,但是通常的猜想是在太陽系形成的時候,一顆地球大小的原行星撞擊到天王星,造成的指向的歪斜。在1986年,旅行者2號飛掠時,天王星的南極幾乎正對著太陽。標記這個極是南極是基于國際天文聯合會的定義:行星或衛星的北極,是指向太陽系不變平面的上方(不是由自轉的方向來決定)。但是,仍然有不同的協定被使用著:一個天體依據右手定則所定義的自轉方向來決定北極和南極。根據後者的坐標系,1986年在陽光下的極則是北極。

天王星的內部結構天王星的內部結構

近代事件

1986年,NASA的旅行者2號拜訪了天王星。這次的拜訪是唯一的一次近距離的探測,並且也還沒有新的探測計畫。旅行者2號在1977年發射,在繼續前往海王星的旅程之前,于1986年1月24日最接近天王星,距離近達81,500公裏。旅行者2號研究了天王星大氣層的結構和化學組成,發現了10顆新衛星,還研究了天王星因為自轉軸傾斜97.77°所造成的獨特氣候,並觀察了天王星的環系統。他也研究了天王星的磁場。他對最大的五顆衛星做了首度的詳細調查,並研究當時已知的九圈光環,也新發現了兩道光環。

天王星的體積約為地球的4倍,其大氣中包含83%的氫氣,15%的氦氣,2%的甲烷氣體,表面溫度平均為零下215℃。2014年8月6日,美國航天航空局(NASA)和歐洲航空局(ESA)在夏威夷W.M.觀測台(W.M.Keck Observatory),利用哈勃望遠鏡成功的觀測並記錄了一場最大規模的風暴。因為天王星具備氣態行星的特質,所以經常爆發風暴,此前觀測到的一次最大規模的風暴被命名為Berg。Berg發生在2000年,其引起的巨大影響,一直持續到2009年才消失殆盡。

科學研究

物理性質

天王星主要是由岩石與各種成分不同的水冰物質所組成,其組成主要元素為氫(83%),其次為氦(15%)。在許多方面天王星(海王星也是)與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同,其性質比較接近木星與土星的地核部分,而沒有類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面(主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成)。天王星並沒有土星與木星那樣的岩石核心,它的金屬成分是以一種比較平均的狀態分布在整個地殼之內。直接以肉眼觀察,天王星的表面呈現洋藍色,這是因為它的甲烷大氣吸收了大部分的紅色光譜所導致。

可見性

從1995至2006年,天王星的視星等+5.6至+5.9等之間,勉強在肉眼可見的+6.0等之上,他的角直徑在3.4至3.7 弧秒;比較土星是16至20弧秒,木星則是32至45弧秒。在沖的時候,天王星可以用肉眼在黑暗、無光污染的天空直接看見,即使在城市中也能輕易的使用雙筒望遠鏡看見。使用物鏡的口徑在15至25 釐米的大型業餘天文望遠鏡,天王星將呈現蒼白的深藍色盤狀與明顯的周邊昏暗;口徑25 釐米或更大的,雲的型態和一些大的衛星,像是泰坦尼亞和歐貝隆,都有可能看見。

探測

主條目:天王星探測

在1986年,NASA的旅行者2號拜訪了天王星。這次的拜訪是唯一的一次近距離的探測,並也還沒有新的探測計畫。旅行者2號

在1977年發射。旅行者2號研究了天王星大氣層的結構和化學組成,發現了10顆新衛星,還研究了天王星因為自轉軸傾斜97.77°所造成的獨特氣候,並觀察了天王星的環系統。 他也研究了天王星的磁場。 他對最大的五顆衛星做了首度的詳細調查,並研究當時已知的九圈光環,也新發現了兩道光環。

新聞

據英國《每日郵報》報道,也許讓一眾富豪和名人的註意力從星光熠熠的頂級宴會轉移到科學界很困難,但也並非完全不能實現。日前,科學家們在海王星和天王星研究方面取得的最新進展就有可能會吸引他們的註意——海王星和天王星上或覆蓋有大片液態鑽石海,海面上還漂浮著類似于冰山的、體積龐大的固體鑽石。

在進行了一系列實驗之後,科學家得出上述結論,並認為這一發現可能有助于解釋這兩個星球的一些奇怪特徵。

在其中一項實驗中,研究人員把鑽石放在與海王星上一樣的高溫高壓環境之下,檢測鑽石的變化。海王星的壓力為地球零海拔的1100萬倍,溫度為5萬攝氏度。

實驗結果顯示,在壓力提高至零海拔1100萬倍時,鑽石變成液態;之後再把溫度提高至5萬攝氏度後,部分液態鑽石會再次變成固體。但奇怪的是,這些固態鑽石會漂浮在液態鑽石之上,就像是“鑽石冰山”一樣。

科學家們認為,鑽石海洋的說法解釋了海王星和天王星磁極傾斜之謎,這兩個星球的磁極偏離地理極60度左右。此外,這也解釋了為什麽海王星和天王星10%的表面成分為碳元素。

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