天王星(天文学)

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May 26, 2022

天王星是太阳系中按距太阳距离排列的第七颗行星,按直径排列第三,按质量排列第四。它的 Unicode 天文符号是 U + 26E2 ()(偶尔为 ♅,William Herschel 首字母 H 的风格化)。它以希腊天空之神乌拉诺斯(古希腊语为Οὐρανός)的名字命名,他是克洛诺斯(土星)的父亲,又是宙斯(木星)的父亲。虽然它也是肉眼可见的,就像自古以来已知的其他五颗行星一样,但直到 18 世纪它才被认为是这样的,并且由于其低亮度和特别慢的轨道而被认为是一颗恒星,并被确定为其他的东西仅在 1781 年 3 月 13 日由威廉·赫歇尔 (William Herschel) 创作。对他的发现感到好奇的是,它完全出乎意料:肉眼可见的行星(直到土星)已经为人所知数千年了,没有人怀疑其他行星的存在,直到赫歇尔的发现,他注意到一颗特定的暗星似乎在移动。从那时起,没有人更确定我们太阳系中行星的真实数量。天王星的化学成分与海王星相似,但与较大的气态巨行星(木星和土星)的化学成分不同。出于这个原因,天文学家有时更喜欢将天王星和海王星称为单独的一类,即“冰冻的巨人”。尽管由于氢和氦的存在,这颗行星的大气层与木星和土星的大气层相似,但仍含有高比例的“冰”,例如水、氨和甲烷,以及痕量的碳氢化合物。天王星也是太阳系中最冷的大气层,最低温度可降至 49 K (-224.2 °C)。它有一个复杂的、分层良好的云结构,其中水被认为在较低的层中,而甲烷在较高的层中。另一方面,行星的内部主要由冰和岩石组成。行星最不寻常的特征之一是其自转轴的方向。所有其他行星的轴几乎垂直于轨道平面,而天王星的轴几乎平行。然后它旋转,将它的一个极点暴露在太阳的一半公转周期内,导致极端的季节性阶段。此外,由于轴倾斜超过 90°,自转在技术上是逆行:天王星的自转方向与太阳系中所有其他行星(金星除外)的方向相反,即使鉴于倾斜的特殊性质,逆行自转这只是一个小注。它绕太阳公转的周期约为84个地球年。天王星的轨道与黄道的偏差很小(倾角为 0.7°)。与其他巨行星一样,天王星拥有一个由行星环、磁层和众多卫星组成的系统。从地球上看,由于行星的倾角,它的环有时会显示为围绕行星的同心系统,或者像 2007 和 2008 年那样显示为边缘。1986 年,航海者 2 号探测器显示天王星是一颗行星,其表面没有明显的标记,没有其他气态巨行星典型的条纹和风暴。然而,随后对地球的观测显示,随着地球接近春分点,季节性变化和气候活动增加的证据。

观察

这颗行星表现出有据可查的亮度波动,这是由大气中的物理变化以及几何和透视因素引起的。天王星的亮度受它与太阳的距离、它与地球的距离以及它为我们的星球提供的特定视图的影响:当天王星向地球显示极地区域时,它看起来会稍微大一些,也更亮一些。此外,还确定了太阳活动与行星亮度之间的相关性:在强烈的太阳活动期间,行星亮度的波动更为明显。1995 年至 2006 年间,天王星的视星等在 +5.5 之间波动。和+6.0,将其置于肉眼能见度的极限之上,大约+6.5。在反对的情况下,当天空黑暗时,它是一颗微弱的星星,也可以在城市环境中使用双筒望远镜观察到;双筒望远镜比望远镜更适合业余观察,因为它们可以更容易地识别附近恒星的模式来确定行星的位置。从地球来看,它的角直径在 3.4 到 3.7 秒的弧度之间。使用 100 倍放大率的望远镜,可以瞥见圆盘的形状,最高可达 500 倍,达到月球的角尺寸。即使使用大型望远镜,也无法看到其圆盘的任何细节。在任何情况下,通过红外观测其大气层在航海者 2 号探测器通过后的各个年份中,自适应光学和哈勃太空望远镜的使用报告了有趣的数据。观察这颗行星的卫星是很困难的。 Oberon 和 Titania 可以用 8 英寸望远镜在特别黑暗的天空中探测到。12-14 英寸和 16 英寸的孔径应该可以分别探测 Ariel 和 Umbriel。米兰达只能用大型望远镜观察。

观察历史

名称的发现和选择

天王星是现代发现的第一颗行星;它以前曾多次被观察到,但总是被误认为是一颗星星。第一个记录在案的观察结果是约翰·弗兰斯蒂德 (John Flamsteed) 于 1690 年的观察结果,他将其编目为金牛座的第 34 颗星。弗兰斯蒂德在 1712 年和 1715 年两次观测天王星。詹姆斯布拉德利在 1748 年、1750 年和 1753 年观测到它,托比亚斯迈耶在 1756 年观测到它。皮埃尔查尔斯勒蒙尼尔在 1750 年观测了四次,1768 年两次,1769 年六次,最后一次观测1771. 后者,如果他仔细地阐述了他的观察,本可以识别物体的自行运动,但却是他自己紊乱的受害者:发现他的观察之一被标记在用于保存发粉的包装纸上。这些天文学家并不怀疑除了土星之外还有其他行星存在,只是因为从来没有人考虑过它。天王星是威廉·赫歇尔爵士于 1781 年 3 月 13 日偶然发现的,当时他注意到一颗无名的恒星似乎在天空中移动。然而,赫歇尔最初并没有在他观察到的物体中识别出一颗行星:他仅在 1781 年 4 月 26 日才公开了这一消息,将其记录为彗星(赫歇尔先生的彗星记录,FRS;由赫歇尔博士传达)。 Watson, Jun. Of Bath, FRS, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Volume 71, pp. 492-501)。 Herschel 最初将其命名为 Georgium Sidus(乔治之星),以纪念大不列颠国王乔治三世。 1783年,当它被证明是一颗行星时,赫歇尔将其重命名为乔治亚星球(George of George)。然而,这个名字在英国以外不被接受。 Jérôme Lalande 于 1784 年提议将其命名为 Herschel,并创造了地球的象征(一个由 H 开头的地球仪);他的提议很容易被法国天文学家接受。乌普萨拉的 Erik Prosperin 提出了 Astrea、Cybele 和 Neptune 的名称(现在分别由两颗小行星和一颗行星持有:5 Astraea、65 Cybele 和 Neptune)。圣彼得堡的安德斯·约翰·莱克塞尔 (Anders Johan Lexell) 提议将乔治三世的海王星和大不列颠的海王星命名为折衷方案。来自柏林的 Daniel Bernoulli 建议使用 Hypercronius 和 Transaturnis。来自哥廷根的乔治·克里斯托夫·利希滕贝格 (Georg Christoph Lichtenberg) 支持阿斯特拉 (Astrea),奥维德 (Metamorphosis I: 150) 提到的最后一位离开地球的女神(传统上与圣母有关)。还提出了密涅瓦的名字。最后,作为柏林天文学年鉴的编辑约翰·埃勒特·博德选择了天王星。 Maximilian Hell 在维也纳出版的第一本星历中使用了这个名字。从 1827 年以来《皇家天文学会月刊》的出版物中可以看出,天王星这个名字已经是英国天文学家最常用的名字。发现者指定的名字偶尔会被一些英国人使用。最后一个包含天王星名称的是 1850 年英国航海年鉴办公室。在承认天王星是一颗行星之后,就有可能假设太阳系中存在其他以前从未被搜索过的行星。特别是,这一发现似乎进一步证实了提丢斯-波德定律,一个确定绕太阳运行的行星的半长轴的经验公式,并随机促使天文学家在二十年后寻找并找到木星和火星轨道之间的新天体:谷神星。

XX 和二十一世纪

由于天王星与地球的距离,用地球和轨道上的望远镜观测天王星变得困难;他们不允许透露很多细节,而最近的行星会发生这种情况。因此,在最初的发现之后,几乎没有观察到导致重大发现。 1948 年,柯伊伯用两米长的光学望远镜发现了米兰达,这是天王星五颗大型球形卫星中最小的也是最后一颗。 1977 年,Elliot 和 Mink 通过飞行天文台发现了一个环系统。自 2003 年以来,哈勃太空望远镜的观测使得识别其​​他元素成为可能,例如环、新小卫星和大气元素的更多细节。观察在2014 年凯克望远镜的红外线使探测大气中大型、持久的风暴成为可能。

太空任务

天王星的探索仅通过航海者 2 号探测器进行,目前没有计划在现场进行进一步的探索任务。为了克服缺乏直接信息的问题,通过望远镜观测活动研究了行星大气的变化,特别是使用哈勃太空望远镜上的宽视场行星相机。由于行星与地球之间的距离很远,因此变得困难和太阳。每个任务都必须配备一个电力系统,该系统能够为探测器提供能量,而不能通过使用光伏电池板来转换太阳能。目前,该唯一可行的能源是放射性同位素热电发电机。在航海者号任务之后,几十年来,主要航天机构都将资源集中在木星和土星系统的探索上,而天王星和海王星的研究并未被视为优先事项。天王星任务提案处于科学评估阶段,不会在 2020 年之前启动;正在研究的主要任务是欧洲 MUSE 任务和美国 OCEANUS 任务;另一方面,对于遥远的未来,正在提议一项欧洲任务,其中有两个天王星和海王星的双探测器 ODINUS,2034 年,以及与 NASA-ESA 合作的 2037 年,天王星探路者。几十年来,主要航天机构将资源集中在探索木星和土星系统上,而天王星和海王星的研究并未被视为优先事项。天王星任务提案处于科学评估阶段,不会在 2020 年之前启动;正在研究的主要任务是欧洲 MUSE 任务和美国 OCEANUS 任务;另一方面,对于遥远的未来,正在提议一项欧洲任务,其中有两个天王星和海王星的双探测器 ODINUS,2034 年,以及与 NASA-ESA 合作的 2037 年,天王星探路者。几十年来,主要航天机构将资源集中在探索木星和土星系统上,而天王星和海王星的研究并未被视为优先事项。天王星任务提案处于科学评估阶段,不会在 2020 年之前启动;正在研究的主要任务是欧洲 MUSE 任务和美国 OCEANUS 任务;另一方面,对于遥远的未来,正在提议一项欧洲任务,其中有两个天王星和海王星的双探测器 ODINUS,2034 年,以及与 NASA-ESA 合作的 2037 年,天王星探路者。天王星任务提案处于科学评估阶段,不会在 2020 年之前启动;正在研究的主要任务是欧洲 MUSE 任务和美国 OCEANUS 任务;另一方面,对于遥远的未来,正在提议一项欧洲任务,其中有两个天王星和海王星的双探测器 ODINUS,2034 年,以及与 NASA-ESA 合作的 2037 年,天王星探路者。天王星任务提案处于科学评估阶段,不会在 2020 年之前启动;正在研究的主要任务是欧洲 MUSE 任务和美国 OCEANUS 任务;另一方面,对于遥远的未来,正在提议一项欧洲任务,其中有两个天王星和海王星的双探测器 ODINUS,2034 年,以及与 NASA-ESA 合作的 2037 年,天王星探路者。

航海者 2 号的飞越

航海者 2 号探测器于 1986 年 1 月 24 日在大约 81500 公里的距离到达了它最接近地球的地方。观测只持续了六个小时,但它们让天文学家对天王星的了解比他们在 200 多年从地球上观测到的平行带或云中学到的要多得多,这与从地球上观测到的情况相反。蓝绿色的气氛是均匀的,完全没有细节。正是由于对图像进行了处理,才出现了云层和其他地层。探测器发现了新卫星,将环的第一张图像发送到地球,还发现了主要卫星的地质活动:冰冻火山口底部的黑色沉积物表明存在火山活动造成的脏水。

轨道和旋转参数

天王星在 84 个地球年围绕太阳旋转。它与太阳的平均距离约为 30 亿公里(约 19 天文单位)。因此,天王星上的阳光强度约为地球上的 1/400。 1783 年,皮埃尔·西蒙·拉普拉斯 (Pierre Simon Laplace) 首次计算了轨道元素。 1841 年,预测轨道与观测轨道之间的差异使约翰·库奇·亚当斯 (John Couch Adams) 相信这是由于天王星以外的另一颗行星的引力影响所致。 1845 年,厄班·勒维耶开始在天王星轨道附近寻找另一颗行星。 1846 年 9 月 23 日,约翰·加勒在勒维耶预测的位置发现了一颗新行星,后来被称为海王星。天王星的自转周期为 17 小时 14 分钟,从逆行的角度来看。与所有气态巨行星一样,它的高层大气受到具有相同旋转方向的强风的影响。在某些纬度,例如南纬 60 度左右,可见大气的自转速度比地球快得多,在不到 14 小时内完成自转一圈。

轴向倾角

天王星的主要特点在于其轴的倾角,与轨道平面成 97.77°;因此天王星的自转轴几乎位于它的轨道平面上。因此,两个极中的每一个在一半的轨道上都指向太阳,而在下一半的轨道上,它落在阴影区。在两个极点相对于太阳的反转的中间伸展,它围绕赤道上升和下降,就像大多数其他行星一样。天王星的南极在飞行时指向太阳- 由航海者 2 于 1986 年拍摄,结果完全被照亮。根据国际天文学联合会的公约,该极点被定义为“南”,该公约将行星或卫星的北极定义为指向“的极点”太阳系平面上方,不管行星的旋转方向如何。这种奇怪方向的结果是天王星的极地区域比赤道附近的区域从太阳接收的能量更多。然而,天王星更温暖在赤道和两极由于一些目前未知的因素。天王星自转轴的极端倾斜似乎也具有重要的气象后果,例如季节的极端化。在航海者 2 号的旅程中,天王星的云层非常微弱和温和,而最近通过哈勃太空望远镜进行的观测可以追溯到 2005 年,当时轴的倾斜使赤道垂直于太阳的方向,已经探测到比那时更加明显和湍流的存在。天王星不寻常的轴向倾斜的原因尚不清楚。过去人们认为,在太阳系形成期间,一颗质量是地球两倍的原行星与行星相撞,导致其轴“旋转”。然而,这个假设并不能解释为什么天王星的主要卫星也像行星一样有 98° 的自转轴,而没有保留它们原来的轨道。后来人们想到了一系列撞击,而不仅仅是一次撞击,以证明卫星的方向是正确的,但这被证明与尼斯模型不兼容。更新和复杂的模拟将支持原行星撞击理论。项,它的质量是地球的两倍,它会以足够猛烈的方式撞击天王星,以改变其倾角,但不会破坏其大气层。还假设在碰撞之后,这种在行星内部沉淀的物质会通过分散它来扰乱它的磁场,并且轨道上的碎片聚集成融化的冰块和岩石,随后会形成一些天王星的二十七颗卫星。碰撞也可能改变了撞击时刻已经存在的所有卫星的旋转。在行星内部沉淀,它会通过分散它来扰乱它的磁场,并且轨道上的碎片,聚集成融化的冰块和岩石,随后会形成天王星的二十七颗卫星中的一些。碰撞也可能改变了撞击时刻已经存在的所有卫星的旋转。在行星内部沉淀,它会通过分散它来扰乱它的磁场,并且轨道上的碎片,聚集成融化的冰块和岩石,随后会形成天王星的二十七颗卫星中的一些。碰撞也可能改变了撞击时刻已经存在的所有卫星的旋转。

理化特性

作品

天王星结构的标准模型预测分为三层:中心的岩石层(硅酸盐、铁、镍),中间的冰地幔和外部由氢和氦组成的气态层。地核相对较小,质量仅为 0.55 M⊕,半径不到总半径的 20%,而地幔的质量是地球的 13.4 倍。外层大气的质量仅为 0.5 M⊕,但占天王星半径的 20%。天王星核心的密度约为 9 g / cm³,中心压力为 800 万巴,温度约为 5,000 K。地幔不是传统意义上的冰,而是流体含有水、氨等挥发性物质。天王星和海王星的成分与木星和土星的成分大不相同,冰物质多于气体,因此有时被归类为“冰巨星”。虽然上面引用的模型是被认为是标准的。 ,还有其他可能的模型,但是目前可用的数据不允许科学家确定哪个模型是正确的。

质量和尺寸

天王星的质量约为地球的 14.5 倍,使其成为质量最小的巨行星,尽管它的直径约为地球的 4 倍,略大于海王星。天王星的密度为 1.27 g / cm³,是太阳系中密度第二小的行星,仅次于土星。它的密度表明天王星主要由冷冻水、氨和甲烷组成。天王星内部冰的总质量尚不清楚,因为根据所选模型会出现一些差异;它应该在 9.3 到 13.5 个陆地质量之间。氢和氦仅占总质量的一小部分,分别为地球质量的 0.5 和 1.5。其余的非冻土块(0.5 到 3.7 个陆地块)由岩石材料组成。

内部结构

天王星没有固体地壳:大气中的气体随着向内移动而变得越来越稠密,并逐渐转化为液体。在这些情况下,采用惯例将大气压力等于 1 巴的点视为身体的表面。按照这个约定,天王星的赤道半径和极地半径分别等于25559±4和24973±20km。因此,它具有扁球体的形状。天王星(如海王星)的内部结构仅与木星和土星的内部结构部分相似,因为它没有液态金属氢的地幔,由于它们对内部部件施加的巨大压力。质量较小的天王星,它不会施加足够的压力来形成这种退化物质的复合层。天王星的岩石核心相对较小,质量也不是很大;此外,它与海王星和其他巨行星的不同,因为它散发的热量很少:在天文方面,它的热通量很低。天王星的热通量仅为 0.042 ± 0.047 W/m²,小于地球内部约 0.075 W/m² 的热通量,因此天王星在光谱远红外波段辐射的热量仅为地球内部热通量的 1.06 ± 0.08 倍太阳能吸收在其大气中。相比之下,海王星向太空辐射的能量是从太阳接收的能量的 2.61 倍。内部的低热辐射使天王星成为太阳系中最冷的行星:其对流层顶记录的最低温度为 49 K (-224 °C)。目前尚不清楚为什么天王星向外辐射的能量如此之少。为解释这一与其他气态巨行星的差异而提出的假设之一是,当天王星在与天体撞击导致其特殊的轴向倾斜时,大部分原始内部热量被排出,从而显着降低了核心温度。另一个假设是上层有某种屏障,可以防止核心热量到达表面。例如,不同成分的层之间可能存在对流,这会抑制热量向外传输。目前尚不清楚为什么天王星向外辐射的能量如此之少。为解释这一与其他气态巨行星的差异而提出的假设之一是,当天王星在与天体撞击导致其特殊的轴向倾斜时,大部分原始内部热量被排出,从而显着降低了核心温度。另一个假设是上层有某种屏障,可以防止核心热量到达表面。例如,不同成分的层之间可能存在对流,这会抑制热量向外传输。目前尚不清楚为什么天王星向外辐射的能量如此之少。为解释这一与其他气态巨行星的差异而提出的假设之一是,当天王星在与天体撞击导致其特殊的轴向倾斜时,大部分原始内部热量被排出,从而显着降低了核心温度。另一个假设是上层有某种屏障,可以防止核心热量到达表面。例如,不同成分的层之间可能存在对流,这会抑制热量向外传输。当天王星与天王星发生碰撞,导致其奇特的轴向倾斜时,大部分原有的内部热量被排出,核心温度显着降低。另一个假设是上层有某种屏障,可以防止核心热量到达表面。例如,不同成分的层之间可能存在对流,这会抑制热量向外传输。当天王星与天王星发生碰撞,导致其奇特的轴向倾斜时,大部分原有的内部热量被排出,核心温度显着降低。另一个假设是上层有某种屏障,可以防止核心热量到达表面。例如,不同成分的层之间可能存在对流,这会抑制热量向外传输。另一个假设是上层有某种屏障,可以防止核心热量到达表面。例如,不同成分的层之间可能存在对流,这会抑制热量向外传输。另一个假设是上层有某种屏障,可以防止核心热量到达表面。例如,不同成分的层之间可能存在对流,这会抑制热量向外传输。

大气层

大气由氢气 (83%)、氦气 (15%)、甲烷 (2%) 以及痕量的水和氨组成。探测仪器的能力允许到达假设为零高度的天王星常规表面(即压力测量点为 1 巴的点)以下约 300 公里的深度。在那个深度有 100 bar 的压力和 320 K 的温度。大气可以分为三层:对流层,高度在零以下 -300 公里和 50 公里之间,压力范围从 100 到 0.1 巴(10 MPa 到 10 kPa)、海拔在 50 到 4 000 公里之间、压力在 0.1 到 10-10 巴(10 到 10 帕)之间的平流层,以及从 4 000 公里到 50 公里的热层/日冕离地表 000 公里。这颗行星的青色是由于大气中存在甲烷,甲烷吸收红光并反射蓝色。覆盖天王星的云层的表面温度约为 55 K (-218 °C)。天王星距离太阳如此遥远,以至于夏季和冬季之间的温度范围几乎为零。

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。航海者 2 号探测器在行星掠过期间通过掩星期间的无线电测量检测到甲烷云的存在,但天王星其他云层的确切结构尚不清楚。已经假设水云在 50-100 巴的压力范围内,氢硫化铵 (NH4HS) 云在 20-40 巴范围内,氨或硫化氢云在 3-10 巴范围内,最后是甲烷云在 1-2 巴范围内酒吧。对流层是大气中一个非常动态的区域,表现出强风、对流运动、高度明亮的云层和季节性变化。

优越的氛围

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,从对流层顶的 53 K 开始,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。最丰富的碳氢化合物是乙炔和乙烷,其丰度比氢少约 107。同一高度的甲烷和一氧化碳的丰度相似,而较重的碳氢化合物和二氧化碳以小三个数量级的丰度存在。乙烷和乙炔倾向于在平流层的较低(和较冷)部分和对流层顶凝结,形成薄雾层,这可能是造成比天王星温和的部分原因.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浓度。天王星大气的最外层是热层/日冕,其温度在 800 到 850 K 之间。尚未确定高温值,因为紫外线太阳辐射和极地极光的活动都没有,尽管与木星和土星的极光相比微不足道,但它们可以提供必要的能量。除了分子氢外,日冕热层还含有大量的游离氢原子。它们的小质量和高温解释了为什么日冕延伸到地表以上 50,000 公里,相当于天王星的两条射线。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粒子产生流体动力拖曳力,导致环中的尘埃耗尽。位于平流层顶部的天王星热层对应于天王星的电离层。观测表明,电离层位于 2,000 至 10,000 公里的高度。天王星的电离层比土星和海王星的电离层密度更大;这可能源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。

乐队、云和风

1986年,航海者2号发现天王星可见的南半球可分为两个区域:明亮的极地冰盖和暗的赤道带。它们的边界位于南纬 45° 左右。纬度 45°S 到 50°S 之间的明亮带是外层大气最明显的特征。这种结构被称为“南领”,被认为是位于 1.3 到 2 巴压力范围内的甲烷云密集区域。除了大尺度的带状结构外,航海者 2 号还观察到 10 块明亮的小云,位于环以北几度处,而天王星的其余部分则是一颗缺乏动力的行星。航海者 2 号在天王星南半球的夏季抵达,无法观测北半球。全部 '21 世纪初,当北极地区开始从地球上可见时,哈勃太空望远镜和凯克望远镜最初在北半球没有观测到极圈或极冠。然而,当天王星越过它的春分点时,南环几乎消失,而北纬45°附近开始形成微弱的北环。 1990年,由于地球观测技术的改进,北半球的云层,开始变得可见。发现了许多明亮的云,比在南半球观察到的要多,这也是因为在南半球,发光的衣领往往会掩盖其中的一些,从而消除了图像的对比度。两个半球之间的主要区别似乎是发现北半球云的高度更高,它们看起来更小但更清晰和更亮。观察到的许多小云持续了几个小时;然而,观测到了更持久的地层,例如在 2006 年之前从未观测到的“暗斑”(天王星暗斑)。这一发现突显了天王星在其春分阶段与海王星的相似程度,比之前认为的要大得多。 .八十年代,其实当航海者号探测器经过时,天王星似乎完全没有细节,不像海王星那样表现出各种大气现象。在北纬60°N附近的北半球探测到最大风速,在那里,它们可以轻松达到 850 公里/小时的速度,最高可达 900 公里/小时。赤道的风向逆行方向吹,即与行星自转方向相反,速度在 180 至 360 公里/小时之间。远离赤道,风速降低,直到在±20°纬度处达到接近零的值,在那里记录了对流层的最低温度。从该纬度并接近两极,风以与天王星自转相同的方向直接运动,风速继续增加,在纬度 ± 60 ° N 处达到最大值。在北半球,已经观察到在北极附近的风速下降到零,而在南半球,项圈掩盖了南极附近的大气动态,阻止了对超过南纬 40° 的风速的测量。

气候

与其他气态巨行星相比,天王星的大气相当规则,甚至与海王星相比,在其他方面最相似。当航海者 2 号在 1986 年接近天王星时,在整个行星上只观察到十几个云层。对这种现象的一种解释是,与其他巨行星相比,天王星的内部热量较低。

季节性变化

在很短的时间内,从 2004 年 3 月到 5 月,天王星的大气层中出现了大片云层和持续的风暴,而测得的风速超过 800 公里/小时,使天王星的外观与海王星相似。 2006 年 8 月 23 日,来自太空科学研究所和威斯康星大学的研究人员在天王星表面观察到一个黑点,这让天文学家能够找到更多关于这颗行星大气活动的信息。这些变化的原因尚不完全清楚,但它们似乎与天王星的轴向倾斜有关,这会导致长期的季节性气候变化,这取决于行星在围绕太阳运行的轨道上的位置。确定这种季节性变化的性质并不容易,因为已知这颗行星的大气数据不到 84 年,即天王星年的长度。自 1950 年以来,人们一直观察到亮度的变化,在冬至时达到最大值,在春分时达到最小值。自 1970 年以来的平流层温度测量也显示出在 1986 年冬至附近发生更显着的变化,因此有理由相信天王星会受到季节性物理变化的影响。近几十年来,在北半球在前一个冬至期间更亮之后,南半球明显更亮。然而,在 1986 年冬至之后,南极帽明显变暗(南领除外),证实了假设接近冬至的极点会亮起一段时间,然后在春分点后变暗。 2007年春分过后,出现了一个微弱的北极冰盖,而南冰盖几乎看不见了,虽然风廓仍然略有不对称,但北半球的风总体上还是比南半球的风弱一些天王星变化的机制还不完全清楚。被阳光照射的半球亮度的变化被认为是由于对流层中发现的甲烷云和雾层的局部增厚造成的。纬度 45°S 处的发光项圈也与甲烷云相连。极地地区的其他变化可以用较低云层的变化来解释。厚厚的极地云层和薄雾可以抑制对流,但在春分点时可以重新激活。

磁场

在航海者 2 号于 1986 年到达之前,尚未对天王星的磁层进行测量,因此其性质仍然未知,尽管人们认为磁场与太阳风对齐,因此其轴接近自转轴。因此,当航海者号数据允许揭示相对于行星自转轴倾斜 59° 的磁场时,令人惊讶的是,磁极实际上位于赤道而不是靠近两极。此外,磁场并非来自行星的中心,因为它的磁偶极子向南半球偏移了大约三分之一的半径。因此,天王星的磁层是极不对称的,地表磁场强度从 0 到南半球1高斯(10微特斯拉),北半球可达1.1高斯(110微特斯拉)。它的表面平均为0.23高斯,天王星的偶极矩是地球的五十倍。海王星也有一个强烈倾斜的磁场,磁偶极子发生位移,与地球的磁场和其他气态巨行星的磁场或多或少与旋转轴对齐,这表明这种特征可能在冰巨星中很常见。对这种特性的一种可能解释是,虽然地球和其他行星的核心产生了磁场,但冰巨星的磁场是由相对较浅深度的物质运动产生的。例如在水和氨的海洋中。尽管排列很奇怪,但在其他方面,天王星的磁层与其他行星的磁层相似,在太阳方向的外部极限约为 23 条射线,一个天王星十八射线处的磁层顶。天王星磁层的结构与木星不同,与土星更相似。天王星磁层的“尾巴”在行星后方延伸,与太阳方向相反,长达一千万公里,由于行星的自转而呈螺旋状。粒子的流量大到足以导致卫星在 10 万年的非常快的天文时间范围内被侵蚀。这可能是卫星和环呈均匀深色的原因。磁场的粒子束导致极光在两个磁极周围形成明亮的弧线,尽管与木星不同的是,天王星的极光微不足道,很短,呈点状。

戒指

天王星拥有一个几乎无法察觉的环系统,由直径达 10 公里的黑色粉末状物质组成。 1977 年 3 月 10 日,柯伊伯机载天文台的 James Elliot、Edward W. Dunham 和 Douglas J. Mink 发现了环状系统。这一发现出乎意料:天文学家专门设置了这架飞机来研究一种非常罕见的现象,即天王星的恒星掩星 (SAO 158687),目的是能够研究它的大气层,这会过滤光线在它消失在行星后面之前。 C141 带有一个 90 厘米的望远镜和一个非常灵敏的光电光度计,能够测量最小的亮度变化。当研究人员分析他们的观察结果时,他们发现这颗恒星在行星被隐藏之前和之后从视野中短暂消失了五次。经过反复检查,为了排除仪器的缺陷,他们得出结论,天王星周围一定有一个类似于土星的环系统,至少有五个。后来又发现了四个环。这个系统是在 1986 年航海者 2 号太空探测器在天王星附近经过时被直接探测到的。航海者号还发现了另外两个环,使环总数达到 11 个。2005 年 12 月,哈勃太空望远镜拍摄到了两个新的环,其中最宽的是它的直径是以前已知的环的两倍。鉴于与天王星的距离,新环被称为“外环系统”。这两个环距离行星如此之远,以至于它们被称为天王星的“第二环系统”。进行这项研究的科学家们假设,最外环由 2005 年发现的、直径约为 20 公里的卫星 Mab 持续提供动力,该卫星在该环内运行。通过凯克天文台获得的新环已经揭示了外圈颜色:最外圈是蓝色,另一个是红色。可以解释外环呈蓝色的一种假设是,它由从 Mab 表面释放的微小水冰颗粒组成,小到足以散射蓝光。外环系统。“这两个环距行星如此之远,以至于它们被称为天王星的‘第二环系统。”进行这项研究的科学家们推测,最外环是由 2005 年发现和直径约 20 公里,在这个环内部运行。2006 年 4 月,通过凯克天文台获得的新环的图像揭示了外环的颜色:最外面的一个是蓝色的,另一个是红色的。一种假设是可以解释外环的蓝色是它由从 Mab 表面释放的微小水冰颗粒组成,小到足以散射蓝光。外环系统。“这两个环距行星如此之远,以至于它们被称为天王星的‘第二环系统。”进行这项研究的科学家们推测,最外环是由 2005 年发现和直径约 20 公里,在这个环内部运行。2006 年 4 月,通过凯克天文台获得的新环的图像揭示了外环的颜色:最外面的一个是蓝色的,另一个是红色的。一种假设是可以解释外环的蓝色是它由从 Mab 表面释放的微小水冰颗粒组成,小到足以散射蓝光。这两个环距离行星如此之远,以至于它们被称为天王星的“第二环系统”。进行这项研究的科学家们假设,最外环由 2005 年发现的、直径约为 20 公里的卫星 Mab 持续提供动力,该卫星在该环内运行。通过凯克天文台获得的新环已经揭示了外圈颜色:最外圈是蓝色,另一个是红色。可以解释外环呈蓝色的一种假设是,它由从 Mab 表面释放的微小水冰颗粒组成,小到足以散射蓝光。这两个环距离行星如此之远,以至于它们被称为天王星的“第二环系统”。进行这项研究的科学家们假设,最外环由 2005 年发现的、直径约为 20 公里的卫星 Mab 持续提供动力,该卫星在该环内运行。通过凯克天文台获得的新环已经揭示了外圈颜色:最外圈是蓝色,另一个是红色。可以解释外环呈蓝色的一种假设是,它由从 Mab 表面释放的微小水冰颗粒组成,小到足以散射蓝光。进行这项研究的科学家们假设,最外环由 2005 年发现的、直径约为 20 公里的卫星 Mab 持续提供动力,该卫星在该环内运行。通过凯克天文台获得的新环已经揭示了外圈颜色:最外圈是蓝色,另一个是红色。可以解释外环呈蓝色的一种假设是,它由从 Mab 表面释放的微小水冰颗粒组成,小到足以散射蓝光。进行这项研究的科学家们假设,最外环由 2005 年发现的、直径约为 20 公里的卫星 Mab 持续提供动力,该卫星在该环内运行。通过凯克天文台获得的新环已经揭示了外圈颜色:最外圈是蓝色,另一个是红色。可以解释外环呈蓝色的一种假设是,它由从 Mab 表面释放的微小水冰颗粒组成,小到足以散射蓝光。2006 年 4 月,通过凯克天文台获得的新环的图像揭示了外环的颜色:最外面的环是蓝色的,而另一个是红色的。可以解释外环呈蓝色的一种假设是,它由从 Mab 表面释放的微小水冰颗粒组成,小到足以散射蓝光。2006 年 4 月,通过凯克天文台获得的新环的图像揭示了外环的颜色:最外面的环是蓝色的,而另一个是红色的。可以解释外环呈蓝色的一种假设是,它由从 Mab 表面释放的微小水冰颗粒组成,小到足以散射蓝光。小到足以漫射蓝光。小到足以漫射蓝光。

天然卫星

天王星已知的天然卫星有二十七颗。最大的五个是Ariel,Umbriel,Titania,Oberon,Miranda。卫星的名称来源于威廉·莎士比亚和亚历山大·波普作品中的人物。威廉·赫歇尔在 1787 年首先发现的是 Titania 和 Oberon,而威廉·拉塞尔在 1840 年发现了 Ariel 和 Umbriel。将近一个世纪过去了,没有任何发现,直到 1948 年,杰拉德·柯伊伯发现了天王星最小的主卫星米兰达。上一次正式发现的卫星是 2003 年的 Margherita,但在 2016 年,由于对航海者号探测器一些 30 年前的照片进行了分析,添加了另外两颗未经证实的卫星。天王星卫星系统是巨行星中质量最小的;的确,五个主要卫星的总质量不到海王星最大卫星海卫一的一半。天王星最大的卫星 Titania 的直径为 1578 公里,不到月球的一半,但比土星的第二大卫星 Rhea 稍大,使 Titania 成为世界上第八大卫星。 ,Ariel 的表面似乎是最年轻的,撞击坑最少,而 Umbriel 的表面似乎是最古老的。米兰达的表面看起来很混乱,过去似乎受到了强烈的地质活动的影响。各种重叠层很明显,有些是最近的,有些是较旧的,被太阳系最深的峡谷所沟壑,深度可达 20 公里。人们认为它的表面在过去曾遭受过强烈的潮汐力,当时它的轨道比现在更偏心。至少有一个物体在马蹄形轨道上与天王星相连,该轨道占据拉格朗日点。 L3, 83982 Crantor,在天王星轨道区域内的一条临时轨道上运行。马蹄形轨道上的另一个候选天体是 2010 EU65。马蹄形轨道上的另一个候选天体是 2010 EU65。马蹄形轨道上的另一个候选天体是 2010 EU65。

维持生命的可能性

天王星极不可能承载生命形式:鉴于其作为气态巨行星的性质,它没有明确的固体表面。大气层也不适合:除了它的成分(氢、甲烷和氨是太简单的化合物,无法产生生命)之外,它具有令人望而却步的压力和温度。在大气的上部,温度非常低,大约 50 K (-223 °C),在这些变得有利的地方,是压力加上缺乏阳光,因此是能量来源,以防止过程构成任何生命形式的先进化学物质。在卫星上,问题是不同的:如果它们中的大多数在冰壳下拥有液态水海洋,就像在木卫二、木卫三或泰坦上发生的那样,然后,非常简单的生物群落可能会在海床上的热点附近形成。

文化中的天王星

神话和占星学意义

天王星的名字取自同名的希腊神、盖亚的儿子和丈夫、大地之母和天空的化身,正如赫西奥德在他的作品 Theogony 中所描述的那样。根据赫西奥德的说法,天王星通过向盖亚泼水使盖亚受精,从而产生了第一代泰坦。显然古代人群中没有提到这颗行星,因为天王星是在 18 世纪末才被发现的。在占星术中,天王星代表直觉、创造力、决策能力,以及一般的更新和变化。天王星落户水瓶座,提升在天蝎座,流亡在狮子座,落入金牛座。在医学占星学中,天王星调节神经系统、脑垂体、脑膜、脊髓。

科幻小说中的天王星

天王星和海王星一样,在科幻小说中很少被提及。稀缺的知识以及远离太阳和寒冷的事实并没有特别刺激科幻小说作者,他们更喜欢更知名的场景并靠近地球。 Vivenair(化名)由一位匿名作者于 1784 年出版,最近在空气静力球体中通过空气进行的旅程,通常称为气球,从这个地球仪到新发现的行星,Georgium Sidus,在新发现的星球上的气球。在 Stanley G. Weinbaum 1935 年的短篇小说 The Planet of Doubt 中,天王星被描述为一个旅行目的地,可以从泰坦上的美国基地到达,并且每四十年只有在土星-天王星合相发生时才能到达。在拉姆齐·坎贝尔 1964 年的短篇小说《沙盖的昆虫》中,天王星被称为 L'gy'hx,其居民是崇拜洛格的立方形多足金属生物。这些生物与掸族昆虫发生宗教冲突。天王星是西德尼·W·平克 (Sidney W. Pink) 的电影《第七行星之旅》(Journey to the 7th Planet, 1962) 的背景。宇航员在天王星上遇到了奇怪的智慧,这些智慧在宇航员的脑海中产生了幻觉。在巴克·罗杰斯 (Buck Rogers) 系列 (1928-) 的电视连续剧中,天王星是一个由机器人居住的星球,而在电视剧《神秘博士 (Doctor Who)》(1963-) 中,在 The Daleks' Master Plan 一集中,行星是唯一的地方在可以找到矿物Taranium的宇宙中。在动漫美少女战士美少女战士中,Sailor Uranus 是系列中出现的第七位守护者士兵,代表行星;他的攻击与自然之力有关。在动画系列 Futurama (1999-2003) 中,2620 年,天王星的名称改为“Uretto”(原作中的 Urectum),以避免“Ur-anus”和“Your anus”之间的双关语。有时会引用天王星卫星,正如金斯坦利罗宾逊在火星三部曲的一部分蓝色火星中将泰坦尼亚写为军事监狱所在的地方,并再次在同一作品中提到米兰达是一个地方被定居者保存为“原始沙漠”。在动画系列 Futurama (1999-2003) 中,2620 年,天王星的名称改为“Uretto”(原作中的 Urectum),以避免“Ur-anus”和“Your anus”之间的双关语。有时会引用天王星卫星,如金斯坦利罗宾逊在火星三部曲的一部分蓝色火星中将泰坦尼亚写为军事监狱所在的地方,并再次在同一作品中提到米兰达是一个地方被定居者保存为“原始沙漠”。在动画系列 Futurama (1999-2003) 中,2620 年,天王星的名称改为“Uretto”(原作中的 Urectum),以避免“Ur-anus”和“Your anus”之间的双关语。有时会引用天王星卫星,如金斯坦利罗宾逊在火星三部曲的一部分蓝色火星中将泰坦尼亚写为军事监狱所在的地方,并再次在同一作品中提到米兰达是一个地方被定居者保存为“原始沙漠”。作为火星三部曲的一部分,他将泰坦尼亚描述为一个军事监狱所在的地方,并且在同一部作品中再次提到米兰达是一个被定居者保存为“原始沙漠”的地方。作为火星三部曲的一部分,他将泰坦尼亚描述为一个军事监狱所在的地方,并且在同一部作品中再次提到米兰达是一个被定居者保存为“原始沙漠”的地方。

笔记

参考书目

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相关项目

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其他项目

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外部链接

天王星,在 Treccani.it - 在线百科全书,意大利百科全书。Pio Luigi Emanuelli, URANO, in Enciclopedia Italiana, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 1937. (EN) Urano, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.