天王星的大气

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May 26, 2022

天王星的大气层和海王星的大气层一样,不同于主要的气态巨行星木星和土星的大气层。虽然它也主要由氢和氦组成,但它含有更大比例的挥发性元素(绰号“冰”),如水、氨和甲烷。学者认为,与木星和土星不同,天王星在高层大气之下没有金属氢的地幔,但行星内部由氨、水和甲烷组成的“海洋”组成,逐渐转变为气态大气占主导地位通过氢气和氦气。由于这些差异,一些天文学家将天王星和海王星归为“冰冻巨星”,以区别于木星和土星。尽管没有明确定义的固体表面,但可以从外部检测到的最外层气态层称为大气层。探测仪器的能力允许在假定为零高度的 1 巴压力下到达地层以下约 300 公里的深度,对应于 100 巴的压力和 320 K。脆弱的冠部延伸超过在 1 巴压力下具有理想表面的两条行星射线。天王星的大气层可分为三层:对流层,高度介于 -300 至 50 公里之间,压力介于 100 至 0.1 巴之间;平流层,高度在 50 到 4000 公里之间,压力在 0.1 到 10-10 巴之间,以及热层/日冕,从理想表面延伸到 4000 到 50,000 公里的高度。不存在中间层。在云层顶部,温度约为 -220 °C,地球不同区域之间的差异很小,可能它具有特定的太阳能重新分配系统。各种测量表明,它从太阳接收的热量几乎与它辐射的热量相同。

作品

天王星的大气成分与整个行星的大气成分不同。大气实际上由 83% 的氢分子、15% 的氦气和 2.3% 的甲烷组成。氦的摩尔分数,即每个氢/氦分子的氦原子数,是通过分析航海者 2 号探测器在无线电和红外频率下的掩星测量来确定的。上层大气中普遍接受的值为 0.15 ± 0.03,对应于 0.26 ± 0.05 的质量分数,接近太阳系起源星云中氦的质量分数 0.275 ± 0.01。这表明在天王星吸积过程中,氦并没有像在气态巨行星中那样集中在行星的中心。 L'与氢相关的氘丰度 5.5 + 3.5−1.5 × 10−5,是在 1990 年代通过红外空间天文台 (ISO) 测量的,似乎高于在木星和等于 2.25 × 10−5。氘几乎完全以分子形式存在,并与其他氢原子 (HD) 结合。天王星大气的第四大丰富成分是甲烷 (CH4),地球已通过光谱分析检测到甲烷的存在。甲烷的主要吸收带位于可见光和近红外波段,导致天王星呈现出海蓝宝石或青色的特征颜色。甲烷分子占地球大气摩尔分数的 2.3%,低于 1.3 bar 的甲烷云层;一个百分比等于在太阳测量的 20-30 倍。由于极低的温度,高层大气中的甲烷数量百分比要低得多,这降低了饱和度并冻结了多余的甲烷。另一方面,人们对大气较深层中不易挥发的物质(如氨、水和硫化氢)的数量知之甚少。然而,据推测,这仍然大于在太阳中检测到的数量。在红外线中对恒星掩星的光谱观测,也使用斯皮策太空望远镜进行,在紫外线中可以检测到各种碳氢化合物的痕迹存在天王星的平流层,它们被认为是由太阳紫外线辐射引起的甲烷光解产生的。检测到的分子包括:乙烷 (C2H6)、乙炔 (C2H2)、甲基乙炔 (CH3C2H) 和二乙炔 (C2HC2H)。红外光谱观测还揭示了平流层中存在水蒸气、一氧化碳和二氧化碳的痕迹,它们只能来自行星际尘埃和彗星等外部来源。平流层中的一氧化碳和二氧化碳,只能来自行星际尘埃和彗星等外部来源。平流层中的一氧化碳和二氧化碳,只能来自行星际尘埃和彗星等外部来源。

对流层

对流层是大气中较低和最密集的区域,其特点是温度随高度降低。温度从-300 公里处对流层底部的约 320 K 到 50 公里处的 53 K 不等。准确地说,对流层上部(对流层顶)的温度根据纬度在 49 到 57 K 之间变化,最小值位于南纬 25°。几乎所有的大气质量都包含在对流层中,对流层顶负责远红外热辐射的绝大部分,因此确定其标称温度应为 59.1 ± 0.3 K。 学者认为对流层具有复杂的云结构。据推测,水云位于 50-100 巴的压力范围内,20–40 bar 内的氢硫化铵 (NH4HS) 云,3–10 bar 内的氨或硫化氢云,最后 1–2 bar 内的甲烷云。尽管航海者 2 号航天器在掩星期间通过无线电测量检测到甲烷云的存在,但所有其他云层仍然是推测性的。对流层是大气中一个非常活跃的区域,表现出强风、对流运动、明亮的云层和季节性变化。对流层是大气中一个非常活跃的区域,表现出强风、对流运动、明亮的云层和季节性变化。对流层是大气中一个非常活跃的区域,表现出强风、对流运动、明亮的云层和季节性变化。

平流层

天王星大气的中间层是平流层,那里的温度通常随高度变化,从 53 K 开始,对应于对流层顶,到热层底部的 800 到 850 K 之间的值。平流层中发生的变暖是由于甲烷和其他碳氢化合物吸收了紫外线和红外线中的太阳辐射,而甲烷和其他碳氢化合物是由于甲烷光解而在该大气区域形成的。来自较温暖的热层的热量也可能很大。碳氢化合物在海拔 100 到 280 公里、压力在 10 到 0.1 毫巴之间、温度在 75 到 170 K 之间占据相对较薄的层。最丰富的碳氢化合物是乙炔和乙烷,丰度约为 10-7,以与氢的比率衡量。同一高度的甲烷和一氧化碳具有相似的值,而较重的碳氢化合物和二氧化碳的含量要小三个数量级。最后,水的丰度约为 7 × 10−9。平流层的温度和碳氢化合物的丰度随时间和纬度变化很大:在两极,平流层达到最低温度,存在的碳氢化合物数量低于其他地方。平流层的较低(和更冷)和对流层顶形成层层薄雾,这可能是天王星温和方面的部分原因。行星平流层中碳氢化合物的浓度明显低于其他巨行星平流层中的碳氢化合物浓度。除了微弱的垂直混合之外,这使得雾霾层上方的平流层部分不透明,因此比其他巨行星更冷。比其他巨行星更冷。比其他巨行星更冷。

热层和日冕

天王星大气层的最外层是热层/日冕,其温度均匀在 800 到 850 K 之间,远高于土星热层中的 420 K。维持如此高温度值的热源尚未确定,因为紫外线太阳辐射和极地极光的活动都无法提供必要的能量;平流层上层缺乏碳氢化合物可能会产生微弱的贡献。学者认为日冕-热层中不存在氦,因为它在较低高度被扩散分离,而他们预测有大量自由氢原子,以及分子形式。小分子质量为氢气和高温可以帮助解释为什么日冕达到 50,000 公里的高度,对应于两条行星射线。这个非常长的冠是使天王星在行星中独一无二的一个特征。它的影响包括对围绕行星运行的小颗粒的拖曳力,导致环中的灰尘耗尽。高温热层中的氢会在近红外区域产生强烈的四极杆发射。环因灰尘而变得贫乏。高温热层中的氢会在近红外区域产生强烈的四极杆发射。环因灰尘而变得贫乏。高温热层中的氢会在近红外区域产生强烈的四极杆发射。

电离层

天王星的热层和平流层的上部也对应于行星的电离层。航海者 2 号进行的测量和地球对氢阳离子 (H + 3) 红外发射的观测是可用信息的主要来源,并揭示电离层占据的高度范围为 2000 至 10,000 公里。天王星的电离层是比土星或海王星的密度更大,这可能是由于平流层中碳氢化合物的浓度较低。电离层主要由太阳紫外线辐射支撑,其密度取决于太阳活动。极地极光不像木星和土星那么重要。上电离层,对应于热层占据的区域,是来自天王星的紫外线发射,称为白昼或电辉光,仅由行星的照明半球发射,以及由氢阳离子引起的红外辐射。白昼出现在巨行星的所有热层中,在发现后的一段时间内一直是个谜,被解释为由太阳辐射激发的原子和分子氢的紫外荧光,可能有光电电子的贡献。它出现在巨行星的所有热层中,在发现后的一段时间内仍然是个谜,被解释为由太阳辐射激发的原子和分子氢的紫外荧光,可能有光电电子的贡献。它出现在巨行星的所有热层中,在发现后的一段时间内仍然是个谜,被解释为由太阳辐射激发的原子和分子氢的紫外荧光,可能有光电电子的贡献。

气候

两极和赤道之间的云层速度不同表明存在强流,而天王星自转轴强烈倾斜的特性导致人们相信已经形成了非常强的风和大气条件,特别是,但相反,这些因素已经被缩小,薄云沿着平行于赤道的道路移动,就像它们在地球上一样,速度在 170 到 570 公里/小时之间。

笔记

其他项目

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