天王星 -天王星

天王星

天王星
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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、氦和甲烷。據推測,內部可能含有豐富的重元素。地幔由甲烷和氨的冰組成,可能含有水。核心由冰和岩石組成。 天王星是太陽系內大氣層最冷的行星,最低溫度只有49K(-224℃)。

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,但由於亮度較暗、繞行速度緩慢並且由於當時望遠鏡觀測能力不足,未被古代的觀測者認定為是一顆行星。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
    英語:Uranus  希臘語:Ουρανός 俄語:уран
  • 分類
  • 發現者
  • 發現時間
    1781年3月13日
  • 質量
    8.6810 ±13×10²⁵kg
  • 平均密度
    1.318g/cm³
  • 直徑
    51118 km
  • 表面溫度
    −197.2℃
  • 逃逸速度
    21.3km/s
  • 反照率
    0.3(球面)|0.51(幾何)
  • 視星等
    5.8
  • 自轉周期
    17時14分24秒
  • 半長軸
    2,876,679,082 km(19.2184 AU)
  • 離心率
    0.044405586
  • 公轉周期
    84.323326 yr
  • 平近點角
    142.955717°
  • 軌道傾角
    0.772556°
  • 升交點經度
    73.989821°
  • 衛星數
    27顆
  • 自轉方向
    順時針
  • 大氣構成
    氫、氦、甲烷、重氫
  • 近日點
    2,748,938,461 km
  • 遠日點
    3,004,419,704 km
  • 平均公轉速度
    6.81km/s
  • 近日點幅角
    96.541318°
  • 赤道半徑
    25,559±4km
  • 極半徑
    24,973±20km
  • 表面重力
    0.886 g
  • 赤道自轉速度
    2.59km/s
  • 轉軸傾角
    97.77°

​概述

天王星[1](Uranus)

拼音  tiān wáng xīng天王星

太陽系八大行星之一。按距離太陽的次序計為第七顆大行星。1781年由英國天文學家赫歇耳發現。與太陽平均距離28.69億千米。直徑51800千米,平均密度1.24克/釐米^3,質量8.742×10^28克。公轉周期84.32年,自轉周期17時14分24秒,為順時針自轉。表面溫度約-180°c。有磁場、光環和二十七顆衛星。

其他

天王星是由威廉·赫歇耳通過望遠鏡系統地搜尋,在1781年3月13日發現的,它是現代發現的第一顆行星。

天王星符號及守護神烏拉諾斯事實上,它曾經被觀測到許多次,隻不過當時被誤認為是另一顆恆星(早在1690年John Flamsteed便已觀測到它的存在,但當時卻把它編為34 Tauri)。赫歇耳把它命名為"the Georgium Sidus(天竺葵)"(喬治亞行星)來紀念他的資助者,那個對美國人而言臭名昭著的英國國王:喬治三世;其他人卻稱天王星為“赫歇耳”。由于其他行星的名字都取自希臘神話,因此為保持一致,由波德首先提出把它稱為“烏拉諾斯(Uranus)”。

烏拉諾斯是古希臘神話中的宇宙之神,是最早的至高無上的神。他是該亞的兒子兼配偶,是Cronus(農神土星)、獨眼巨人和泰坦(奧林匹斯山神的前輩)的父親。

有些論點認為氣體巨星和冰巨星在形成的時候就有差異存在,太陽系的誕生應該天王星開始于一個氣體和塵土構成的巨大轉動的球體,也就是前太陽星雲。當它凝聚時,它逐漸形成盤狀,在中心的崩塌形成了太陽。多數的星雲氣體,主要是氫和氦,形成了太陽;同時,顆粒的塵土集合形成了第一顆原行星。在行星成長的過程中,有些累積到足夠的質量,能夠凝聚星雲中殘餘的氣體。聚集越多的氣體,使它們變得越大,它們變得越大,就越能聚集氣體,直到達到一個關鍵的點,使它們開始以指數的成長。冰巨星,氣體隻有幾個地球的質量,未能達到這個臨界點。太陽系形成理論遭遇了困難,在計算天王星和海王星如此遠離木星和土星後,它們是太大了,以至于不能在那個距離上取得足夠的材料來形成。相反的,有些科學家認為是在離太陽較近的位置形成之後,才被木星驅趕到外面的。然而,最近的摹擬,將行星漂移計算在內,似乎已能在它們現存的位置上形成天王星和海王星。

星體特徵

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(米/秒)

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地球日(84.323326 年)
  • 自轉周期:1714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:8.1156×10^9 km²(15.91個地球表面積)
  • 體積:6.833×10^13 km³(63.086個地球體積)
  • 質量:8.6810 ±13×10^25 公斤(14.536個地球)
  • GM=5,793,939 ±13 公裏^3/秒^2;
  • 平均密度:1.290 g/cm^3;
  • 赤道表面重力加速度:8.69 m/s^2;(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)

組成結構

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。

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。

航海家的觀測顯示天王星的磁場是奇特的,一則是他不在行星的幾何中心,再者他相對于自轉軸傾斜5

天王星效果圖

9°。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在海王星大氣層裏,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。

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×10?7,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或海王星高,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。

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2.2um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

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

天王星的衛星和環概要圖

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。

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。

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