星辰大海之旅（63）天王星（上）

地球和天王星大小的比較

天王星（Uranus）太陽系八大行星之一，是太陽系由內向外的第七顆行星（近日點距離、遠日點距離：18.37~20.08天文單位），其體積在太陽系中排名第三（比海王星大），質量排名第四（小於海王星），幾乎橫躺著圍繞太陽公轉。天王星大氣的主要成分是氫、氦和甲烷。據推測，內部可能含有豐富的重元素。地幔由甲烷和氨的冰組成，可能含有水。內核由冰和巖石組成。天王星是太陽系內大氣層最冷的行星，最低溫度隻有49K（-224℃）。

天王星內核

天王星內部結構

1781年3月13日，威廉·赫歇耳爵士宣佈他發現瞭天王星，這也是第一顆使用望遠鏡發現的行星。

天王星和海王星的內部和大氣構成和更巨大的氣態巨行星木星、土星不同。同樣的，天文學傢設立瞭冰巨星分類來安置它們。

威廉•赫歇爾2

一、基本信息

分類：行星、氣態行星、遠日行星、冰巨星。

直徑：51118 km。

面溫度：-224.15℃，−197.2℃。

星等：5.9～5.32。

衛星數：27顆。

表面重力：0.886 g；

軌道半徑：19.218天文單位。

大氣組成：氫 83±3%，氦He 15±3%，甲烷2.3%，重氫，氨，氨硫化氫。

二、物質構成——為什麼天王星被稱為冰巨星？

天王星主要是由巖石與各種成分不同的水冰物質所組成，其組成主要元素為氫（83%），其次為氦（15%）。天王星、海王星與大部分都是氣態氫組成的木星、土星不同，其性質比較接近木星、土星的地核部分，而沒有類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面（主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成）。

天王星的質量大約是地球的14.5倍，是類木行星中質量最小的，他的密度是1.29公克/厘米³，隻比土星高一些。直徑雖然與海王星相似（大約是地球的4倍），但質量較低。這些數值顯示他主要由各種各樣揮發性物質，例如水、氨和甲烷組成。

天王星內部冰的總含量還不能精確的知道，但是總在地球質量的9.3 至13.5倍之間。氫和氦在全體中隻占很小的部分，大約0.5至1.5地球質量。剩餘的質量（0.5至3.7地球質量）才是巖石物質。

天王星的標準模型結構包括三個層面：在中心是巖石的核，中間是冰的地函，最外面是氫/氦組成的外殼。相較之下，核非常的小，隻有0.55地球質量，半徑不到天王星的20%；地函則是個龐然大物，質量大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對上是不明確的，質量大約隻有地球的0.5倍。冰的地函實際上並不是由一般意義上所謂的冰組成，而是由水、氨和其他揮發性物質組成的熱且稠密的流體。這些流體有高導電性，有時被稱為水–氨的海洋。

天王星和海王星的大塊結構與木星和土星相當的不同，冰的成分超越氣體，因此有理由將她們分開另成一類為冰巨星。

天王星內部的流體結構意味著沒有固體表面，氣體的大氣層是逐漸轉變成內部的液體層內。

天王星大氣層的構成

三、內熱。

天王星的內熱比其他類木行星低，是低熱流量。仍不瞭解天王星內部的溫度為何會如此低。大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星，放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍，但天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星是太陽系溫度最低的行星，比海王星還要冷。

四、不一樣的海洋

據旅行者2號的探測結果，科學傢推測天王星上可能有一個深度達一萬公裡、溫度高達6650℃，由水、矽、鎂、含氮分子、碳氫化合物及離子化物質組成的液態海洋。由於天王星上巨大而沉重的大氣壓力，令分子緊靠在一起，使得這高溫海洋未能沸騰、蒸發。反過來，正由於海洋的高溫，恰好阻擋瞭高壓的大氣將海洋壓成固態。海洋從天王星高溫的內核（高達攝氏6650度）一直延伸到大氣層的底部，覆蓋整個天王星。必須強調的是，這種海洋與我們所理解的、地球上的海洋完全不同。然而，卻有觀點認為，天王星上不存在這個海洋。真相如何，恐怕隻有待進一步的觀測。

五、星體磁場

天王星的自轉軸躺在黃道上。天王星的磁場是奇特的，它不在行星的幾何中心，他相對於自轉軸傾斜59°。這導致一個非常不對稱的磁層。海王星有一個偏移和傾斜的磁場，因此有人認為這是冰巨星的共同特點。

天王星的磁層包含帶電粒子：質子和電子，還有少量的H2+離子，未曾偵測到重離子。在天王星的兩個磁極附近，有相對算是高度發達的極光，在磁極的附近形成明亮的弧。

地球磁場

大多數行星都有南極和北極兩極磁場。地球的磁極位於極地附近，與地球的南北極存在一個偏角，稱為磁偏角，二者交角為11.5°。其他許多行星，包括木星、土星和木星的衛星“伽裡米德”都與地球類似。比如木星的磁偏角是10°，與地球相近。然而海王星和天王星的磁場與其他行星的情況大相徑庭，它們的磁場有多個極，而且磁偏角很大，分別是47°和59°。

地球外核流體的運動產生瞭地磁場。任何運動著的帶電流體都能產生磁場。天王星、海王星產生磁場的循環層是它們的薄外殼，而不像地球那樣，是位於接近地球核心的外核。研究學者說，磁場是由行星中導電體的復雜流動運動產生的，這個過程被稱為“發電機效應”。這兩個行星似乎都存在導電性良好的流體，而且還受某種力量驅使而處於運動狀態，這也是產生‘發電機效應’的必要條件。由於天王星和海王星產生‘發電機效應’的部位與地球的不同，以至於它們有如此不同的磁場，這就不足為奇瞭。”

六、季節變化

2004年3月到5月，天王星大氣層裡出現很多大塊雲彩，類似海王星般的外觀。觀察到824公裡/時的風速和被稱為“7月4日煙火”的雷雨風暴。2006年8月23日，研究員觀察到天王星表面有一個大黑斑。這突如其來的活動暴漲的發生，呈現瞭天王星極度傾斜的自轉軸所帶來的季節性的氣候變化。要確認這種季節變化的本質，對天王星的觀察不少於84年，也就是一個完整的天王星年。

然而，有理由相信天王星物理性的季節變化也在發生。當南極區域變得明亮時，北極相對呈現黑暗。至點，天王星的一個半球沐浴在陽光之下，另一個半球則對向幽暗的深空。

與其他氣體巨星甚至是相似的海王星比較，天王星的大氣層非常平靜。在天王星記錄到的最低溫度是49 K，比海王星還要冷，使天王星成為太陽系溫度最低的行星。

天王星的大氣層可以分為三層：對流層，從高度300至50 公裡；平流層（同溫層），高度50至4000 公裡；增溫層，從4000公裡向上延伸至距離表面50000公裡處。沒有中氣層（散逸層）。

天王星大氣層的成分主要是氫分子和氦，含量占第三位的是甲烷（CH₄）。甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星制造瞭明顯的藍綠或深藍的顏色。在大氣層的上層由於極端的低溫，造成多餘的甲烷結冰。除甲烷之外，在天王星的上層大氣層中可以追蹤到各種各樣微量的碳氫化合物。

1、對流層

對流層是大氣層最低和密度最高的部分，溫度隨著高度增加而降低，溫度從有名無實的底部大約320 K，300公裡，降低至53K，高度50 公裡。在對流層頂實際的最低溫度在49至57K。對流層應該還有高度復雜的雲系結構。對流層是大氣層內動態非常充分的部分，展現出強風、明亮的雲彩和季節性的變化。

2、平流層

天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度逐漸增加，從對流層頂的53 K上升至增溫層底的800至850 K。平流層的加熱來自於甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射，大氣層的這種形式是甲烷的光解造成的。來自增溫層的熱也許也值得註意。

3、增溫層

天王星大氣層的最外層是增溫層或暈，有著均勻一致的溫度，大約在800至850 K。。這個延伸的暈是天王星的一個獨特的特點。極光活動不如木星和土星的明顯和重大。

4、帶狀結構、風和雲

1986年旅行者2號發現，可見的天王星南半球可以被分成兩個區域：明亮的極區和暗淡的赤道帶狀區，分界大約在緯度-45°的附近。一條跨越在-45°至-50°之間的狹窄帶狀物是能夠看見的最亮的大特征，被稱為南半球的“衣領”。靠近南極明亮，從南半球的”衣領”以北都是一樣的黑暗。天王星可以觀察到的緯度結構和木星與土星不同，他們展現出許多條狹窄但色彩豐富的帶狀結構。

除瞭大規模的帶狀結構，旅行者2號觀察到瞭10朵小塊的亮雲，多數都躺在“衣領”的北方。其他的區域在1986年都毫無生氣，但是在1990年觀測，亮雲彩特征的數量有著明顯的增長。

追蹤這些有特征的雲彩，可以測量出天王星對流層上方的風是如何在極區咆哮。在赤道的風是退行的，意味著他們吹的方向與自轉的方向相反，速度從100至50 米/杪。風速隨著遠離赤道的距離而增加，到緯度±20°靜止不動。再往極區移動，風向也轉成與行星自轉的方向一致，風速則持續增加，在緯度±60°處達到最大值，然後下降至極區減弱為0。在天王星北半球的風速是隨著緯度一度一度的在緩緩遞減。

七、星體運動

天王星每84個地球年環繞太陽公轉一周，與太陽的平均距離大約30億公裡，陽光的強度隻有地球的1/400。它的軌道在1783年首度被拉普拉斯計算出來，但出現誤差。在1841年約翰·柯西·亞當斯首先提出誤差也許可以歸結於一顆尚未被看見的行星的拉扯。在1845年，勒維耶開始獨立的進行天王星軌道的研究，在1846年9月23日迦雷在勒維耶預測位置的附近發現瞭一顆新行星，稍後被命名為海王星。

天王星的自轉周期是17 小時14 分，自轉方向是順時針、自東向西。和所有巨行星一樣，它上部的大氣層朝自轉的方向有非常強的風。實際上，在有些緯度，如從赤道到南極的2/3路徑上，可以看見移動得非常迅速的大氣，隻要14個小時就能完整的自轉一周。

自轉軸導致有趣的極夜和極晝：

天王星的自轉軸可以說是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達98°，這使他的季節變化完全不同於其他的行星。其它行星的自轉軸相對於太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉動則像傾倒而被輾壓過去的球。當天王星在至日前後時，一個極點會持續的指向太陽，另一個極點則背向太陽。隻有在赤道附近狹窄的區域內可以體會到迅速的日夜交替，但太陽的位置非常低，有如在地球的極區；其餘地區則是長晝或長夜，沒有日夜交替。運行到軌道的另一側時，換成軸的另一極指向太陽；每一個極都會有被太陽持續的照射42 年的極晝，而在另外42年則處於極夜。在接近晝夜平分點時，太陽正對著天王星的赤道，天王星的日夜交替會和其他行星相似。在2007年12月7日，天王星經過日夜平分點。粗略一點理解：如果以日出日落一天為單位來計算，那麼就是地球一年，天王星一天。

這種軸的指向帶來的一個結果是，在一年之中，天王星的極區得到來自於太陽的能量多於赤道，不過，天王星的赤道依然比極區熱。導致這種結果的機制仍然未知；天王星異常的轉軸傾斜原因也不知道。在1986年，旅行者2號飛掠時，天王星的南極幾乎正對著太陽。

【註釋】

（1）拉普拉斯：皮埃爾-西蒙·拉普拉斯侯爵（Pierre-Simon marquis de Laplace，1749年3月23日－1827年3月5日），法國著名的天文學傢和數學傢，天體力學的集大成者。