宇宙之太阳系---天王星

( 科普2013-06-16 18:54:03)

18世纪末期，一个英国音乐师喜欢上了磨制望远镜，并一发而不可收。1781年3月的一天，他用自己磨制的望远镜巡天观察时，偶然发现了一颗星。起初，他以为是一颗慧星，后来根据它的运动，确定是颗行星。这个音乐师叫威廉-赫歇尔，那颗行星叫天王星。赫歇尔的发现使人类知道土星之外还有一个大行星。后来赫歇尔磨了数百架望远镜，改行做了天文学家。上图为“旅行者”2号于1986年1月25日距天王星1百万公里处拍摄的照片。
天王星是太阳系大行星之一，按离太阳由近及远的次序为第七颗。天王星的赤道半径约2万5千多公里。体积约为地球的65倍，在九大行星中仅次于木星和土星。相当于地球质量的14.63倍。密度较小，每立方厘米只有1.24克。因此，它虽然比海王星大，质量却只有海王星质量的85％。在太阳系九大行星中，它的质量仅次于木星、土星和海王星，占第四位。天王星有21个卫星，1977年，还发现天王星有光环。

天王星与太阳的平均距离约28亿7千万公里，绕太阳公转的平均速度为每秒6.81公里，公转一周需84年。估算它的自转周期约为17.24小时。天王星的赤道面与轨道面的倾角为97度多，也就是说它的自转轴几乎倒在它的轨道平面上。因此，它的四季、昼夜同地球上的大不相同。在一个半球的“夏”季，它的极点几乎直对着太阳，而另一个半球则完全处于黑暗的“冬”季之中。这里所说的“夏”季和“冬”季，仅仅是用来区别它受到阳光照射，还是背着阳光。天王星离太阳很远，表面的有效温度只有零下211℃。所以，即使在受到阳光照射的“夏”季，也是十分寒冷的。上述自转轴这种奇特的倾倒是太阳系起源学说中一个难以解决的问题。

天王星与地球的倾角对比

大行星的倾角示意图

天王星存在着浓密的大气。在望远镜中，天王星是一个蓝绿色的圆面。大气层连续不断地延伸到几千公里高空，最下层十分像是甲烷冰云，而上层成分则主要为氢和氦。用放在高空气球上的口径为90厘米的望远镜拍得的高分辨率照片表明，天王星表面除了很强的、对称的临边昏暗现象以外，没有其他形态特征。这说明天王星上到处都覆盖着厚厚的云层。科学家通过仪器观测，确认了氢和甲烷分子的存在。根据理论推断，天王星上应当存在有大量的氨分子和水分子，估计那里也可能有相当数量的氦和氖，然而至今均未找到。这可能有两个原因：一是这些元素的吸收带被很强的甲烷吸收带掩盖住了；二是天王星上很冷，它们可能是“雪化”的气体，存在于大气中较深的内层，光谱无法探测。氢分子是天王星大气的主要成分。根据理论推测，天王星上的氢气的质量大约是地球上所有气体的质量的50倍。与氢相比，甲烷是少的。天王星大气中存在着云层，通过光谱、光电、无线电测量对它的顶部云层进行了一些研究。初步认为，天王星具有一个温度较高的同温层和一个很冷的对流层顶。在对流层的下面，可能有两个云层：甲烷层和氨层，基于对临边昏暗现象的观测，证明后者的存在，而甲烷云层则是稀薄的或者破碎的。在这个寒冷的行星上，还没有发现它有内部的热源，在大气中也没有热的反向传输，而这些在木星、土星等行星上都找到了。天王星上的气候变化可能比地球上小得多。因为太阳离它很远，促使气候变化的能量是非常小的。旅行者二号发现天王昨表面有时会出现几片云，风速每小时300公里。由于天王星大气成份中的甲烷吸收红光，令天王星变成蓝绿色。因此，以可现光来看，天王星的风暴也是不易察觉的。

至今尚未建立起一个良好的天王星内部结构模型，足以完满地解释迄今所观测到的事实：半径、密度、扁率等等。有一种天王星结构模型认为：天王星的核心由1/2～1个地球质量的岩石物质组成，其中的铁化合物可能是磁场的基础。这个核心的温度大约是二三千度，科学家发现天王星同木星一样有射电爆发。产生射电爆发的机制，可能和天王星有一个强磁层有关。行星体内部存在一个实在的磁场，才能产生这个磁层。这一观测事实对认为天王星内存在着岩石和金属铁核心的模型是有利的。在天王星的核心以外，是一个很厚的冰幔──主要是水冰和氨冰。它一直伸展到2／3视半径的地方。冰幔的质量或许占总质量的50％左右。冰幔外面是分子氢层，再向外就是很厚的大气层。大气中的主要成分是氢和氦。大气层虽然延伸很远，却只有行星总质量的20％。天王星与巨行星──木星和土星不同，巨行星的主要成分是氢,占总质量的80～90％左右；天王星与类地行星也不同，类地行星的大气层的质量是微乎其微的，而天王星的大气层却是很厚的。有人认为天王星是一个气态行星，大气层由83%氢、15%氦及2%甲烷组成。天王星的核心由岩石组成，氨、水和甲烷的混合气体包围着核心。因此，天王星是我们所知，最平滑的行星。

天王星和海王星、冥王星在质量、密度、大气组成、内部结构方面都有相似之处,构成了另一群行星── 远日行星。它们既不同于巨行星──木星和土星，也不同于类地行星。是什么样的演化过程使得太阳系中从内到外形成了类地行星、类木行星以及介于类地行星和类木行星之间的远日行星？这是太阳系的起源和演化学说必须回答的问题，因此，关于天王星等远日行星的研究对解决太阳系的起源和演化问题是十分重要的。

1977年3月10日，发生了天王星掩恒星的罕见天象。美国和中国、澳大利亚、印度、南非都对这一天象进行了观测。结果意外地发现了天王星环。这是继1930年发现冥王星之后，太阳系内的又一重大发现。

天王星环非常暗弱，即使在大型望远镜中，也从未看到过和拍摄到过。可是，在这次掩星观测过程中，当天王星与恒星的星像相距甚微但尚未重合时，光电记录仪上却意外地记录到次级掩。科学家们综合分析了几个天文台的观测资料，肯定在天王星周围存在着由细小的微粒组成的环带。当时发现了五个环。对观测资料的进一步分析，以及随后对另两次天王星环掩星事件的观测及1986年美国旅行者2号探测器的发现，进一步确认，天王星有11条环。这11条环宽窄、密度不一，各窄环间还有一些宽的尘带。这些环中有3个是圆形的，其余是椭圆形。所有这些环主要由直径约1米的暗物质团块组成，其成分还不知道。科学家推测它们是岩石碎片、水冰以及某种黑色聚合物的混合体。这就是它们呈炭黑色且反光率低的原因。在环带之间的空隙充满了改建亮的尘粒。这些环的半径从3万多公里到5万多公里不等。环的宽度从一、二公里到2千多公里不等，厚度100米左右。离天王星中心越近的地方越狭窄。

下面看一组天王星图片：

哈勃太空望远镜使用近红外和分光技术得到的天王星图像。不同的颜色表明大气中的成分及其活动。这是假色图像，人们用肉眼是看不到这种情况的。

“旅行者”2号拍摄于1986年1月10日。由于天王星大气成份中的甲烷吸收红光，令天王星变成蓝绿色。

“旅行者”2号距离236000公里拍摄的天王星环局部。

“旅行者”2号于1986年1月21日发现了天王星的两颗新卫星，它们分别位于一条环的两侧。科学家们相信环是由一些碎块物质组成，所以形容这两颗卫星像牧羊犬。

天王星内部构造示意图

天王星的环

在天卫五上看天王星（模拟）
天王星卫星情况：

天王星至少有15颗卫星，有天文学家确定为21颗。其中天卫一到天卫五是五个主要的大卫星。天卫三和天卫四于1787年为威廉-赫歇耳所发现，天卫一和天卫二于1851年为拉塞尔所发现，而天卫五直至1948年才为柯伊伯所发现。天卫五、天卫一、天卫二、天卫三和天卫四同天王星中心的距离分别为130,000公里、192,000公里、267,000公里、438,000公里和586,000公里。天卫一、天卫二、天卫三、天卫四同内侧相邻卫星的距离比都在1.34～1.64之间，这表明它们同天王星的距离分布颇有规律性。天王星的5颗卫星都在接近圆形的轨道上绕天王星转动，轨道面和天王星赤道面的交角又很小，因此,它们都是规则卫星。5颗卫星的公转方向与天王星本身的自转方向相同，但是，它们的轨道面与天王星的公转轨道面的交角超过90°（约为98°），因此，它们都是逆行卫星。天卫五、天卫一、天卫二、天卫三和天卫四绕天王星的公转周期分别为1.414日、2.520日、4.144日、8.706日和 13.463日。在太阳系诸多卫星中,天王星卫星都是中等大小和中等质量的,它们的直径在300～1,000公里之间。除了五个大卫星外，天王星其他小卫星都很小，半径均不超过100公里，多数小于50公里，有的不足10公里。

天卫一距天王星中心190900公里，自转与公转周期均为2.52天。它的半径为578.9公里。平均密度1.665克/立方厘米。主要成分为50%水冰，30%岩石，20%碳、氮化合物。旅行者2号拍摄的照片表明，天卫一表面交叉遍布悬崖和类似峡谷的地貌。其中一些地方还部分地填布着可能是地质构造过程所生产的物质。证明表面曾有地质活动。还有几处，从深谷中散布冰态物质，像地球上的冰川水流那样穿过宽阔的平原。

天卫二是五个大卫星中最大的一个，距天王星266000公里。半径为584.7公里。平均密度1.400克/立方厘米。自转与公转周期均为4.144天。表面布满陨石坑，环形坑的直径大多为100至200公里。成分主要是水冰，混有冻甲烷的岩石。它是五大卫星中最暗的一个，可能是其轨道附近的暗物质所致。北极附近的亮纹是其主要特征。



天卫三距离天王星436300公里，自转与公转周期均为8.705天。是五个大卫星中第二大的。半径为788.9公里。平均密度1.715克/立方厘米。主要成分是水冰，并有少量冻甲烷和岩石。它的表面上有许多明亮的陨击坑、长的沟壑，还有一条长达1600公里左右的深断层。根据这些结构以及其他一些与之有关的特征，令人确信曾有构造过程发生。

天卫四是五个大卫星中最靠外围的一个。它距天五星的平均距离是583500公里，自转与公转周期均为13.46天。半径761.4公里。平均密度1.63克/立方厘米。成分中有水冰及小量的冻结甲烷的岩石。照片显示天卫四表面遍布陨石坑。在众多的亮陨击坑中，有少数几个被某种暗黑的溶岩物质淹没。







天卫五是五个大卫星中最靠近天王星也是最小的一颗。它的轨道是椭圆形的，与天王星的平均距离约为129900公里，自转与公转周期均为1.413天。半径为235.8公里。平均密度1.201克/立方厘米。大部分由冰组成，其中或许含有冰冻甲烷和石态物质的混合物。旅行者2号拍摄的照片表明，天卫五表面上为蜿蜒峡谷，并排沟槽、破缺山崖以及环形高地等地貌说明，在过去历史上曾有过大规模的板块活动。也有科学家认为天卫五的半径虽然只有235公里，但它的表面却如此复杂多变，有可能星体曾被击碎，然后再组合。而一个有20公里深的古老沟谷和其它较年轻的地表连接在一起就是证据。

 

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