Исследования Урана.

Из-за огромной удаленности от Земли Уран чрезвычайно сложно изучать. Его максимальный угловой диаметр составляет всего 3,9". Если учесть, что до недавнего времени разрешение в 1" было очень хорошим показателем для большинства наземных телескопов, понятно, что увидеть какие-то детали на поверхности планеты, даже если бы они там были, практически невозможно. Уран имеет зелено-голубой цвет из-за сильного поглощения света в красной области спектра. Указанное поглощение связано с присутствием в атмосфере Урана небольшого количества метана. Иногда на маленьком диске планеты с помощью современных крупных телескопов неуверенно наблюдаются неясные неконтрастные полосы, а также отдельные вихри, но чаще всего никаких деталей обнаружить не удается.

Основной объем имеющихся данных был получен во время единственного пролета вблизи Урана космического аппарата «Вояджер-2» (США), который, совершив гравитационный маневр вблизи Юпитера, а затем Сатурна, был перенаправлен к Урану. Его максимальное сближение с Ураном состоялось 24 января 1986 г. Удалось провести съемки планеты и нескольких ее спутников. В обозримом будущем новые миссии к Урану не планируются.

Внутреннее строение и магнитное поле Урана.

Анализируя движение спутников планеты, можно, используя третий закон Ньютона, определить массу Урана. Это было сделано уже давно. Масса Урана составляет 86,625 • 1024 кг, что эквивалентно 14,5 массы Земли. Экваториальный диаметр планеты на уровне атмосферного давления в 1 бар равен 51 118 км, полярный диаметр несколько меньше — 50 540 км. Средняя плотность Урана оказалась лишь немногим больше плотности воды (1,29 г/см3).

Что касается внутреннего строения планеты, то оно окончательно не известно, поскольку одним и тем же данным могут соответствовать разные варианты структуры планеты. Основная модель, распространенная на сегодняшний день, предусматривает следующую структуру Урана.

Ядро занимает объем в пределах 0,2—0,3 радиуса планеты, масса ядра Урана составляет до 3,5 масс Земли. Температура в центре около 5000—7200 К (что ниже, чем в недрах Юпитера и Сатурна, но больше, чем в ядре Земли). Давление там достигает 8 млн бар (втрое меньше, чем в центре Сатурна), плотность — до 9 г/см3. Состав ядра — силикаты и металлы, а также так называемые льды. В космогонии и планетологии льдами принято называть широко распространенные в космосе соединения водорода, углерода, кислорода и азота (воду Н20, метан СН4 и аммиак NH3). Термин связан с тем, что на уровне верхней кромки облачного слоя в атмосферах планет-гигантов при низких давлениях и низких температурах эти соединения превращаются в лед — твердые кристаллики.

Над ядром располагается мантия из горячей плотной жидкости — смеси воды, метана и аммиака общей массой до 13,5 масс Земли. Мантия занимает пространство от 0,2—0,3 до 0,7—0,8 радиуса планеты, согласно разным вариантам моделей. В верхних слоях мантии льды находятся в газожидком состоянии. Мантия отличается высокой электропроводностью. Поскольку именно на ледяную в указанном выше смысле часть планеты приходится значительная часть массы Урана, его называют ледяным гигантом в отличие от газовых гигантов — Юпитера и Сатурна, состоящих преимущественно из водорода и гелия.

Наружный слои планеты — атмосфера — состоит в основном из водорода (около 85,7 %), гелия (около 12 %) и метана (2,3 %). Общая масса атмосферы не превышает одной массы Земли. На атмосферу, как и на ядро, приходится около 0,2 радиуса планеты. Условной внешней границей атмосферы, равно как и всей планеты, считается уровень, где давление равно 1 бар.

Над облаками Урана наблюдается дымка из кристалликов замерзшего метана. Кроме того, обнаружен в небольших концентрациях ацетилен, образующийся в результате разложения (фотолиза) метана под действием солнечного ультрафиолетового излучения.

В спектрах Урана отсутствуют признаки аммиака. В верхних слоях атмосферы он «выморожен» из-за крайне низких температур, которые здесь существенно ниже, чем над облаками Юпитера и Сатурна. На уровне давления около 0,1 бар (что выше верхней кромки облаков), температура оказалась равной 53 К (-220 °С). Уран, находясь в 19 раз дальше от Солнца, чем Земля, получает на единицу поверхности в 370 раз меньше солнечного тепла, а в сумме, с учетом огромной площади поверхности, в 140 раз меньше, чем наша планета.

Измерения потока излучения, исходящего от Урана, показали, что он излучает равно столько же, сколько получает от Солнца (находится в равновесном состоянии с притоком солнечного тепла). Эффективная температура Урана составляет всего 56—58 К. Это означает, что Уран не имеет собственных внутренних источников тепла, как Юпитер, Сатурн и (как будет сказано ниже) Нептун.

Основная модель, которая объясняет, почему Юпитер, Сатурн и Нептун излучают больше, чем получают от Солнца, уже рассматривалась выше и сводится к следующему. Считается, что в результате фазовых переходов водорода, находящегося в недрах планет под гигантским давлением, гелий становится нерастворимым в водороде. В результате он, будучи более тяжелым элементом, по сравнению с водородом, должен просачиваться к центру масс (ядру планеты), вытесняя более легкий компонент (водород). Этот процесс (гравитационная дифференциация), связанный с движениями в недрах планет-гигантов, должен, согласно расчетам, приводить к выделению большого количества тепла. Но если Юпитер вплоть до ядра состоит из водорода и гелия, то на Уране обоих газов существенно меньше, при этом они вытеснены в наружные слои более тяжелыми «льдами».

Еще одна примечательная деталь, касающаяся физики атмосферы Урана — равенство температур на экваторе и на полюсах. Отчасти это может быть связано с необычным наклоном оси вращения планеты, отчасти — со специфическими метеорологическими процессами в атмосфере. В частности, рассматривается гипотеза о влиянии большого количества водных паров, которые за счет баланса процессов конденсации и парообразования приводят к регулированию (выравниванию) температуры на разных широтах. Свой вклад должна вносить и активная циркуляция атмосферы.

Космический аппарат «Вояджер-2» обнаружил сложное (отличающееся от дипольного) магнитное поле Урана. На уровне видимой верхней кромки облаков индукция магнитного поля составляет примерно 0,23 Гс, что близко к соответствующему значению для Земли. Структура поля отличается от земного. С некоторым приближением его можно считать дипольным, если сместить ось магнитного диполя на 8000 км (1/3 радиуса) к северному полюсу от центра планеты и наклонить к оси вращения на 59°.

Специфическая структура магнитного поля Урана может быть объяснена большим содержанием воды и аммиака, которые становятся электропроводящими при меньших давлениях (дальше от центра планеты), чем металлические водород и гелий на Юпитере. Это означает, что свой вклад в формирование магнитного поля вносят слои, гораздо дальше удаленные от центра планеты, чем у Юпитера и Сатурна — вероятно, магнитное поле генерируется уже в газожидкой мантии, сравнительно недалеко от видимой поверхности.

Наличие своеобразного магнитного поля Урана приводит к гипотезе о высоком содержании в мантийных слоях водяного пара под большим давлением. Ранняя версия о существовании здесь не газожидкой мантии, а горячего водяного океана глубиной до 10 000 км, не подтверждается наблюдениями формы планеты. При наблюдаемых значениях сплюснутости и скорости вращения Урана идея о существовании жидкого океана выглядит невозможной: в этом случае из-за центробежных сил сплюснутость Урана была бы значительно большей. Поэтому теория, описывающая внутреннее строение Урана, предусматривает присутствие здесь большого количества водяных паров, но отсутствие водяного океана в жидком состоянии. На наличие большого количества воды (хотя бы и в парообразном состоянии) указывает также повышенная плотность планеты (по сравнению, например, с Сатурном).

Следует заметить, что спектральные наблюдения не показали непосредственного присутствия воды (водяного льда) на верхней кромке облаков.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >