天王星及其矿产资源探索研究（4）
胡经国
（续前）
4、天王星的大气带状结构、云和风
⑴、大气带状结构
在1986年1月24日，“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。这两个区的分界大约在纬度-45°的附近。一条跨越在-45°～-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，被称为天王星南半球的“衣领”。其极冠和“衣领”被认为是甲烷云密集的区域，位置在大气压力为1.3～2 帕的高度。很不幸的是，“旅行者2号”抵达时正是盛夏，而且观察不到天王星北半球的部分。不过，从21世纪开始，南半球的“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，它们展现出许多条狭窄但是色彩丰富的“带状结构”。
⑵、云彩
除了大规模的“带状结构”以外，“旅行者2号”观察到了10朵小块的亮云，其中多数都“躺”在“衣领”的北方数度。在1986年看到的天王星，在其它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加，它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，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，天王星两个半球的云彩是有区别的。北半球的云彩比较小、较尖锐和较明亮。它们看上去都“躺”在较高的高度，直到2004年南极区使用2.2μm观测之前这些都是事实。这是对甲烷吸收带敏感的波段；北半球的云彩都是用这种光谱的波段来观测的。云彩的生命期有极大的差异；一些小的云彩的生命期只有4小时。而在南半球至少有一个云彩在“旅行者2号”飞掠过后仍然一直存在着。
最近的观察也发现，虽然天王星的大气较为平静，但是天王星的云彩有许多特征与海王星相同。不过，有一种特殊的影像，即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。
⑶、风向风速
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的。在天王星赤道的风是退行的，这意味着风吹的方向与行星自转方向相反。其风速为100～50 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方向一致；而风速则持续增加，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，风速为150～200 米/杪。由于“衣领”盖过了所有平行的云彩，因而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地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°～±40°的纬度上。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”依然是一无所知的。
5、天王星季节变化
2004年3-5月这一短暂期间，很多片大块云彩出现天王星大气层里，这让天王星具有类似海王星一般的外观。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的“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可用的观察数据仍然少于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的数据（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，其光度最大值出现在“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，最大值也出现在“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，北极区域相对呈现黑暗，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，天王星亮度急剧提升，显示天王星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”的附近不是完全对称的，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，哈勃太空望远镜和基地的望远镜显示，天王星南极冠出现可以察觉的变暗（除了南半球的“衣领”以外，它依然明亮）。同时，天王星北半球的活动也被证实增强了，例如云彩的形成和更强的风，这支持期望的亮度增加应该很快就会开始。
在“至点”，天王星的一个半球沐浴在阳光之下，而另一个半球则面向幽暗的深空。受光半球的明亮，曾经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。在南半球极区的其它变化，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由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度发生。
五、天王星磁场
在“旅行者2号”抵达之前，天王星的磁层从未被测量过。在1986年前，由于天王星的自转轴就“躺”在黄道上，因而天文学家盼望，能根据太阳风测量到天王星的磁场。
1、奇特的磁场
“航海家”的观测显示，天王星的磁场是奇特的：一是它不在行星的几何中心；二是它相对于自转轴倾斜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。这种异常的几何关系导致一个非常不对称的磁层。在天王星南半球的表面，磁场的强度低于0.1高斯；而在北半球的强度则高达1.1 高斯；在其表面的平均强度为0.23 高斯。与地球的磁场相比较，天王星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。
2、磁层结构
由于海王星也有一个相似的偏移和倾斜的磁场，因而有人认为，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”的磁场是由其内部核心引发的。“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”，但是天王星的磁层在其它方面与一般的行星相似：在它的前方，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，有充分发展完整的磁尾和辐射带。综上所述，天王星的“磁层结构”不同于木星的磁层结构，而比较像土星的磁层结构。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，由于行星的自转被扭曲而斜向一侧，因而好像是“拔瓶塞的长螺旋杆”。
3、磁层带电粒子与极光
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4～1.2百万电子伏特。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。
4、磁场异常及其解释
20世纪80年代，“旅行者2号”开始对天王星、海王星进行探测，使得人们有可能将这两个行星的磁场绘制成图。其结果是出人意料的。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°。其它许多行星，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它行星的情况“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°。科学家曾经提出若干机制来解释这些异常的磁场，但是都没有达成共识。
科学家曾经猜想，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，美国哈佛大学的萨宾－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”是天王星和海王星的“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，这种“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”的复杂流动运动所产生的，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，但是实际上，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动而处于运动状态，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，以至于它们具有如此不同的磁场，这就不足为奇了。”
（未完待续）
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