锦达哥
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博主说明:学生
姓名:余锦达
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10月
18 2011
 

天王星的资料  (21 :12 :57)


余锦达(jdyu_126s) 阅读( 887 )| 评论( 0 )

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 天王星[1]Uranus

拼音

  Tiān wáng xīng
  
  

天王星

释义

  太阳系八大行星之一。按距离太阳的次序计为第七颗行星。1781年由英国天文学家赫歇耳发现。与太阳平均距离28.69亿千米。直径51800千米,平均密度1.24克/厘米^3,质量8742×1028克。公转周期84.32年,自转周期239小时,为逆向自转。表面温度约-180°c。有磁场、光环和十五颗卫星

发现者

  发现者:威廉·赫歇耳
  发现日期:1781年3月13日

轨道资料

  (历元 J2000)
  远日点距离:3,004,419,704 km(20.08330526 AU)
  近日点距离:2,748,938,461 km(18.37551863 AU)
  轨道半长轴:2,876,679,082 km(19.22941195 AU)
  轨道离心率:0.044405586
  公转周期: 30799.095 地球日(84.323326 年)
  自转周期:约15.5小时
  会合周期:369.66 日
  平均公转速度:6.81 km/s
  平均近点角:142.955717°
  轨道倾角:0.772556°(6.48° 对太阳的赤道)
  升交点赤经:73.989821°
  近日点辐角: 96.541318°
  卫星数:27

物理特征

  赤道半径:25,559 ±4 km(4.007 地球)
  两极半径:24,973 ±20 km(3.929地球)
  扁率:0.0229
  表面积:8.1156×109 km²(15.91 个地球表面积)
  体积:6.833×1013 km³(63.086 个地球体积)
  质量:8.6810 ±13×1025 公斤(14.536 个地球)
  GM=5,793,939 ±13 公里^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
  行星自转周期:0.71833 地球日(17 时14 分24 秒)
  赤道旋转速率:2.59 km/s(9,320 km/h)
  轴倾斜:97.77°
  北极赤经:17 h 9 min 15 s,257.311°
  赤纬:?15.175°
  反照率:0.300 (bond),0.51 (geom)
  表面温度:
  最小 平均 最大
  49 K 53 K 57 K
  星等:5.9~5.32
  角度尺寸: 3.3"-4.1" [3]
  形容用词:Uranian

大气

  大气组成:
  83±3% 氢分子 (H2)
  15±3% 氦
  2.3% 甲烷
  0.009%(0.007-0.015%) 重氢化合物(HD)
  :
  氨
  水
  氨硫化氢(NH4SH)
  甲烷 (CH4)
  天王星环的总表
  
旅行家2号在1986年飞越天王星时,拍摄了天王星的环,2005年又新发现了两道环。
  
名称 与天王星中心的距离(km) 宽度(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
(shepherded by Cordelia and Ophelia)
R/2003 U 2 ~66,000(near Portia) ?
R/2003 U 1 97,734(at Mab) ?
天王星的卫星 天王星有27颗天然的卫星,第一颗和第二颗(泰坦尼亚和欧贝隆)是威廉?赫歇耳在1787年3月13日发现的,另外两颗艾瑞尔和乌姆柏里厄尔是在1851年被威廉?拉索尔发现的。在1852年,威廉?赫歇耳的儿子约翰?赫歇耳才为这四颗卫星命名。到了1948年Gerard Kuiper发现第五颗卫星米兰达。
  1986年1月,旅行家2号宇宙飞船飞越过天王星,在稍后研究照片时,发现了Perdita和10颗小卫星。后来使用地面的望远镜也证实了这些卫星的存在。
  不同于其它行星的卫星,由神话中取名字,所有天王星的卫星都取名自英国诗人莎士比亚和蒲伯的剧作中。
  天王星卫星列表
  
名称 GM(km/s) 平均半径(km) 平均密度(g/cm)
天卫一
90.3±8.0 578.9±0.6 1.665±0.147
天卫二
78.2±9.0 584.7±2.8 1.400±0.163
天卫三
235.3±6.0 788.9±1.8 1.715±0.044
天卫四
201.1±5.0 761.4±2.6 1.630±0.043
天卫五
4.4±0.5 235.8±0.7 1.201±0.137
天卫六 S/1986 U 7 0.0030±0.0013 20.1±3 1.3
天卫七 S/1986 U 8 0.0036±0.0020 21.4±4 1.3
天卫八 S/1986 U 9 0.0062±0.0014 25.7±2 1.3
天卫九 S/1986 U 3 0.0229±0.0034 39.8±2 1.3
天卫十 S/1986 U 6 0.0119±0.0045 32.0±4 1.3
天卫十一 S/1986 U 2 0.0372±0.0096 46.8±4 1.3
天卫十二 S/1986 U 1 0.1122±0.0199 67.6±4 1.3
天卫十三 S/1986 U 4 0.0170±0.0085 36±6 1.3
天卫十四 S/1986 U 5 0.0238±0.0142 40.3±8 1.3
天卫十五 S/1985 U 1 0.1931±0.0143 81±2 1.3
天卫十六 S/1997 U 1 0.049 49 1.5
天卫十七 S/1997 U 2 0.359 95 1.5
天卫十八 S/1999 U 3 0.0014 15 1.5
天卫十九 S/1999 U 1 0.0014 15 1.5
天卫二十 S/1999 U 2 0.0004 10 1.5
天卫二十一 S/2001 U 1 0.00005 5 1.5
天卫二十二 S/2001 U 3 0.00009 6 1.5
天卫二十三 S/2003 U 3 0.00007 5.5 1.5
天卫二十四 S/2001 U 2 0.00009 6 1.5
天卫二十五 S/1986 U 10
天卫二十六 S/2003 U 1
天卫二十七 S/2003 U 2
故事和传说 乌拉诺斯是古希腊神话中的宇宙之神,是最早的至高无上的神。他是该亚的儿子兼配偶,是Cronus(农神土星)、独眼巨人和泰坦(奥林匹斯山神的前辈)的父亲。
  天王星是由威廉·赫歇耳通过望远镜系统地搜寻,在1781年3月13日发现的,它是现代发现的第一颗行星。事实上,它曾经被观测到许多次,只不过当时被误认为是另一颗恒星(早在1690年John Flamsteed便已观测到它的存在,但当时却把它编为34 Tauri)。赫歇耳把它命名为"the Georgium Sidus(天竺葵)"(乔治亚行星)来纪念他的资助者,那个对美国人而言臭名昭著的英国国王:乔治三世;其他人却称天王星为“赫歇耳”。由于其他行星的名字都取自希腊神话,因此为保持一致,由波德首先提出把它称为“乌拉诺斯(Uranus)”基本参数
  
轨道半径(天文单位 19.218
轨道偏心率 0.046
轨道对黄道斜角(°) 0.77
公转周期(年) 83.747
会合周期(日) 369.66
质量(相对于地球) 14.535
半径(相对于地球) 4.007
平均密度(克/厘米) 1.318
表面重力(米/秒) 8.69
逃逸速度(千米/秒) 21.3
赤道自转周期(小时) 17.24
赤道对轨道斜角(°) 97.86
目前发现卫星数 27(2005-3-4)
反射率 0.51
平均云层温度(℃) 12.8
大气压力(巴) 大气压力(巴)
大气组成 H2 83%
He 15%
CH4 2%

编辑本段发现

  天王星在被发现是行星之前,已经被观测了很多次,但都把它当作恒星看待。最早的纪录可以追溯至1690年,约翰·佛兰斯蒂德在星表中将他编为金牛座34,并且至少观测了6次。法国天文学家Pierre Lemonnier在1750至1769年也至少观测了12次,包括一次连续四夜的观测。
  威廉·赫歇尔1781年3月13日于他位于索美塞特巴恩镇新国王街19号自宅的庭院中观察到这颗行星(现在是赫歇尔天文博物馆),但在1781年4月26日最早的报告中他称之为彗星。赫歇尔用他自己设计的望远镜“对这颗恒星做了一系列视差的观察”。他在他的学报上的纪录着:“在与金牛座ζ成90°的位置……有一个星云样的星或者是一颗彗星”。在3月17日,他注记着:“我找到一颗彗星或星云状的星,并且由他的位置变化发现是一颗彗星”。当他将发现提交给皇家学会时,虽然含蓄的认为比较像行星,但仍然声称是发现了彗星:
  
  

威廉·赫歇尔,天王星的发现者

"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."
  赫歇尔因为他的发现被通知成为皇家天文学家,并且语无伦次的在4月23日回复说:“我不知该如何称呼它,它在接近圆形的轨道上移动很像一颗行星,而彗星是在很扁的椭圆轨道上移动。我也没有看见彗发或彗尾”。
  当赫歇尔继续谨慎的以彗星描述他的新对象,其他的天文学家已经开始做不同的怀疑。俄国天文学家Anders Johan Lexell估计它至太阳的距离是地球至太阳的18倍,而没有彗星曾在近日点四倍于地球至太阳距离之外被观测到。柏林天文学家约翰·波得描述赫歇尔的发现像是"在土星轨道之外的圆形轨道上移动的恒星,可以被视为迄今仍未知的像行星的天体"。波得断定这个以圆轨道运行的天体比彗星更像是一颗行星。
  这个天体很快便被接受是一颗行星。在1783年,法国科学家拉普拉斯证实赫歇尔发现的是一颗行星。赫歇尔本人也向皇家天文学会的主席约翰·班克斯承认这个事实:“经由欧洲最杰出的天文学家观察,显示这颗新的星星,我很荣誉的在1781年3月指认出的,是太阳系内主要的行星之一”。为此,威廉·赫歇尔被英国皇家学会授予柯普莱勋章。乔治三世依据他的成就,并在他移居至温莎王室,让皇室的家族有机会使用他的望远镜观星的前提下,给予赫歇尔每年200英镑的年薪。

编辑本段形成

  有些论点认为气体巨星冰巨星在形成的时候就有差异存在,太阳系的诞生应该开始于一个气体和尘土构成的巨大转动的球体,也就是前太阳星云。当它凝聚时,它逐渐形成盘状,在中心的崩塌形成了太阳。多数的星云气体,主要是氢和氦,形成了太阳;同时,颗粒的尘土集合形成了第一颗原行星。在行星成长的过程中,有些累积到足够的质量,能够凝聚星云中残余的气体。聚集越多的气体,使它们变得越大,它们变得越大,就越能聚集气体,直到达到一个关键的点,使它们开始以指数的增长。冰巨星,气体只有几个地球的质量,未能达到这个临界点。目前的太阳系形成理论遭遇了困难,在计算天王星和海王星如此远离木星和土星后,它们是太大了,以至于不能在那个距离上取得足够的材料来形成。相反的,有些科学家认为是在离太阳较近的位置形成之后,才被木星驱赶到外面的。然而,最近的摹拟,将行星漂移计算在内,似乎已能在它们现存的位置上形成天王星和海王星。

编辑本段命名

  马斯基林曾这样的问赫歇尔:"做为天文学世界的恩宠"(原文如此)"为您的行星取个名字,这也完全是为了您所爱的,并且也是我们迫切期望您为您的发现所做的。"回应马基斯林的请求,赫歇尔决定命名为"乔治之星Georgium Sidus)"或"乔治三世"以纪念他的新赞助人--乔治三世。他在给约瑟夫·贝克的信件中解释道:
  “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.”
  天文学家Jerôme Lalande建议将这颗行星称为赫歇尔以尊崇它的发现者。但是,波得赞成用希腊神话的乌拉诺斯,译成拉丁文的意思是天空之神,中文则称为天王星。波得的论点是农神(土星)是宙斯(木星)的父亲,新的行星则应该取名为农神的父亲。天王星的名称最早是在赫歇尔过世一年之后的1823年才出现在官方文件中。乔治三世或"乔治之星"的名称在之后仍经常被使用(只在英国使用),直到1850年,HM航海历才换用天王星的名称。
  天王星的名称是行星中唯一取自希腊神话而非罗马神话的,天王星的形容词(Uranian)被铀的发现者Martin Klaproth用来命名在1789年新发现的元素。Uranus的重音在第一个音节,因为倒数第二个音a是短音(ūr?n?s)并且是开放的音节。这样的音节在拉丁文中从未被强调过,因此在传统上名字的正确发音是来自英语的[?j?.r?.n?s]。传统上不正确的发音,[j???e?.n?s],重音落在第二音节并且将a发成长音是很普通的。天王星的天文学符号是Astronomical symbol for Uranus,他是火星和太阳符号的综合,因为天王星是希腊神话的天空之神,被认为是由太阳和火星联合的力量所控制的。他在占星学上的符号,是Lalande在1784年建议的。在给赫歇尔的一封信中,Lalande描述他是"您的名字首次战胜地球的符号" ("a globe surmounted by the first letter of your name").在东亚,也都翻译成天王星(sky king star)。

编辑本段轨道和自转

周期

  
  

哈勃太空望远镜的天王星影像

天王星每84个地球年环绕太阳公转一周,与太阳的平均距离大约30亿公里,阳光的强度只有地球的1/400。他的轨道元素在1783年首度被拉普拉斯计算出来,但随着时间,预测和观测的位置开始出现误差。在1841年约翰·柯西·亚当斯首先提出误差也许可以归结于一颗尚未被看见的行星的拉扯。在1845年,勒维耶开始独立的进行天王星轨道的研究,在1846年9月23日迦雷在勒维耶预测位置的附近发现了一颗新行星,稍后被命名为海王星。
  天王星内部的自转周期是17 小时又14 分,但是,和所有巨大的行星一样,他上部的大气层朝自转的方向可以体验到非常强的风。实际上,在有些纬度,像是从赤道到南极的2/3路径上,可以看见移动得非常迅速的大气,只要14个小时就能完整的自转一周。

转轴倾斜

  
  天王星的自转轴可以说是躺在轨道平面上的,倾斜的角度高达98°,这使他的季节变化完全不同于其他的行星。其它行星的自转轴相对于太阳系的轨道平面都是朝上的,天王星的转动则像倾倒而被辗压过去的球。当天王星在至日附近时,一个极点会持续的指向太阳,另一个极点则背向太阳。只有在赤道附近狭窄的区域内可以体会到迅速的日夜交替,但太阳的位置非常的低,有如在地球的极区。运行到轨道的另一侧时,换成轴的另一极指向太阳;每一个极都会有被太阳持续的照射42 年的极昼,而在另外42年则处于极夜。在接近昼夜平分点时,太阳正对着天王星的赤道,天王星的日夜交替会和其他的行星相似,在2007年12月7日,天王星将经过日夜平分点。
  天王星上的节气:
  北半球 年 南半球
  冬至 1902, 1986 夏至
  春分 1923, 2007 秋分
  夏至 1944, 2028 冬至
  秋分 1965, 2049 春分
  这种轴的指向带来的一个结果是,在一年之中,天王星的极区得到来自于太阳的能量多于赤道,不过,天王星的赤道依然比极区热。导致这种结果的机制仍然未知;天王星异常的转轴倾斜原因也不知道,但是通常的猜想是在太阳系形成的时候,一颗地球大小的原行星撞击到天王星,造成的指向的歪斜。在1986年,旅行者2号飞掠时,天王星的南极几乎正对着太阳。标记这个极是南极是基于国际天文联合会的定义:行星或卫星的北极,是指向太阳系不变平面的上方(不是由自转的方向来决定)。但是,仍然有不同的协定被使用着:一个天体依据右手定则所定义的自转方向来决定北极和南极。根据后者的坐标系,1986年在阳光下的极则是北极。天文学家Patrick Moore对此议题的评论总结是:"请自行挑选吧!"

编辑本段物理性质

  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)。天王星并没有土星与木星那样的岩石内核,它的金属成分是以一种比较平均的状态分布在整个地壳之内。直接以肉眼观察,天王星的表面呈现洋蓝色,这是因为它的甲烷大气吸收了大部分的红色光谱所导致。
  
  

地球和天王星大小的比较

内部结构

  
  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9 克/厘米³,在核和地函交界处的压力是8 百万巴和大约5,000 K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;目前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。

内热

   天王星的内热看上去明显的比其他的类木行星为低,在天文的项目中,他是低热流量。目前仍不了解天王星内部的温度为何会如此 低,大小和成分与天王星像是双胞胎的海王星,放出至太空中的热量是得自太阳的2.61倍;相反的,天王星几乎没有多出来的热量被放出。天王星在远红外(也就是热辐射)的部分释出的总能量是大气层吸收自太阳能量的1.06 ±0.08倍。事实上,天王星的热流量只有 0.042 ±0.047 瓦/米2,远低于地球内的热流量0.075 瓦/米2。天王星对流层顶的温度最低温度纪录只有49 K,使天王星成为太阳系温度最低的行星,比海王星还要冷。
  在天王星被超重质量的锤碎机敲击而造成转轴极度倾斜的假说中,也包含了内热的流失,因此留给天王星一个内热被耗尽的核心温度。另一种假说认为在天王星的内部上层有阻止内热传达到表面的障碍层存在,例如,对流也许仅发生在一组不同的结构之间,也许禁止热能向上传递。

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10000公里、温度高达摄氏6650度,由含氮分子碳氢化合物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,近年却有观点认为,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。

大气层

  
  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/,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)。

成份

  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。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。

对流层

   对流层是大气层最低和密度最高的部分,温度随着高度增加而降低,温度从有名无实的底部大约320 K,?300 公里,降低至53 K,高度50 公里。在对流层顶实际的最低温度在49至57K,依在行星上的高度来决定。对流层顶是行星的上升暖气流辐射远红外线最主要的区域,由此处测量到的有效温度是59.1 ±0.3 K。
  对流层应该还有高度复杂的云系结构,水云被假设在大气压力50至100 帕,氨氢硫化物云在20至40 帕的压力范围内,氨或氢硫化物云在3和10 帕,最后是直接侦测到的甲烷云在1 至2 帕。对流层是大气层内动态非常充分的部分,展现出强风、明亮的云彩和季节性的变化,将会在下面讨论。

上层大气层

  天王星大气层的中层是平流层,此处的温度逐渐增加,从对流层顶的53 K上升至增温层底的800至850 K。平流层的加热来自于甲烷和其他碳氢化合物吸收的太阳紫外线和红外线辐射,大气层的这种形式是甲烷的光解造成的。来自增温层的热也许也值得注意。碳氢化合物相对来说只是很窄的一层,高度在100至280公里,相对于气压是10微帕至0.1微帕,温度在75K和170K之间。含量最多的碳氢化合物是乙炔和乙烷,相对于氢的混合比率是×10?7,与甲烷和一氧化碳在这个高度上的混合比率相似。更重的碳氢化合物、二氧化碳和水蒸气,在混合的比率上还要低三个数量级。乙烷和乙炔在平流层内温度和高度较低处与对流层顶倾向于凝聚而形成数层阴霾的云层,那些也可能被视为出现在天王星上的云带。然而,碳氢化合物集中在在天王星平流层阴霾之上的高度比其他类木行星的高度要低是值得注意的。
  天王星大气层的最外层是增温层或晕,有着均匀一致的温度,大约在800至850 K。目前仍不了解是何种热源支撑着如此的高温,虽然低效率的冷却作用和平流层上层的碳氢化合物也能贡献一些能源,但即使是太阳的远紫外线和超紫外线辐射,或是极光活动都不足以提供所需的能量。除此之外,氢分子和增温层与晕拥有大比例的自由氢原子,她们的低分子量和高温可以解释为何晕可以从行星扩展至50,000公里,天王星半径的俩倍远。这个延伸的晕是天王星的一个独特的特点。他的作用包括阻尼环绕天王星的小颗粒,导致一些天王星环中尘粒的耗损。天王星的增温层和平流层的上层对应着天王星的电离层。观测显示电离层占据2,000 至10,000 公里的高度。天王星电离层的密度比土星或海王星高,这可能肇因于碳氢化合物在平流层低处的集中。电离层是承受太阳紫外线辐射的主要区域,它的密度也依据太阳活动而改变。极光活动不如木星和土星的明显和重大。

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,一则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三分之一。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。[84][85]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100,000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。

编辑本段气候

   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。

带状结构、风和云

  在1986年,旅行者2号发现可见的天王星南半球可以被细分成两个区域:明亮的极区和暗淡的赤道带状区。两这区的分界大约在纬度?45°的附近。一条跨越在?45°至?50°之间的狭窄带状物是在行星表面上能够看见的最亮的大特征,被称为南半球的"衣领"。极冠和衣领被认为是甲烷云密集的区域,位置在大气压力1.3至2 帕的高度。很不幸的是,旅行者2号抵达时 正是盛夏,而且观察不到北半球的部分。不过,从21世纪开始之际,北半球的"衣领"和极区就可以被哈勃太空望远镜和凯克望远镜观测到。结果,天王星看起来是不对称的:靠近南极是明亮的,从南半球的"衣领"以北都是一样的黑暗。稍后可能出现在天王星上的季节变化,将会被详细的讨论。天王星可以观察到的纬度结构和木星与土星是不同的,他们展现出许多条狭窄但色彩丰富的带状结构。
  除了大规模的带状结构,旅行者2号观察到了10朵小块的亮云,多数都躺在"衣领"的北方数度。在1986年看到的天王星,在其他的区域都像是毫无生气的死寂行星。但是,在1990年代的观测,亮云彩特征的数量有着明显的增长,他们多数都出现在北半球开始成为可以看见的区域。一般的解释认为是明亮的云彩在行星黑暗的部分比较容易被分辨出来,而在南半球则被明亮的"衣领"掩盖掉了。然而,两个半球的云彩是有区别的,北半球的云彩较小、较尖锐和较明亮。他们看上去都躺在较高的高度,直到2004年南极区使用2.2um观测之前这些都是事实。这是对甲烷吸收带敏感的波段,而北半球的云彩都是用这种光谱的波段来观测的。云彩的生命期有这极大的差异,一些小的只有4小时,而南半球至少有一个从旅行者2号飞掠过后仍一直存在着。最近的观察也发现,虽然天王星的气候较为平静,但天王星的云彩有许多特性与海王星相同。但有一种特殊的影像,在海王星上很普通的大暗斑,在2006年之前从未在天王星上观测到。
  
  

天王星内核图

追踪这些有特征的云彩,可以测量出天王星对流层上方的风是如何在极区咆哮。在赤道的风是退行的,意味着他们吹的方向与自转的方向相反,他们的速度从?100至?50 米/杪。风速随着远离赤道的距离而增加,大约在纬度±20°静止不动,这儿也是对流层温度最低之处。再往极区移动,风向也转成与行星自转的方向一致,风速则持续增加,在纬度±60°处达到最大值,然后下降至极区减弱为0。在纬度?40°附近,风速从150到200 米/杪,因为"衣领"盖过了所有平行的云彩,无法测量从哪儿到南极之间的风速。与北半球对照,风速在纬度+50°达到最大值,速度高达240 米/杪。这些速度会导致错误的认定北半球的风速比较快,事实上,在天王星北半球的风速是随着纬度一度一度的在缓缓递减,特别是在中纬度的±20°至±40°的纬度上。目前还无法认定从1986年迄今,天王星的风速是否发生了改变,而且对较慢的子午圈风依然是一无所知。

季节变化

  在2004年秋天的短暂时期,天王星上出现了与海王星相似的一大片云块,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"的大风暴。在2006年8月23日,太空科学学院的研究员(Boulder, CO)和威斯康辛大学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。虽然还不是完全了解为什么会突然发生活动的高潮,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,天王星是一个扁圆球体,造成从地理上的极点方向可以看见的区域变得较大,这可以解释在至日的时候亮度较亮的原因。天王星的反照率在子午圈的附近也比较强(见上述)。例如,天王星南半球的极区比赤道的带明亮。另一方面,微波的光谱观测显示,也证明两极地区比较明亮,同时也知道平流层在极区的温度比赤道低。所以,季节性的变化可能是这样发生的:极区,在可见光和微波的光谱下都是明亮的,而在至点接近时看起来更加明亮;黑暗的赤道区,主要是在昼夜平分点附近的时期,看起来更为黑暗。另外,在至点的掩星观测,得到赤道的平流层温度较高。有相同的理由相天王星信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,天王星出现升高的亮度,显示北极不是永远黑暗的。这个现象暗示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。另外,一些微波的数据也显示在1986年至日之后,极区和赤道的对比增强了。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,他依然明亮),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。异常的极和南半球?45°明亮的"衣领",被期望在行星的北半球出现。
  物理变化的机制还不是很清楚,在接近夏天和冬天的至点,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。照亮半球的阳光,被认为会造成对流层局部的增厚,结果是形成数层的甲烷云和阴霾。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。现在,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。

编辑本段外围

行星环

  天王星有一个暗淡的行星环系统,由直径约十米的黑暗粒状物组成。他是继土星环之后,在太阳系内发现的第二个环系统。目前已知天王星环有13个圆环,其中最明亮的是ε环(Epsilon),其他的环都非常黯淡。天王星的光环像木星的光环一样暗,但又像土星的光环那样有相当大的直径。天王星环被认为是相当年轻的,在圆环周围的空隙和不透明部分的区别,暗示她们不是与天王星同时形成的,环中的物质可能来自被高速撞击或潮汐力粉碎的卫星。而最外面的第5个环的成分大部分是直径为几米到几十米的冰块。除此之外,天王星可能还存在着大量的窄环,宽度仅有50米,单环的环反射率非常低。
  环的发现日期是1977年3月10日,在James L. Elliot、Edward W. Dunham、和Douglas J. Mink使用柯伊伯机载天文台观测时。这个发现是很意外的,他们原本的计划是观测天王星掩蔽SAO 158687以研究天王星的大气层。然而,当他们分析观测的资料时,他们发现在行星掩蔽的前后,这颗恒星都曾经短暂的消失了五次。他们认为,必须有个环系统围绕着行星才能解释。旅行者2号在1986年飞掠过天王星时,直接看见了这些环。旅行者2号也发现了两圈新的光环,使环的数量增加到7圈。
  在2005年12月,哈勃太空望远镜侦测到一对早先未曾发现的蓝色圆环。最外围的一圈与天王星的距离比早先知道的环远了两倍,因此新发现的环被称为环系统的外环,使天王星环的数量增加到13圈。哈柏同时也发现了两颗新的小卫星,其中的Mab还与最外面的环共享轨道。在2006年4月,凯克天文台 公布的新环影像中,外环的一圈是蓝色的,另一圈则是红色的。
  关于外环颜色是蓝色的一个假说是,它由来自Mab的细小冰微粒组成,因此能散射足够多的蓝光。天王星的内环看起来是呈灰色的。
  
  

天王星的卫星和环概要图

这是天王星环的总表:
  
名称 与天王星中心的距离(公里) 宽度(公里)
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 ?
R/2003 U 1 97,734 ?

卫星

  
  

天王星主要卫星的比较

目前已知天王星有27颗天然的卫星,这些卫星的名称都出自莎士比亚和蒲伯的歌剧中。五颗主要卫星的名称是米兰达艾瑞尔乌姆柏里厄尔泰坦尼亚欧贝隆。第一颗和第二颗(泰坦尼亚和欧贝隆)是威廉·赫歇耳在1787年3月13日发现的,另外两颗艾瑞尔和乌姆柏里厄尔是在1851年被威廉·拉索尔发现的。在1852年,威廉·赫歇耳的儿子约翰·赫歇耳才为这四颗卫星命名。到了1948年杰勒德 P. 库普尔发现第五颗卫星米兰达。
  天王星卫星系统的质量是气体巨星中最少的,的确,五颗主要卫星的总质量还不到崔顿的一半。最大的卫星,泰坦尼亚,半径788.9 公里,还不到月球的一半,但是比土星第二大的卫星Rhea稍大些。这些卫星的反照率相对也较低,乌姆柏里厄尔约为0.2,艾瑞尔约为0.35(在绿光)。这些卫星由冰和岩石组成,大约是50%的冰和50%的岩石,冰也许包含氨和二氧化碳。
  在这些卫星中,艾瑞尔有着最年轻的表面,上面只有少许的陨石坑;乌姆柏里厄尔看起来是最老的。米兰达拥有深达20 公里的断层峡谷,梯田状的层次和混乱的变化,形成令人混淆的表面年龄和特征。有种假说认为米兰达在过去可能遭遇过巨型的撞击而被完全的分解,然后又偶然的重组起来。
  1986年1月,旅行者2号太空船飞越过天王星,在稍后研究照片时,发现了Perdita和10颗小卫星。后来使用地面的望远镜也证实了这些卫星的存在。
  天卫一(Ariel)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫二(Umbriel英语发单"UM bree el")是天王星第三大卫星,已知卫星中距天王星第十三近它由William Lassell于1851年发现。 天卫二和天卫四很相似,但后者要比它大35%。天王星的大卫星都是由占40~50%的冰和岩石混合而成,它所含的岩石比土卫五之类所含的要多一些。天卫二的剧烈起伏的火山口地形可能从它形成以来就一直稳定存在。天卫二非常暗,它反射的光大约是天王星最亮的卫星--天卫一的一半. 它的表面布满陨石坑。尽管没有地质活动的迹象,却有着离奇的特征。它有一个明亮的陨石坑,宽约112公里,绰号"萤光杯"。坑表面深色部分可能是有机物质,浅色部分则无人知道是什么。
  天卫三(Titania)是环绕天王星运行的一颗卫星。天卫三跟天卫四差不多大小,也复满了火山灰。这表明曾发生过火山活动。那儿有长达数千公里的风力强劲的大峡谷,可能是由于内部的水冻结、膨胀,撑裂了薄弱的外壳而形成的。天卫三直径约为1000公里,是天王星最大的卫星。它的表面也被一种黑色物质重新覆盖过,可能是甲烷或水冰。
  天卫四(Oberon)是环绕天王星运行的一颗卫星。最外层的天卫四布满了陨石坑。陨石坑底有许多暗区,可能已经填满冰岩。
  天卫五(Miranda)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫六(S/1986 U 7, Cordelia)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫七(S/1986 U 8, Ophelia)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫八(S/1986 U 9, Bianca)是环绕天王星运行的一颗卫星
  天卫九(S/1986 U 3, Cressida)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫十(S/1986 U 6,Desdemona)是天王星的一颗小的天然卫星
  天卫十一(S/1986 U 2, Juliet)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫十二(S/1986 U 1, Portia)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫十三(S/1986 U 4, Rosalind)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫十四(S/1986 U 5, Belinda)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫十五(S/1985 U 1, Puck)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫十六(S/1997 U 1, Caliban)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫十七(S/1997 U 2, Sycorax)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫十八(S/1999 U 3, Prospero)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫十九(S/1999 U 1, Setebos)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫二十(S/1999 U 2, Stephano)是环绕天王星运行的一颗卫星。
  天卫二十一(S/2001 U 1, Trinculo)是环绕天王星运行的一颗卫星。

编辑本段探测

人造卫星

  1986年,NASA的旅行者2号拜访了天王星。这次的拜访是唯一的一次近距离的探测,并且目前也还没有新的探测计划。旅行者2号在1977年发射,在继续前往海王星的旅程之前,于1986年1月24日最接近天王星,距离近达81,500公里。旅行者2号研究了天王星大气层的结构和化学组成,发现了10颗新卫星,还研究了天王星因为自转轴倾斜97.77°所造成的独特气候,并观察了天王星的环系统。他也研究了天王星的磁场:不规则的结构、倾斜的磁轴、和如同拔塞螺丝般扭曲并斜向一侧的磁尾。他对最大的五颗卫星做了首度的详细调查,并研究当时已知的九圈光环,也新发现了两道光环。

可见性

  从1995至2006年,天王星的视星等+5.6至+5.9等之间,勉强在肉眼可见的+6.0等之上,他的角直径在3.4至3.7 弧秒;比较土星是16至20弧秒,木星则是32至45弧秒。在冲的时候,天王星可以用肉眼在黑暗、无光污染的天空直接看见,即使在城市中也能轻易的使用双筒望远镜看见。使用物镜的口径在15至25 厘米的大型业余天文望远镜,天王星将呈现苍白的深蓝色盘状与明显的周边昏暗;口径25 厘米或更大的,云的型态和一些大的卫星,像是泰坦尼亚和欧贝隆,都有可能看见。

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