天王星的资料

伤我心太深

　　天王星在太阳系中属于距离太阳比较远的一颗，从与太阳的距离看，属于第7颗大行星。一般来说，只要你有着敏锐的目光，就可以在不借助任何辅助工具的情况下观察到它。当然，这里也有个前提条件，就是你能准确地确定它在太空中的位置。天王星与太阳之间的距离为287100万千米，这是土星的2倍。观测天王星会发现，它在太空中的位置似乎很少改变，这是因为它的公转周期比较长，公转一周需要84年。观测天王星比较困难，这是因为距离太远，即使用精准的望远镜也只能观察到有些发绿的灰白圆面。天王星的自转轴是倾斜的，有人说，那是因为被游荡的行星砸中，于是原本“站着”的天王星便“躺下了”。


　　威廉·赫歇耳于1781年发现了这颗行星，最初以为这仅仅是一个彗星的核，但在进一步的观测中发现了它与彗星的区别，赫歇耳由此确认这是太阳系的一颗新发现的行星。赫歇耳以Geor-gian Sidus为这颗行星命名，为的是感谢他的捐助人乔治三世。于是，这个名字在英国就使用了近70年。许多欧洲天文学家认为，按照以往的惯例，应该以发现者的名字命名，所以这颗新发现的行星又常被称作“赫歇耳”。“天王星”的命名是在1850年由波特提出后才成为公用名流传开来。





　　对天王星的观测很早以前就有了相关记录，在1690年至1715年之间，英国的弗兰斯蒂德就已经进行了5次记录。1768年12月和1769年1月的两个月内，巴黎天文台的勒莫尼耶也有过8次记录。遗憾的是过去的观测没有引起人们足够的重视和研究，因此，当赫歇耳宣布自己的新发现时，勒莫尼耶才意识到自己错过了机会。



　　目前已经观测到天王星有4颗卫星，它们与天王星由远及近，分别是阿里尔、昂布里特、提坦亚、奥伯伦，距离在30.9千米至94.3万千米之间。确认这些卫星颇费周折。除了2颗比较明亮的卫星外，赫歇耳在1800年以前也经常发现另外4颗卫星，这就导致了一个误解，就是在50多年的时间里，人们都认为天王星的卫星数量是6颗。赫歇耳使用的望远镜在当时堪称精确，还没有谁制造出的望远镜比他的更精确。





　　天王星的卫星有个显著的特点，它们的轨道与天王星的轨道相垂直，这样在天王星的轨道上就形成了相对的两点，看上去犹如一根线，天王星接近其中一点时，我们从地球上观察，那些卫星犹如钟摆，由南向北再由上向下地在天王星两边跳跃。随着天王星的运行，这些轨道也缓慢地展开。经过20年的时间，再以垂直的姿态展现给我们，这样，它们的轨道几乎就成了圆形，接下来再逐渐拉伸为一条直线。



　　天文学上的海洋


　　根据旅行者2号的探测结果，科学家推测天王星上可能有一个深度达一万公里、温度高达6650℃，由水、硅、镁、含氮分子、碳氢化合物及离子化物质组成的液态海洋。由于天王星上巨大而沉重的大气压力，令分子紧靠在一起，使得这高温海洋未能沸腾及蒸发。反过来，正由于海洋的高温，恰好阻挡了高压的大气将海洋压成固态。海洋从天王星高温的内核(高达摄氏6650度)一直延伸到大气层的底部，覆盖整个天王星。必须强调的是，这种海洋与我们所理解的、地球上的海洋完全不同。然而，却有观点认为，天王星上不存在这个海洋。真相如何，恐怕只有待进一步的观测，或是寄望美国国家航空航天局(NASA)会落实初步构想中的新视野号2号计划，派出无人探测船再度拜访天王星。


　　天王星物质构成


　　天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成，其组成主要元素为氢(83%)，其次为氦(15%)。在许多方面天王星(海王星也是)与大部分都是气态氢组成的木星与土星不同，其性质比较接近木星与土星的地核部分，而没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面(主要是由金属氢化合物气体受重力液化形成)。


　　天王星的质量大约是地球的14.5倍，是类木行星中质量最小的，他的密度是1.29公克/厘米3只比土星高一些。直径虽然与海王星相似(大约是地球的4倍)，但质量较低。这些数值显示他主要由各种各样挥发性物质，例如水、氨和甲烷组成。天王星内部冰的总含量还不能精确的知道，根据选择的模型不同有不同的含量，但是总在地球质量的9.3 至13.5倍之间。氢和氦在全体中只占很小的部分，大约在0.5至1.5地球质量。剩余的质量(0.5至3.7地球质量)才是岩石物质。


　　天王星的标准模型结构包括三个层面：在中心是岩石的核，中间是冰的地函，最外面是氢/氦组成的外壳。相较之下核非常的小，只有0.55地球质量，半径不到天王星的20%;地函则是个庞然大物，质量大约是地球的13.4倍;而最外层的大气层则相对上是不明确的，大约扩展占有剩余20%的半径，但质量大约只有地球的0.5倍。天王星核的密度大约是9g/cm3，在核和地函交界处的压力是800万巴和大约5,000K的温度。冰的地函实际上并不是由一般意义上所谓的冰组成，而是由水、氨和其他挥发性物质组成的热且稠密的流体。这些流体有高导电性，有时被称为水–氨的海洋。天王星和海王星的大块结构与木星和土星相当的不同，冰的成分超越气体，因此有理由将她们分开另成一类为冰巨星。


　　上面所考虑的模型或多或少都是标准的，但不是唯一的，其他的模型也能满足观测的结果。例如，如果大量的氢和岩石混合在地函中，则冰的总量就会减少，并且相对的岩石和氢的总量就会提高;可利用的数据还不足以让我门确认哪一种模型才是正确的。天王星内部的流体结构意味着没有固体表面，气体的大气层是逐渐转变成内部的液体层内。但是，为便于扁球体的转动，在大气压力达到1巴之处被定义和考虑为行星的表面时，他的赤道和极的半径分别是25,559±4和24,973±20 公里。这样的表面将做为这篇文章中高度的零点。


　　星体磁场


　　在旅行者2号抵达之前，天王星的磁层从未被测量过，因此很自然的还保持着神秘。在1986年之前，因为天王星的自转轴就躺在黄道上，天文学家盼望能根据太阳风测量到天王星的磁场。


　　航海家的观测显示天王星的磁场是奇特的，一是他不在行星的几何中心，再者他相对于自转轴倾斜59°。事实上，磁极从行星的中心偏离往南极达到行星半径的1/3。这异常的几何关系导致一个非常不对称的磁层，在南半球的表面，磁场的强度低于0.1高斯，而在北半球的强度高达1.1 高斯;在表面的平均强度是0.23 高斯。与地球的磁场比较，两极的磁场强度大约是相等的，并且"磁赤道"大致上也与物理上的赤道平行，天王星的偶极矩是地球的50倍。海王星也有一个相似的偏移和倾斜的磁场，因此有人认为这是冰巨星的共同特点。一种假说认为，不同于类地行星和气体巨星的磁场是由核心内部引发的，冰巨星的磁场是由相对于表面下某一深度的运动引起的，例如水–氨的海洋。


　　尽管有这样奇特的准线，天王星的磁层在其他方面与一般的行星相似：在他的前方，位于23个天王星半径之处有弓形震波，磁层顶在18个天王星半径处，充分发展完整的磁尾和辐射带。综上所论，天王星的磁层结构不同于木星的，而比较像土星的。天王星的磁尾在天王星的后方延伸至太空中远达数百万公里，并且因为行星的自转被扭曲而斜向一侧，像是拔瓶塞的长螺旋杆。


　　天王星的磁层包含带电粒子：质子和电子，还有少量的H2+离子，未曾侦测到重离子。许多的这些微粒可能来自大气层热的晕内。离子和电子的能量分别可以高达4和1.2百万电子伏特。在磁层内侧的低能量(低于100 电子伏特)离子的密度大约是2 厘米⁻3。微粒的分布受到天王星卫星强烈的影响，在卫星经过之后，磁层内会留下值得注意的空隙。微粒流量的强度在10万年的天文学时间尺度下，足以造成卫星表面变暗或是太空风暴。这或许就是造成卫星表面和环均匀一致暗淡的原因。在天王星的两个磁极附近，有相对算是高度发达的极光，在磁极的附近形成明亮的弧。但是，不同于木星的是，天王星的极光对增温层的能量平衡似乎是无足轻重的。


　　20世纪80年代，“旅行者2号”开始对天王星、海王星进行考察，使得人们有可能将这两个行星的磁场绘制成图。结果是出人意料的。大多数行星都有南极和北极两极磁场。地球的磁极位于极地附近，与地球的南北极存在一个偏角，称为磁偏角，二者交角为11.5°。其他许多行星，包括木星、土星和木星的卫星“伽里米德”都与地球类似。比如木星的磁偏角是10°，与地球相近。然而海王星和天王星的磁场与其他行星的情况大相径庭，它们的磁场有多个极，而且磁偏角很大，分别是47°和59°。科学家曾提出若干机制来解释这些异常的磁场，但都没有达成共识。


　　科学家曾猜想这可能是两个行星的薄外壳循环流动的结果，而这个外壳是由水、甲烷、氨和硫化氢组成的带电流体。现今，美国哈佛大学萨宾-斯坦利和杰里米-布洛克哈姆利用一个数学模型检验了这个理论，指出产生磁场的循环层是天王星、海王星的薄外壳，而不像地球那样，是位于接近地球核心的外核。他们同时指出薄外壳的循环或对流运动实际上是行星产生怪异磁场的原因，因为这是行星中存在流动和运动的部分。


　　研究学者说，磁场是由行星中导电体的复杂流动运动产生的，这个过程被称为“发电机效应”。


　　澳大利亚国家大学地磁学专家特德-里雷说，这个研究结果意义非凡，但似乎并不是那么让人惊讶。“值得注意的是，我们生活的地球，它的磁场两极与地球南北两极大致重合，因此我们也希望在别的行星上发现类似的情况。”


　　里雷说，“地球外核流体的运动产生了地磁场。虽然我们往往将磁和铁联系在一起，但实际上，任何运动着的带电流体都能产生磁场。对于行星，这首先取决于它是否存在流体以产生‘发电机效应’。地球存在外核流体，这两个行星可能不存在流体，也可能存在流体。事实上它们似乎都存在导电性良好的流体，而且还受某种力量驱策处于运动状态，这也是产生‘发电机效应’的必要条件。由于天王星和海王星产生‘发电机效应’的部位与地球的不同，以至于它们有如此不同的磁场，这就不足为奇了。”


　　天王星的季节变化


　　2004年3月到5月这一短暂期间，很多片大块云彩出现天王星大气层里，这让天王星有着类似海王星般的外观。观察到229米/秒(824公里/时)的破表风速，和被称为"7月4日烟火"的雷雨风暴。 2006年8月23日，科罗拉多州博尔德市太空科学学院和威斯康辛大学的研究员观察到天王星表面有一个大黑斑，让天文学家对天王星大气层的活动有更多的了解。 虽然为何这突如其来活动暴涨的发生原因仍未被研究员所明了，但是它呈现了天王星极度倾斜的自转轴所带来的季节性的气候变化。 要确认这种季节变化的本质是很困难的，因为对天王星大气层堪用的观察数据仍少于84年，也就是一个完整的天王星年。虽然已经有了一定数量的发现，光度学的观测已经累积了半个天王星年(从1950年代起算)，在两个光谱带上的光度变化已经呈现了规律性的变化，最大值出现在至点，最小值出现在昼夜平分点。从1960年开始的微波观测，深入对流层的内部，也得到相似的周期变化，最大值也在至点。 从1970年代开始对平流层进行的温度测量也显示最大值出现在1986年的至日附近。 多数的变化相信与可观察到的几何变化相关。


　　然而，有某些理由相信天王星物理性的季节变化也在发生。当南极区域变得明亮时，北极相对的呈现黑暗，这与上述概要性的季节变化模型是不符合的。在1944年抵达北半球的至点之前，天王星亮度急遽提升，显示北极不是永远黑暗的。 这个现象意味着可以看见的极区在至日之前开始变亮，并且在昼夜平分点之后开始变暗。 详细的分析可见光和微波的资料，显示亮度的变化周期在至点的附近不是完全的对称，这也显示出在子午圈上反照率变化的模式。最后，在1990年代，在天王星离开至点的时期，哈柏太空望远镜和地基的望远镜显示南极冠出现可以察觉的变暗(南半球的"衣领"除外，它依然明亮)，同时，北半球的活动也证实是增强了， 例如云彩的形成和更强的风，支持期望的亮度增加应该很快就会开始。


　　至点，天王星的一个半球沐浴在阳光之下，另一个半球则对向幽暗的深空。受光半球的明亮曾被认为是对流层里来自甲烷云与阴霾层局部增厚的结果。 在纬度-45°的明亮"衣领"也与甲烷云有所关联。 在南半球极区的其他变化，也可以用低层云的变化来解释。 来自天王星微波发射谱线上的变化，或许是在对流层深处的循环变化造成的，因为厚实的极区云彩和阴霾可能会阻碍对流。天王星春天和秋天的昼夜平分点即将来临，动力学上的改变和对流可能会再发生。


　　天王星的大气层

　　与其他的气体巨星，甚至是与相似的海王星比较，天王星的大气层是非常平静的。当旅行者2号在1986年飞掠过天王星时，总共观察到了10个横跨过整个行星的云带特征。有人提出解释认为这种特征是天王星的内热低于其他巨大行星的结果。在天王星记录到的最低温度是49 K，比海王星还要冷，使天王星成为太阳系温度最低的行星。


　　虽然在天王星的内部没有明确的固体表面，天王星最外面的气体包壳，也就是被称为大气层的部分，却很容易以遥传感量。遥传感量的能力可以从1帕之处为起点向下深入至300公里，相当于100帕的大气压力和320K的温度。稀薄的晕从大气压力1帕的表面向外延伸扩展至半径两倍之处，天王星的大气层可以分为三层：对流层，从高度300至50 公里，大气压100帕至0.1帕;平流层(同温层)，高度50至4000 公里，大气压力0.1帕至10⁻1⁰ 帕;和增温层/晕，从4000公里向上延伸至距离表面50,000公里处。没有中气层(散逸层)。


　　天王星大气层的成分和天王星整体的成分不同，主要是氢分子和氦。氦的摩尔分数，这是每摩尔中所含有的氦原子数量，是0.15±0.03;在对流层的上层，相当于0.26±0.05质量百分比。这个数值很接近0.275±0.01的原恒星质量百分比。显示在气体的巨星中，氦在行星中是不稳定的。在天王星的大气层中，含量占第三位的是甲烷(CH₄)。甲烷在可见和近红外的吸收带为天王星制造了明显的蓝绿或深蓝的颜色。在大气压力1.3帕的甲烷云顶之下，甲烷在大气层中的摩尔分数是2.3%，这个量大约是太阳的20至30倍。混合的比率在大气层的上层由于极端的低温，降低了饱合的水平并且造成多余的甲烷结冰。对低挥发性物质的丰富度，像是氨、水和硫化氢，在大气层深处的含量所知有限，但是大概也会高于太阳内的含量。除甲烷之外，在天王星的上层大气层中可以追踪到各种各样微量的碳氢化合物，被认为是太阳的紫外线辐射导致甲烷光解产生的。包括乙烷(C₂H₆),乙炔(C₂H₂)，甲基乙炔(CH₃C₂H)，联乙炔(C₂HC₂H)。光谱也揭露了水蒸汽的踪影，一氧化碳和二氧化碳在大气层的上层，但可能只是来自于彗星和其他外部天体的落尘。