天王星的物理性质概述

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天王星的物理性质概述

天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成,其组成主要元素为氢(83%),其次为氦(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分,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

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,他的密度是1.29公克/厘米³ 只比土星高一些。直径虽然与海王星相似(大约是地球的4倍),但质量较低。这些数值显示他主要由各种各样挥发性物质,例如水、氨和甲烷组成。天王星内部冰的总含量还不能精确的知道,根据选择的模型不同有不同的含量,但是总在地球质量的9.3 至13.5 倍之间。氢和氦在全体中只占很小的部分,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上是不明确的,大约扩展占有剩余20%的半径,但质量大约只有地球的0.5 倍。天王星核的密度大约是9 克/厘米³,在核和地函交界处的压力是8 百万巴和大约5,000 K的温度。冰的地函实际上并不是由一般意义上所谓的冰组成,而是由水、氨和其他挥发性物质组成的热且稠密的流体。这些流体有高导电性,有时被称为水–氨的海洋。天王星和海王星的大块结构与木星和土星相当的不同,冰的成分超越气体,因此有理由将她们分开另成一类为冰巨星。

上面所考虑的模型或多或少都是标准的,但不是唯一的,其他的模型也能满足观测的结果。例如,如果大量的氢和岩石混合在地函中,则冰的总量就会减少,并且相对的岩石和氢的总量就会提高;可利用的数据还不足以让我门确认哪一种模型才是正确的。天王星内部的流体结构意味着没有固体表面,气体的大气层是逐渐转变成内部的液体层内。但是,为便于扁球体的转动,在大气压力达到1巴之处被定义和考虑为行星的表面时,他的赤道和极的半径分别是25,559 ±4和24,973 ±20 公里。这样的表面将做为这篇文章中高度的零点。

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,他是低热流量。仍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)的部分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49 K,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,例如,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。

海洋

根据旅行者2号的探测结果,科学家推测天王星上可能有一个深度达10000公里、温度高达摄氏6650度,由水、硅、镁、含氮分子、碳氢化合物及离子化物质组成的液态海洋。由于天王星上巨大而沉重的大气压力,令分子紧靠在一起,使得这高温海洋未能沸腾及蒸发。反过来,正由于海洋的高温,恰好阻挡了高压的大气将海洋压成固态。海洋从天王星高温的内核(高达摄氏6650度)一直延伸到大气层的底部,覆盖整个天王星。必须强调的是,这种海洋与我们所理解的、地球上的海洋完全不同。然而,却有观点认为,天王星上不存在这个海洋。真相如何,恐怕只有待进一步的观测,或是寄望美国国家航空航天局(NASA)会落实初步构想中的新视野号2号计划,派出无人探测船再度拜访天王星。

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

天王星大气层的成分和天王星整体的成分不同,主要是氢分子和氦。氦的摩尔分数,这是每摩尔中所含有的氦原子数量,是0.15 ±0.03;在对流层的上层,相当于0.26 ±0.05质量百分比。这个数值很接近0.275 ±0.01的原恒星质量百分比。显示在气体的巨星中,氦在行星中是不稳定的。在天王星的大气层中,含量占第三位的是甲烷(CH4)。甲烷在可见和近红外的吸收带为天王星制造了明显的蓝绿或深蓝的颜色。在大气压力1.3帕的甲烷云顶之下,甲烷在大气层中的摩尔分数是2.3%,这个量大约是太阳的20至30倍。混合的比率在大气层的上层由于极端的低温,降低了饱合的水平并且造成多余的甲烷结冰。对低挥发性物质的丰富度,像是氨、水和硫化氢,在大气层深处的含量所知有限,但是大概也会高于太阳内的含量。除甲烷之外,在天王星的上层大气层中可以追踪到各种各样微量的碳氢化合物,被认为是太阳的紫外线辐射导致甲烷光解产生的。包括乙烷(C2H6),乙炔(C2H2),甲基乙炔(CH3C2H),联乙炔(C2HC2H)。光谱也揭露了水蒸汽的踪影,一氧化碳和二氧化碳在大气层的上层,但可能只是来自于彗星和其他外部天体的落尘。

对流层

对流层是大气层最低和密度最高的部分,温度随着高度增加而降低,温度从有名无实的底部大约320 K,?300 公里,降低至53 K,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 ±0.3 K。

对流层应该还有高度复杂的云系结构,水云被假设在大气压力50至100 帕,氨氢硫化物云在20至40 帕的压力范围内,氨或氢硫化物云在3和10 帕,最后是直接侦测到的甲烷云在1 至2 帕。对流层是大气层内动态非常充分的部分,展现出强风、明亮的云彩和季节性的变化,将会在下面讨论。

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53 K上升至增温层底的800至850 K。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,大气层的这种形式是甲烷的光解造成的。来自增温层的热也许也值得注意。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微帕至0.1微帕,温度在75K和170K之间。含量最多的碳氢化合物是乙炔和乙烷,相对于氢的混合比率是×10?7,与甲烷和一氧化碳在这个高度上的混合比率相似。更重的碳氢化合物、二氧化碳和水蒸气,在混合的比率上还要低三个数量级。乙烷和乙炔在平流层内温度和高度较低处与对流层顶倾向于凝聚而形成数层阴霾的云层,那些也可能被视为出天王星上的云带。然而,碳氢化合物集中在在天王星平流层阴霾之上的高度比其他类木行星的高度要低是值得注意的。

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850 K。仍不了解是何种热源支撑着如此的高温,虽然低效率的冷却作用和平流层上层的碳氢化合物也能贡献一些能源,但即使是太阳的远紫外线和超紫外线辐射,或是极光活动都不足以提供所需的能量。除此之外,氢分子和增温层与晕拥有大比例的自由氢原子,她们的低分子量和高温可以解释为何晕可以从行星扩展至50,000公里,天王星半径的俩倍远。这个延伸的晕是天王星的一个独特的特点。他的作用包括阻尼环绕天王星的小颗粒,导致一些天王星环中尘粒的耗损。天王星的增温层和平流层的上层对应着天王星的电离层。观测显示电离层占据2,000 至10,000 公里的高度。天王星电离层的密度比土星或海王星高,这可能肇因于碳氢化合物在平流层低处的集中。电离层是承受太阳紫外线辐射的主要区域,它的密度也依据太阳活动而改变。极光活动不如木星和土星的明显和重大。

磁场

在旅行者2号抵达之前,天王星的磁层从未被测量过,因此很自然的还保持着神秘。在1986年之前,因为天王星的自转轴就躺在黄道上,天文学家盼望能根据太阳风测量到天王星的磁场。

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。与地球的磁场比较,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。[84][85]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。

尽管有这样奇特的准线,天王星的磁层在其他方面与一般的行星相似:在他的前方,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,充分发展完整的磁尾和辐射带。综上所论,天王星的磁层结构不同于木星的,而比较像土星的。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,并且因为行星的自转被扭曲而斜向一侧,像是拔瓶塞的长螺旋杆。

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和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100,000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。

20世纪80年代,“旅行者2号”开始对天王星、海王星进行考察,使得人们有可能将这两个行星的磁场绘制成图。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,目前二者交角为11. 5°。其他许多行星,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他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°。科学家曾提出若干机制来解释这些异常的磁场,但都没有达成共识。

科学家曾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、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策处于运动状态,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,以至于它们有如此不同的磁场,这就不足为奇了。”

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