Внутренняя температура
Внутренняя температура Урана значительно ниже температуры других планет-гигантов Солнечной системы.
Тепловое излучение планеты очень низкое, и причина этого в настоящее
время остаётся неизвестной. Нептун, схожий с Ураном размерами и
составом, излучает в космос в 2,61 раза больше тепловой энергии, чем
получает от Солнца. У Урана же этот показатель равен 0,042 ± 0,047 Вт/м², и эта величина меньше той, которую выделяет земное ядро (~0,075 Вт/м²).
Измерения в дальней инфракрасной части спектра показали, что Уран
излучает лишь 1,06 ± 0,08 % энергии от той, что получает от Солнца (то
есть избыточная теплота крайне мала, почти отсутствует). Самая низкая температура, зарегистрированная в тропопаузе Урана, составляет 49 К, что делает планету самой холодной из всех планет Солнечной системы — даже более холодной, чем Нептун.
Существуют две гипотезы, пытающиеся объяснить этот феномен. Первая из них утверждает, что протопланета,
предположительно столкнувшаяся с Ураном во время формирования Солнечной
системы и вызвавшая большой наклон его оси вращения, также «унесла» с
собой и часть исходной температуры, оставив планету с уже заранее
исчерпанными запасами тепла.
Вторая теория гласит, что в атмосфере Урана имеется некая прослойка,
препятствующая тому, чтобы тепло от ядра достигало верхних слоёв и
выходило за пределы атмосферы в тех же количествах, в каких поступило в
атмосферу. Например, такая конвекция
может иметь место в том случае, когда рядом расположены два различных
по составу слоя, которые и могут препятствовать восходящим «потокам»
тепла от ядра.
Атмосфера
Хотя Уран и не имеет твёрдой поверхности в привычном понимании этого
слова, наиболее удалённую часть газообразной оболочки принято называть
его атмосферой. Полагают, что атмосфера Урана начинается на расстоянии в 300 км от внешнего слоя при давлении в 100 бар и температуре в 320 K. «Атмосферная корона» простирается на расстояние, в 2 раза превышающее радиус от «поверхности» с давлением в 1 бар[56]. Атмосферу условно можно разделить на 3 части: тропосфера (-300 км — 50 км; давление составляет 100 — 0,1 бар), стратосфера (50 — 4000 км; давление составляет 0,1 — 10-10 бар) и термосфера/атмосферная корона (4000 — 50000 км от поверхности). Мезосфера у Урана отсутствует.
Состав
Состав атмосферы Урана заметно отличается от остального состава
планеты благодаря высокому содержанию молекулярного водорода и гелия. Молярная доля гелия (то есть, отношение количества атомов гелия к количеству молекул водорода/гелия) в верхнем слое атмосферы соответствует массовой фракции 0,26 ± 0,05 %. Это значение очень близко к протозвёздной гелиевой массовой фракции (0,275 ± 0,01 %). Гелий не локализован в центре планеты, что характерно для других газовых гигантов. Третья составляющая атмосферы Урана — метан (CH4). Метан
обладает хорошо видимыми полосами поглощения в видимом и ближнем
инфракрасном спектре. Молекулы метана составляют 2,3 % от общей
массовой фракции на уровне давления в 1,3 бара.
Это соотношение значительно снижается при повышении высоты из-за
чрезвычайно низкой температуры, что заставляет метан «вымерзать». Распространенности менее летучих соединений таких как аммиак, вода и сероводород в глубине атмосферы известны плохо. Кроме того, в верхних слоях Урана обнаружены следы этана (C2H6), метилацетилена (CH3C2H) и диацетилена (C2HC2H). Эти углеводороды, как предполагают, являются продуктом фотолиза метана солнечной ультрафиолетовой радиацией. Спектроскопия также обнаружила следы водяного пара, угарного и углекислого газов. Вероятно, они попадают на Уран из внешних источников (например из пролетающих мимо комет).
Тропосфера
График зависимости давления от температуры на Уране
Тропосфера — самая нижняя и самая плотная часть атмосферы — характеризуется уменьшением температур с высотой. Температура падает от 320 К в самом начале тропосферы (на глубине в 300 км) до 53 К на высоте в 50 км. Температура в самой верхней части тропосферы (тропопаузе) варьирует от 57 до 49 К в зависимости от широты.
Тропопауза ответственна за большую часть инфракрасного излучения (в
дальней инфракрасной части спектра) планеты, и позволяет определить эффективную температуру планеты (59,1 ± 0,3 K).
Тропосфера обладает сложным строением: предположительно, водные облака
могут находиться в промежутке давления от 50 до 100 бар, облака
гидросульфида аммония — в диапазоне 20-40 бар, облака аммиака и
сульфида водорода — в диапазоне 3-10 бар. Метановые же облака могут
быть расположены в промежутке между 1 и 2 барами. Тропосфера — очень динамичная часть атмосферы, и в ней хорошо видны сезонные изменения, облака и сильные ветры.
[править] Верхняя часть атмосферы
После тропопаузы начинается стратосфера, где температура не
понижается, а наоборот, увеличивается с высотой: с 53 К в тропопаузе —
до 800—850 К в основной части термосферы .
Нагревание стратосферы вызвано поглощением солнечной инфракрасной и
ультрафиолетовой радиации метаном и другими углеводородами,
образующимися благодаря фотолизу метана. Кроме того, стратосфера нагревается также и термосферой.
Углеводороды занимают относительно низкий слой от 100 до 280 км в
промежутке от 10 — до 0,1 миллибар, и температурные границы между 75 и
170 К. Наиболее распространенные углеводороды — ацетилен и этан — составляют в этой области 10-7 относительно водорода, который по концентрации схож здесь с метаном и угарным газом. У более тяжёлых углеводородов, углекислого газа и водяного пара это отношение ещё на три порядка ниже. Этан и ацетилен имеют свойство уплотняться в более холодной и низкой части стратосферы и тропопаузе, формируя туманы. Однако концентрация углеводородов выше этих туманов значительно меньше, чем на других планетах-гигантах. Наиболее удалённая от поверхности часть атмосферы — термосфера/корона — имеет температуру в 800—850 К (как и стратосфера),
но причины такой температуры пока не поддаются анализу. Ни солнечная
ультрафиолетовая радиация (ни ближняя, ни дальняя часть
ультрафиолетового спектра), ни полярные сияния не могут обеспечить
нужную энергию. Хотя низкая эффективность охлаждения из-за отсутствия
углеводородов в верхней части стратосферы может вносить свой вклад.
В дополнение к молекулярному водороду термосфера содержит большое
количество свободных водородных атомов. Их маленькая молекулярная масса
и большая температура могут помочь объяснить, почему термосфера
простирается на 50 000 км или, говоря иначе, на два планетарных радиуса. Эта расширенная термосфера/корона является уникальной особенностью планеты. Именно она является причиной уменьшения пылевых частиц в кольцах Урана . Термосфера Урана и верхний слой стратосферы образуют ионосферу, которая занимает высоту от 2000 до 10000 км. Ионосфера Урана более плотная, чем у Сатурна и Нептуна по причине отсутствия в верхней стратосфере концентрации углеводородов. Ионосфера главным образом поддерживается солнечной ультрафиолетовой радиацией и целиком зависит от солнечной активности. Полярные сияния не являются здесь такими же частыми и существенными, как на Юпитере и Сатурне.
Кольца Урана
Внутренние кольца Урана. Яркое внешнее кольцо — кольцо ε, восемь других колец тоже видны
Расширенная цветовая схема внутренних колец
У Урана есть слабо выраженная система колец, состоящая из частиц диаметром от нескольких миллиметров до 10 метров. Это — вторая кольцевая система, обнаруженная в Солнечной системе (первой была система колец Сатурна).
На данный момент у Урана известно 13 колец, самым ярким из которых
является кольцо ε (эпсилон). Кольца Урана, вероятно, весьма молоды — на
это указывают промежутки между ними, а также различия в их
прозрачности. Это говорит о том, что кольца не были сформированы вместе
с планетой. Возможно, ранее кольца были одним из спутников Урана,
который разрушился либо при столкновении с неким небесным телом, либо
под действием приливообразующих сил.
В 1789 году Уильям Гершель утверждал, что видел кольца, однако этот
факт выглядит сомнительным, поскольку ещё в течение двух веков после
открытия другие астрономы не могли их обнаружить. Кольцевая система
Урана была подтверждена официально лишь 10 марта 1977 года американскими учёными Джеймсом Л. Элиотом (James L. Elliot), Эдвардом В. Данхэмом (Edward W. Dunham) и Дугласом Дж. Минком (Douglas J. Mink), использовавшими бортовую обсерваторию Койпера.
Открытие было сделано случайно — группа первооткрывателей планировала
провести наблюдения атмосферы Урана при покрытии Ураном звезды CAO
158687. Однако, анализируя полученную после проведённых наблюдений
информацию, они обнаружили покрытие звезды ещё до её покрытия Ураном,
причём произошло это несколько раз подряд. В результате исследований
было открыто 9 колец Урана. Когда в окрестности Урана прибыл космический аппарат Вояджер-2, при помощи бортовой оптики удалось обнаружить ещё 2 кольца, тем самым увеличив общее число известных колец до 11. В декабре 2005 года космический телескоп «Хаббл»
позволил открыть ещё 2 ранее неизвестных кольца. Они были удалены на
расстояние в два раза большее, чем ранее открытые кольца — и поэтому их
ещё часто называют «внешней системой колец Урана». Кроме колец, «Хаббл»
также помог открыть два ранее неизвестных небольших спутника, один из
которых (Маб) разделяет свою орбиту с самым внешним кольцом. Последние
два кольца доводят общее количество колец Урана до 13. В апреле 2006 года изображения новых колец, полученные обсерваторией Кек на Гавайских островах, позволили различить цвета внешних колец. Одно из них было красным, а другое (самое внешнее) — синим. Предполагают, что синий цвет внешнего кольца обусловлен тем, что он состоит из мелких частиц водяного льда с поверхности Маб. Внутренние кольца планеты выглядят серыми.
В работах первооткрывателя Урана Уильяма Гершеля первое упоминание о кольцах встречается в его записи от 22 февраля 1789 года. В своих примечаниях к наблюдениям он отметил, что предпологает у Урана наличие колец.
Гершель также заподозрил наличие в них красного цвета (что и было
подтверждено в 2006 году наблюдениями обсерватории Кек в случае
предпоследнего кольца). Примечания Гершеля попали в Журнал
Астрономического королевского общества в 1797 году. Однако
впоследствии, на протяжении почти двух столетий с 1797 по 1979 год
кольца в литературе не упоминаются вовсе, что конечно даёт право
подозревать ошибку учёного. Тем не менее, достаточно точные описания увиденного Гершелем не дают повода просто так сбрасывать со счетов его наблюдения. При наблюдениях с Земли можно заметить, что иногда кольца Урана своей плоскостью повёрнуты в сторону наблюдателя. В 2007-2008 годах кольца были обращены к наблюдателю ребром
|
