天王星

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天王星是从太阳系由内向外的第七颗行星,其体积在太阳系中排名第三(比海王星大),质量排名第四(比海王星轻)。 与在古代就为人们所知的五颗行星(水星、金星、火星、木星、土星)相比,天王星由于较为黯淡以及缓慢的绕行而未被认定为行星。 直到1781年3月13日,威廉·赫歇耳爵士宣布他发现了天王星,首度扩展了太阳系已知的界限,这也是第一颗使用望远镜发现的行星。 天王星和海王星的内部和大气构成不同于更巨大的气体巨星,木星和土星。同样的,天文学家设立了不同的冰巨星分类来安置她们。 天王星大气的主要成分是氢和氦,还包含较高比例的由水、氨、甲烷等结成的“冰”,与可以探测到的碳氢化合物。天王星是太阳系内大气层最冷的行星,最低温度只有49K(−224℃)。其外部的大气层具有复杂的云层结构,水在最低的云层内,而甲烷组成最高处的云层。 相比较而言,天王星的内部则是由冰和岩石所构成。

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中文名: 天王星 英文名: Uranus
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)
逃逸速度: 21.3KM/S 自转周期: 15.5小时
表面平均温度: 53摄氏度 组成物质: 氢分子 (H2) 、氦、甲烷、重氢化合物(HD) 、冰、氨、水、氨硫化氢(NH4SH) 、甲烷
发现者: 威廉·赫歇耳 最早发现时间: 1781年3月13日
轨道半长轴 : 2,876,679,082

目录

天王星 - 简介

天王星天王星

天王星是太阳系的九大行星之一,在太阳系中,它的体积位居第三。按离太阳由近及远的次序为第七颗,距太阳约29亿公里。天王星的赤道半径约25,900公里;天王星赤道直径51800公里,公转周期为84.01个地球年。它与太阳的平均距离为2.87亿公里,体积约为地球的65倍,在九大行星中仅次于木星土星

天王星大气的主要成分是氢和氦,还包含较高比例的由水、氨、甲烷等结成的“冰”,与可以探测到的碳氢化合物。天王星是太阳系内大气层最冷的行星,最低温度只有49K(−224℃)。其外部的大气层具有复杂的云层结构,水在最低的云层内,而甲烷组成最高处的云层。相比较而言,天王星的内部则是由冰和岩石所构成。

天王星的英文名称Uranus来自古希腊神话中的天空之神优拉纳斯(Οὐρανός),是克洛诺斯的父亲,宙斯的祖父。在西方文化中,天王星是太阳系中唯一以希腊神祇命名的行星,其他行星都依照罗马神祇命名。

天王星 - 发现

威廉·赫歇尔,天王星的发现者威廉·赫歇尔,天王星的发现者

英国天文学家威廉·赫歇耳(Frederick William Herschel),1781年3月13日夜晚在院子里与他的妹妹卡洛琳·赫歇耳(Caroline Lucretia herschel) 用自制的反射式望远镜观察星空时,偶然间在双子座发现了一颗与众不同的淡绿色的星星,他让妹妹卡洛琳将观察内容记录了下来,连续几天的跟踪观测使他认定,所发现的一定是太阳系的天体,可能是彗星。于是他把一篇题为《一颗彗星的报告》的论文递交给英国皇家学会

1783年,法国科学家拉普拉斯(Pierre Simon Laplace) 证认并公布了威廉·赫歇耳发现了太阳系的新行星。天文学家们计算出这颗星的轨道,位置是在土星的外侧,从此,太阳系内的第七颗行星---天王星就这样被发现了。新行星的发现轰动了整个欧洲,英国皇家学会授予威廉·赫歇耳以柯普莱勋章。至此,他的生活发生了重大的改变,由业余爱好天文的乐师变成了专业天文学家。他的一生为天文学的发展做出了杰出的贡献,其功绩名垂史册。

天王星 - 轨道和自转

天王星天王星

哈勃太空望远镜的天王星影像,可以看见云带、环和一些卫星。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,行星上阳光的强度只有地球的1/400。它的轨道参数在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。

天王星内部的自转周期是17小时又14分,但和所有巨行星一样,其上部的大气层朝自转的方向可以产生非常强的风。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,靠近南极地区的风速高达720公里/小时,只要14个小时就能完整的环绕行星一周。

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97.77°,这使它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滚动的球。当天王星在至点附近时,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,天王星经过了昼夜平分点。 

北半球 年 南半球
冬至 1902年,1986年 夏至
春分 1923年,2007年 秋分
夏至 1944年,2028年 冬至
秋分 1965年,2049年 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,航海家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。根据后者的座标系,1986年在阳光下的极则是北极。

可见性

从1995至2006年,天王星的视星等在+5.6至+5.9等之间,勉强在肉眼可见的+6.0等之上,它的角直径在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,像是天卫三天卫四,都有可能看见。

天王星 - 物理性质

天王星天王星

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(83%),其次为(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份,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。

内部结构

地球和天王星大小的比较。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,它的密度是1.29公克/厘米³ 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。这些数值显示它主要由各种各样挥发性物质。氢和氦在全体中只占很小的部份,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不明确,大约占有剩余20%的半径,但质量大约只有地球的0.5倍。

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,它是低热流量。还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)的部份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49K,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,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。

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 巴(100 千帕)之处为起点向下深入至300公里,相当于 100 巴( 10 百万帕)的大气压力和320K的温度。稀薄的晕从大气压力 1 巴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 巴至 0.1 巴;( 10 百万帕到 10 千帕)平流层(同温层),高度50至4000公里,大气压力 0.1 帕至10–10巴( 10 千帕到 10 µ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)。

成份(组织)

天王星的大气层中83%是氢,15%为氦,2%为甲烷以及少量的乙炔和碳氢化合物。上层大气层的甲烷吸收红光,使天王星呈现蓝绿色。大气在固定纬度集结成云层,类似于木星和土星在纬线上鲜艳的条状色带。

对流层

天王星大气层的对流层和平流层低层的温度曲线图,数层的云和也表示在图中。对流层是大气层最低和密度最高的部份,温度随着高度增加而降低,温度从有名无实的底部大约320K,−300公里,降低至53K,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±0.3K。

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53K上升至增温层底的800至850K。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,甲烷光解的结果形成这部分的大气层。热也来自增温层的传导。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 至 0.1 毫巴 (1000 到 10 千帕),温度在75K和170K之间。含量最多的碳氢化合物是乙炔乙烷、与甲烷,相对于氢的混合比率是×10−7。一氧化碳在这个高度上的混合比率相似。

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850K。

行星环

天王星环系统。天王星有个复杂的行星环系统,它是太阳系中继土星环之后发现第二个环系统。该环由大小毫米到几米的极端黑暗粒状物质组成。已知天王星环有13个圆环,其中最明亮的是ε环。所有天王星行星环除两个以外皆极度狭窄 – 通常只有几公里宽。天王星环大概还相当年轻;动力学分析指出它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。而来自这些撞击结果形成的众多碎片中,只有少数几片留存在对应到现今的环的有限数量稳定区域里。

磁场

航海家2号在1986年观察到的天王星磁场。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。相较之下,地球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。

天王星 - 气候

结构

带状结构、风和云

天王星
天王星

天王星带状风的速度。阴影区显示南半球的"衣领"区和在北半球的对照区。红色的曲线是对称且与数据吻合。在1986年,航海家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 巴的高度。航海家2号抵达时正值南半球盛夏,且观察不到北半球的部份。不过,从21世纪开始之际,北半球极区进入视野,哈柏太空望远镜和凯克望远镜观测北半球皆找不到“衣领”和极帽。故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。除了大规模的带状结构,航海家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。

然而,在1990年代的观测,拜高分辨率影像技术之赐,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。

在天王星观测到的第一个大暗斑。影像是哈柏太空望远镜的先进巡天照相机在2006年拍摄的。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。

季节变化

对天王星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。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。

温度

天王星是太阳系第七大行星,并是这个星系里的4颗气体行星之一。天王星有时会跟附近的海王星一样,被称作“冰巨星(Ice Giant)”。天王星是太阳系里最寒冷的一颗行星,最低温度可达零下371华氏度(零下224摄氏度)。[1]

天王星 - 形成

天王星天王星

科学家认为气体巨星和冰巨星在形成地时候就有差异存在。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。随着行星的成长,有些行星累积到足够的质量,能够凝聚星云中残余的气体。聚集越多的气体,使他们变得越大;他们变得越大,就越能聚集气体,直到达到一个关键的点,使他们开始以指数的增长。

冰巨星所有的星云气体只有几个地球的质量大小,未能达到这个临界点。太阳系形成理论在计算远离木星土星的天王星和海王星上遭遇了困难。他们块头过大,以至于无法在那个距离上取得足够的材料来形成。

相反的,某些科学家认为这两颗行星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,近来越来越多将行星漂移计算在内的摹拟,似乎已能在他们现存的位置上形成天王星和海王星。

天王星 - 卫星

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”(天卫五)、“艾瑞尔”(天卫一)、“乌姆柏里厄尔”(天卫二)、“泰坦尼亚”(天卫三)和“欧贝隆”(天卫四)。
第一颗和第二颗(天卫三和天卫四)是威廉·赫歇耳在1787年3月13日发现的,另外两颗天卫一和天卫二是在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天卫五。

天王星 - 探测

在1986年,NASA的航海家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。航海家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。

航海家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。

相关文献

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参考资料:
[1]^引用日期:2009-12-25
扩展阅读:
1搜狐:太阳系中的第三大行星——天王星 2005年8月11日
2网易:九大行星:天王星 2006年8月24日
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