地球的天王邻居——太阳系行星之“天王星”

十七、地球的天王邻居——太阳系行星之“天王星”

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从上一节的介绍中，我们了解了太阳系八大行星之一的“土星”，也就是我们地球的一个带着大“光环”的邻居。接下来，让我们一起了解下地球的另一个带着天王远邻——“天王星”吧……

天 王 星

一、天王星在太阳系中的地位与特征

天王星，英文名称Uranus，是太阳系“八大行星”中距离太阳由近至远的第七颗行星，土星最明显的特征是颜色为灰蓝色。它也是一颗巨型气体行星，以直径计算，天王星是太阳系第三大行星，但若以质量计算，则比海王星轻而排行第四。天王星的命名，是取自希腊神话的天神“乌拉诺斯”。这也是第一颗使用望远镜发现的行星。

这是当时发现天王星时的天文望远镜复制品。

天王星的体积约为地球的63倍，质量为地球的14.536倍。平均半径是地球的4倍左右。

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，阳光的强度只有地球的1/400。

天王星内部的自转周期是17 小时14 分24秒，和所有巨大行星一样，由于自转速度很快，其上部的大气层朝自转的方向可以看见移动得非常迅速的大气。

天王星的自转轴和太阳系其它的行星相比很特别，可以说是躺在轨道平面上的，其自转轴倾斜的角度为97.77°，接近98°，这使其季节变化不同于其它的行星。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而被辗压过去的球。

太阳系八大行星中自转最特殊的两位：金星和天王星

由于天王星特殊的自转，造成其极昼和极夜的时间长短差异巨大。当天王星一个极点指向太阳时，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；其余地区则是长昼或长夜，没有日夜交替。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。在接近昼夜平分点时，太阳正对着天王星的赤道，天王星的日夜交替才会和其它的行星相似。

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目前仍然未知。天王星异常的转轴倾斜，难道是后来形成的？目前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，造成其指向的歪斜。在1986年，旅行者2号飞掠时，天王星的南极几乎正对着太阳。

这是天王星的磁场，由旅行者2号在1986年观测到的磁极示意图。

天王星的磁场是奇特的，一是它不在行星的几何中心，再者相对于自转轴倾斜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。

这是旅行者2号于1986年拍摄的天王星南半球图像。左侧近似自然的颜色，右侧为更短的波长显示图像。

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%的氢气，15%的氦气，2%的甲烷气体，表面温度平均为零下215℃，使天王星成为太阳系温度最低的行星。这么寒冷是否有生命的存在，目前还未观测到。

天王星内部结构模拟图

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。

天王星表面也分布着一些亮云。由于它是一颗冰巨星，所以没有可供站立的固态的表面。

天王星有一个暗淡的行星环系统，由直径约十米的黑暗粒状物组成。它是继土星环之后，在太阳系内发现的第二个环系统。已知天王星环有13个圆环，其中最明亮的是ε环（Epsilon)，其它的环都非常黯淡。天王星的光环像木星的光环一样暗，但又像土星的光环那样有相当大的直径。

天王星的行星环系统

天王星环被认为是相当年轻的，在圆环周围的空隙和不透明部分的区别，暗示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。而最外面的第5个环的成分大部分是直径为几米到几十米的冰块。除此之外，天王星可能还存在着大量的窄环，宽度仅有50米，单环的环反射率非常低。

这是哈伯太空望远镜观测天王星的云带、环和一些卫星。

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、艾瑞尔、乌姆柏里厄尔、泰坦尼亚和欧贝隆。

天王星的五颗“名星”卫星，下图为旅行者2号拍摄的拼接图。

天王星卫星系统的质量是气体巨星中最少的。最大的卫星——泰坦尼亚，半径788.9 公里，还不到月球的一半，但是比土星第二大的卫星瑞亚Rhea稍大些。这些卫星的反照率相对也较低，乌姆柏里厄尔约为0.2，艾瑞尔约为0.35。这些卫星由冰和岩石组成，大约是50%的冰和50%的岩石，冰也许包含氨和二氧化碳。

在这些卫星中，艾瑞尔有着最年轻的表面，上面只有少许的陨石坑；乌姆柏里厄尔看起来是最老的。米兰达拥有深达20 公里的断层峡谷，梯田状的层次和混乱的变化，形成令人混淆的表面年龄和特征。有种假说认为米兰达在过去可能遭遇过巨型的撞击而被完全的分解，然后又偶然的重组起来。

天王星系统的卫星

以下是旅行者2号拍摄的天王星五大卫星：

米兰达

艾瑞尔

乌姆柏里厄尔

泰坦尼亚

欧贝隆

二、探测过程

在1986年，美国宇航局NASA的“旅行者2号”探测了天王星。这次的探测是唯一的一次近距离的探测。旅行者2号于1977年8月20日在肯尼迪航天中心成功发射升空。

旅行者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，并观察了天王星的星环系统。另外，它也研究了天王星的磁场，对最大的五颗卫星做了详细调查和拍照，研究了当时已知的九圈光环，也发现了两道新的光环。

好了，下一节，让我们看一下太阳系的最后一个行星“海王星”吧。

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注：文中部分图片源自网络，感谢！