Уран (планета)

Уран

Уран — седьмая планета Солнечной системы по удалённости от Солнца. Имеет третий по величине планетарный радиус и четвертую по величине планетарную массу в Солнечной системе. Первая планета, открытая с помощью телескопа.

Уран и Нептун имеют схожее строение и химический состав, отличающийся от строения крупных газовых гигантов Сатурна и Юпитера. По этой причине учёные часто относят их к другому классу, называемому «ледяные гиганты». Атмосфера Урана похожа на Юпитер и Сатурн по своему первичному составу — в основном водород и гелий, но содержит больше воды, аммиака и метана, а также следы других углеводородов. Это самая холодная планетарная атмосфера в Солнечной системе с минимальной температурой 49 К (-224 ° C) . Планета имеет сложную слоистую структуру облаков, состоящую в основном из воды в самых нижних облаках и метана в самом верхнем слое облаков. Внутренняя часть Урана состоит в основном из льда и камня.

Уран — наименее массивная из планет-гигантов Солнечной системы, он тяжелее Земли в 14,5 раза, превосходя её по размерам примерно в 4 раза. Плотность Урана, равная 1,27 г/см³, ставит его на второе после Сатурна место среди наименее плотных планет Солнечной системы. Средняя удалённость планеты от Солнца составляет 19,1914 а. е. (2,8 млрд км). Период полного обращения Урана вокруг Солнца составляет 84 земных года.

Как и другие планеты-гиганты, Уран имеет систему колец, магнитосферу и 27 спутников. Система имеет уникальную конфигурацию, поскольку её ось вращения наклонена вбок, почти в плоскости её солнечной орбиты. Следовательно, северный и южный полюса Урана лежат там, где у большинства других планет находится экватор. Скорость ветра на уране может достигать 250 м/с (900 км/ч).

Название планеты происходит от фигуры в древнегреческой мифологии, латинизированной версии греческого бога неба Урана (Ουρανός).

Физические характеристики

Существует множество аргументов в пользу того, что различия между ледяными и газовыми гигантами возникли на раннем этапе формирования Солнечной системы. Считается, что Солнечная система образовалась из гигантского вращающегося облака газа и пыли, известного как Протосолнечная туманность (или просто Солнечная туманность). Облако постепенно сгущалось и образовало в центре солнечный диск. Большая часть водорода и гелия в облаке приняла участие в формировании Солнца. Частицы пыли начали слипаться, образуя протопланеты. По мере роста планет некоторые из них образовали достаточно сильное гравитационное поле и сконцентрировали вокруг себя оставшийся газ. Они продолжали собирать газ, пока не достигли экспоненциального предела. При этом ледяным гигантам удалось собрать значительно меньше газа чем газовым гигантам — всего в несколько раз больше массы Земли. Таким образом, их масса не достигла этого предела. При современных теориях образования Солнечной системы возникают некоторые трудности в объяснении образования Урана и Нептуна. Эти планеты достаточно велики для своего расстояния от Солнца. Возможно, что раньше они были к нему ближе, а потом изменили свои орбиты. С другой стороны, последние методы планетарного моделирования показывают, что Уран и Нептун действительно могли образоваться в их нынешнем местоположении, и, таким образом, их реальные размеры согласно этим математическим моделям не являются препятствием для теории происхождения Солнечной системы.

Масса Урана примерно в 14,5 раз больше массы Земли, что делает его самой маленькой из планет-гигантов. Его диаметр немного больше, чем у Нептуна, примерно в четыре раза больше, чем у Земли. Уран — вторая по плотности планета Солнечной сиситемы после Сатурна. Это значение указывает на то, что он состоит в основном из различных льдов, таких как замороженная вода, аммиак и метан. Общая масса льда внутри Урана точно неизвестна, поскольку в зависимости от выбранной модели появляются разные цифры, но она должна составлять от 9,3 до 13,5 массы Земли.

Водород и гелий составляют лишь небольшую часть от общего количества (в отличие от Юпитера и Сатурна, которые состоят в основном из двух последних элементов). Остальная неледяная масса приходится на скальный материал. Считается, что Уран не имеет локализованного каменного ядра, как Юпитер и Сатурн, и его структура довольно однородна.

Сине-зеленый цвет планеты обусловлен метаном в её атмосфере, который поглощает красный свет. Стандартная модель строения Урана говорит о том, что он состоит из трех слоёв: каменного (силикатного/железо-никелевого) ядра в центре, ледяной мантии посередине и внешней оболочки из газообразного водорода/гелия. Ядро относительно небольшое, с массой всего 0,55 массы Земли и радиусом менее 20 % радиуса Урана. Мантия составляет большую часть его массы, около 13,4 массы Земли, а верхняя атмосфера относительно незначительна, весит около 0,5 массы Земли и простирается на 20 % радиуса Урана. На самом деле ледяная мантия состоит не из льда в общепринятом понимании, а из горячей и густой жидкости, состоящей из воды, аммиака и других летучих веществ. Эту жидкость, обладающую высокой электропроводностью, иногда называют гидроаммиачным океаном. Жидкая внутренняя структура Урана означает, что у него нет твердой поверхности. Газообразная атмосфера постепенно переходит во внутренние жидкие слои.

Одной из наиболее характерных особенностей Урана является наклон его оси вращения почти на 100 градусов. В результате на определённых участках своей орбиты один из полюсов обращен прямо к Солнцу, а другой остается в постоянной тени. В остальное время Солнце восходит и заходит нормально, а сутки здесь длятся 42 года.

Во время посещения планеты «Вояджером-2» в 1986 году южный полюс Урана был направлен почти прямо на Солнце. Определение того, какой из полюсов планеты является южным, а какой северным, является предметом споров в научных кругах. Уран может быть охарактеризован либо как имеющий наклон оси чуть меньше 90° и вращающийся ретроградно (против часовой стрелки), либо как имеющий наклон оси немного больше 90° и вращающийся по часовой стрелке. Оба определения эквивалентны и одинаково верны, но порождают разные определения северного и южного полюсов Урана. В результате необычной ориентации по сравнению с другими планетами полюса планеты получают больше солнечной энергии, чем при умеренных наклонах оси вращения. Тем не менее температура на экваторе Урана выше, чем на полюсах, из-за неизвестного механизма перераспределения тепла, то ли из недр планеты, то ли от Солнца. Предполагается, что причиной большого наклона оси вращения является столкновение с большой протопланетой вскоре после образования Урана. Ещё одним следствием наклона оси является ярко выраженная сезонность Урана. Во время визита «Вояджера-2», когда Солнце сияло на полюсе планеты, облачные пояса в атмосфере были чрезвычайно тонкими и бледными. Однако недавние наблюдения Хаббла выявили более обширные и отчетливые пояса, которые, как полагают, вызваны тем, что Солнце сияет почти прямо на экваторе.

Атмосфера Урана состоит в основном из водорода и гелия. На глубине он значительно обогащен летучими веществами (так называемыми «льдами»), такими как вода, аммиак и метан. Однако для верхних слоев атмосферы ситуация противоположна, из-за своей низкой температуры она содержат очень мало газов тяжелее водорода и гелия. Атмосфера Урана — самая холодная из всех планет Солнечной системы, её температура достигает 49 К. Атмосферу Урана можно разделить на три основных слоя: тропосфера между высотами от −300 до 50 км и давлением от 100 до 0,1 бар; стратосфера, охватывающая высоты от 50 до 4000 км и давление от 0,1 до 10-10 бар; и горячая термосфера (и экзосфера), простирающаяся от высоты 4000 км до нескольких урановых радиусов от номинальной поверхности при давлении 1 бар. В отличие от атмосферы Земли, атмосфера Урана не имеет мезосферы. Тропосфера состоит из четырёх видов облаков: облака метана при давлении около 1,2 бар, облака сероводорода и аммиака при давлении 3-10 бар, облака гидросульфида аммония при давлении 20-40 бар и, наконец, облака ниже 50 бар. Непосредственно наблюдались только два верхних слоя облаков — более глубокие облака визуально не разу не наблюдались. Отдельные яркие тропосферные облака для Урана редки, вероятно, из-за медленной конвекции в недрах планеты. Однако наблюдения за такими облаками использовались для измерения зональных ветров планеты, которые очень быстры со скоростью до 240 м/с. Об атмосфере Урана известно немного, так как только один космический аппарат «Вояджер-2», прошедший мимо планеты в 1986 году, получил связанные с ней данные.

До «Вояджера-2» специализированные измерения урановой магнитосферы не проводились, поэтому её природа остается загадкой. Наблюдения «Вояджера» показали, что магнитное поле Урана своеобразно, поскольку оно не совпадает с геометрическим центром планеты и наклонено под углом 59° к оси вращения. На самом деле магнитный диполь смещен от центра Урана к южному полюсу вращения на треть планетарного радиуса. Эта необычная геометрия приводит к сильно асимметричной магнитосфере, где напряженность поверхностного магнитного поля в южном полушарии может быть очень низкой (10 мкТл), а в северном полушарии она может достигать 110 мкТл. Среднее поверхностное поле составляет 23 мкТл. Для сравнения, магнитное поле Земли примерно одинаково сильно на обоих полюсах, а её магнитный экватор примерно параллелен её географическому экватору.

Дипольный момент Урана в 50 раз больше, чем у Земли. Нептун имеет такое же смещенное и наклоненное магнитное поле, что позволяет предположить, что это может быть общей чертой ледяных гигантов. Одна из гипотез состоит в том, что, в отличие от магнитных полей земных и газовых гигантов, которые генерируются в их ядрах, магнитные поля ледяных гигантов генерируются движением на относительно небольших глубинах, например, в водно-аммиачном океане. Другое возможное объяснение устройства магнитосферы состоит в том, что внутри Урана есть океаны жидкого алмаза, которые отклоняют магнитное поле. Несмотря на странное расположение, в других отношениях магнитосфера Урана похожа на магнитосферу других планет: она имеет главную ударную волну примерно на 23 урановых радиуса впереди себя, магнитопаузу на 18 урановых радиусах, полностью развитый магнитный хвост и радиационные пояса. В целом структура магнитосферы Урана отличается от структуры Юпитера и больше похожа на структуру Сатурна. Магнитный хвост планеты скручивается, превращаясь в спираль, похожую на штопор. Магнитосфера Урана содержит заряженные частицы: в основном протоны и электроны, с небольшим количеством ионов H2+. Более тяжелые ионы не обнаружены. Многие из этих частиц, вероятно, происходят из термосферы. Энергии ионов и электронов могут достигать 4 и 1,2 мегаэлектронвольт соответственно. Спутники Урана, проходящие через магнитосферу, оставляют заметные пробелы. Поток частиц достаточно высок, чтобы вызвать потемнение или космическое выветривание их поверхностей в течение астрономически быстрого периода в 100 000 лет. Это может объяснить однородную темную окраску спутников и колец Урана.

Спутники

В системе Урана на март 2023 года обнаружено 27 естественных спутников. Их имена выбраны из имен персонажей произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. Есть 5 основных и крупнейших спутников. Это Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон. Спутниковая система Урана является наименее массивной из спутниковых систем газовых гигантов. Даже совокупная масса этих пяти спутников составляет менее половины массы спутника Нептуна Тритона. Самый большой спутник Урана, Титания, имеет радиус всего 788,9 км, что меньше половины радиуса Луны, но больше, чем радиус второго по величине спутника Сатурна, Реи.

Спутники Урана состоят из льда и камня в соотношении примерно 50:50, причем лёд может содержать аммиак и углекислый газ. Из лун у Ариэля самая молодая поверхность и меньше всего кратеров. Судя по размерам кратеров, поверхность Умбриэля, вероятно, самая старая. В Миранде есть каньоны, террасы и хаотичные ландшафты глубиной до 20 километров. Одна из теорий объясняет это тем, что Миранда столкнулась с тем или иным небесным телом, развалилась, а затем снова «собралась» вместе из-за действия гравитации.

История изучения

Уран был первой планетой, открытой современной наукой. При этом по ходу человеческой истории Уран наблюдали много раз, прежде чем он был признан планетой, большинство астрономов обычно классифицировали его как звезду. Вероятно, самое раннее известное наблюдение принадлежит Гиппарху, который в 128 г. до н. э. записал его как звезду.

Французский астроном Пьер Шарль Лемонье наблюдал Уран не менее двенадцати раз между 1750 и 1769 годами, в том числе четыре ночи подряд. Уильям Гершель открыл планету 13 марта 1781 года из своего дома в Бате, при этом думая, что это комета. Хотя Гершель продолжал описывать свой новый объект как комету, другие астрономы начали подозревать, что это другое небесное тело. Астроном Андрей Иванович Лексель, работавший в России, первым рассчитал орбиту нового объекта. Почти круговая орбита Урана привела его к выводу, что это планета, а не комета. Иоганн Элерт Боде описал открытие Гершеля как ранее неизвестную планету, вращающуюся за пределами орбиты Сатурна. Вскоре объект был признан планетой.

«Вояджер-2» — единственный космический корабль, приблизившийся к планете. Спустя более восьми лет после запуска в 1977 году «Вояджер» максимально приблизился к Урану 24 января 1986 года по пути к Нептуну. Он находится в 81 500 км от облаков газового гиганта. аппарат изучил состав атмосферы планеты, открыл 10 новых спутников и изучил уникальную погоду Урана, вызванную наклоном оси — 97,77°. «Вояджер-2» детально исследовал пять крупнейших спутников Урана и девять известных колец, а также обнаружил два новых кольца.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!