Продолжим изучать загадки планет нашей Солнечной системы. В первых двух частях мы уже рассмотрели удивительные особенности планет от Меркурия до Сатурна, пока исключая нашу родную планету - планету Земля.
Сегодня мы рассмотрим парадоксы следующей за Сатурном планеты - Урана.
В когорте планет Солнечной системы Уран - седьмая планета по удалённости от Солнца, третье место занимает по диаметру и четвёртое - по массе.
Назван в честь греческого бога неба Урана. У древних греков Уран олицетворял небо, управлял погодой, временами года и циклами дня и ночи, был супругом богини Геи (Земли).
Открыл Уран английский астроном Уильям Гершель, используя телескоп своей собственной конструкции. Событие это произошло 13 марта 1781 года. Изначально он определил его как комету, причём странную - без хвоста, отсутствие которого астроном объяснил её движением к Земле. Но дальнейшие наблюдение за небесным объектом показало, что он ошибся - это была планета, которая ранее была не известна. Уран стал первой планетой, обнаруженной при помощи телескопа.
Какие попытки узнать более подробно о далёком Уране были предприняты в наше время?
- Окрестности планеты на пролётной орбите посетил только один космический аппарат - «Вояджер-2».
24 января 1986 года «Вояджер-2» максимально приблизился к Урану, пролетев на расстоянии 81,5 тыс. км. Аппарат передал на Землю тысячи снимков Урана, его спутников и колец. Благодаря фотографиям учёные обнаружили два новых кольца и исследовали девять уже известных. Кроме этого, были обнаружены новые спутники Урана.
"Вояджер-2" также исследовал структуру и состав атмосферы планеты, магнитное поле и строения магнитосферы. Аппарат произвёл уточнение размеров Урана. Диаметр планеты (по уровню облачного слоя) оказался равным 51,2 тысячи километров.
Интересны снимки спутников Урана, полученные от "Вояджера-2". Для учёных луна Миранда оказалась одним из самых странных небесных тел, когда-либо виденных в Солнечной системе. На её поверхности видны огромные овальные структуры, называемые коронами.
- Исследования Урана телескопом "Хаблл"
Телескоп "Хаблл" вёл наблюдения за планетой 4 раза: в 2002, 2012, 2015 и 2022 годах. Изучались сложные атмосферные процессы, распределение метана на поверхности планеты и зависимость плотности аэрозольного слоя от интенсивности солнечного света.
- Миссия "New Horizons"
В 2024 году "Хаббл" и "New Horizons" провели совместное наблюдение за Ураном. New Horizons - американская автоматическая межпланетная станция (АМС), запущенная в рамках программы НАСА для изучения Плутона. Цель наблюдения: сравнить изображения Урана с разных точек обзора, в которых находились телескоп и АМС.
***
О строении Урана есть несколько версий. Есть так называемая "ледяная" модель, но есть и "каменная" модель. Так что само строение Урана уже представляет загадку.
Ледяная модель является стандартной, ей пока отдаётся большее предпочтение. Исходя из этой модели, в центре планеты - каменное ядро. Оно относительно небольшое, с массой приблизительно от 0,55 до 3,7 земных масс и радиусом в 20% от радиуса всей планеты.
Следующий слой - ледяная мантия. Она состоит не из льда в общепринятом смысле, а из горячей и плотной жидкости в виде смеси воды, аммиака и других летучих веществ. Эту вязкую жидкость иногда называют водно-аммиачным океаном.
Внешний слой - газообразная водородно-гелиевая оболочка. Весит около 0,5 массы Земли и простирается на последние 20% радиуса Урана.
Ледяная мантия занимает 60% от общего радиуса планеты.
Газ атмосферы плавно переходит в жидкость, и где проходит граница между мантией и атмосферой установить точно нельзя. Поэтому за поверхность считают точку, где давление равно 1 бару. Всё, что выше, считается атмосферой.
Исходя из "каменной" модели, Уран - огромная каменная планета, окружённая плотной атмосферой.
Новые данные, касающиеся магнитного поля Урана, полученные благодаря "Вояджеру-2", поставили перед учёными первую серьезную загадку: магнитное поле этой планеты оказалось совершенно не такими, как ожидалось. Именно разгадка этой тайны планеты выдвинула ещё одну модель строения планеты.
Вместо мощного, упорядоченного дипольного поля, как у Земли или Юпитера, «Вояджер» обнаружил у Урана слабые, хаотичные магнитные поля. По существующему предположению, металлическое ядро планет, разогретое за счет гравитационного сжатия и внутренней динамики, должно было генерировать сильное магнитное поле за счёт конвекции - движения расплавленного вещества.
Такого сильного магнитного поля у Урана нет. Это предположительно может быть в том случае, если существует некий механизм, препятствующий формированию конвективной зоны. Была выдвинута гипотеза, что слои вещества в недрах Урана ведут себя подобно несмешивающимся жидкостям, таким как вода и масло.
С развитием компьютерного моделирования появилась возможность просчитать поведение сотен молекул при высоких давлениях и температурах.
"Недавнее исследование, основанное на моделировании поведения более 500 молекул различных веществ, показало, что вода, метан и аммиак, составляющие значительную часть массы Урана... действительно могут разделяться на два несмешивающихся слоя. Ключевую роль в этом процессе играет водород, который под воздействием высокого давления вытесняется из глубинных слоев, нарушая конвекцию." (https://www.ixbt.com/live/science/uran-i-neptun-sloistyy-pirog-iz-vody-metana-i-ammiaka-chto-vnutri-ledyanyh-gigantov.html)
Исходя из этого вывода появилась ещё одна модель строения Урана: каменистое ядро и слоистая мантия.
Согласно этой модели, Уран обладает относительно небольшим каменистым ядром размером с Меркурий. Над ядром располагаются слои несмешивающихся жидкостей (воды, метана и аммиака), которые разделены слоем сжатого водорода. Именно отсутствием конвекции в этих слоях и объясняется слабость и хаотичность магнитных полей Урана.
Эта модель не только разъясняет магнитные аномалии, но и дает новое понимание процессов, происходящих в недрах таких планет-гигантов, как Уран и Нептун. Конечно, эта модель, как и другие, нуждается в экспериментальной проверке. Поэтому так важно продолжить изучение Урана и организовать новые космические миссии к его поверхности.
Ещё одна загадка Урана заключается в наклоне его оси и зависящего от него характере движения планеты вокруг Солнца.
Есть ещё одна гипотеза такого наклона: ось вращения планеты за миллионы лет раскачал некий крупный спутник, который был впоследствии утерян. Такой "крутой" наклон оси есть только у Урана. Если все остальные планеты в нашей системе больше похожи на вращающиеся волчки, то Уран напоминает катящийся шар.
Такое перемещение по орбите имеет свои последствия, например, для особенностей магнитного поля Урана. Исследование Технологического института штата Джорджии показывает, что магнитное поле Урана вращается вместе с планетой. Получается, что оно буквально меняет свои полюса каждый день. Отсюда и проистекает та хаотичность магнитного поля, которая была отмечена ещё "Вояджером-2". Исследования показали, что "...магнитосфера Урана наклонена под углом 60 градусов к оси вращения планеты, и поэтому иногда она «открыта», а иногда «закрыта»". (https://www.techinsider.ru/science/371852-uran-samaya-strannaya-planeta-solnechnoy-sistemy/)
Уран вращается вокруг своей оси по часовой стрелке, а вокруг Солнца вращается в направлении, противоположном направлению движения по орбите и направлению вращения других планет Солнечной системы (кроме Венеры).
Уран имеет кольца. Его кольца не могут быть из чистого водяного льда, как кольца Сатурна, потому что они слишком тёмные.
Предполагают, что тёмный цвет колец зависит от органических соединений, которые темнеют под воздействием излучения заряженных частиц из магнитосферы Урана. Большинство колец непрозрачны, их ширина не превышает нескольких километров. В основном они состоят из крупных тел диаметром от 20 см до 20 м. Считается, что кольца Урана - довольно молодые образования.
На данный момент известны 13 колец. Между основными кольцами могут существовать слабо различимые пылевые скопления - они могут быть в виде кольцевых полос и незамкнутых дуг. Структура, состав и образование колец - составляет их основные загадки.
Механизм удержания колец тоже до конца не понятен. Существует гипотеза, согласно которой за сохранение формы каждого кольца отвечает пара ближайших к нему спутников Урана. Такие ближайшие спутники называются образно «пастухами»; они-то, благодаря гравитационному взаимодействию, удерживают границы "своего" кольца.
Уран на 2024 год имеет 28 спутников. Самые крупные спутники Урана - Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон. Они состоят из смеси примерно равных количеств льда и камня. Исключение составляет Миранда, она состоит преимущественно изо льда. Лёд может содержать аммиак и углекислый газ.
Самым загадочным спутником считается Миранда. Она обладает сложной геологией. Снимки, полученные аппаратом "Вояджер-2"в 1986 году, показали на её поверхности каньоны глубиной до 20 км, террасы, трещины и уникальные структуры, называемые «коронами» (снимок Миранды в тексте выше). Миранда покрыта толстым, примерно километровым, слоем пыли. Есть, варианты, что это вещество от падающих астероидов, или, наоборот, - поднявшееся на поверхность из глубоких недр. Другие версии: Миранда либо родилась в кольцах Урана, либо когда-то сквозь них пролетала.
Из многих оставшихся загадок Урана хочу отметить так называемое электросияние. На солнечной стороне планеты было обнаружено с помощью ультрафиолетового детектора "Вояджера-2" странное свечение, которое учёные назвали «электросиянием». Оно напоминает полярное сияние Земли и распространяется на высоту до 1500 км над плотной дымкой Урана. Причина этого сияния не ясна. Расчёты учёных показали, что потока солнечной энергии недостаточно для его возникновения.
Уран считается самой загадочной планетой Солнечной системы. Вот почему готовятся новые космические миссии для исследования конкретно Урана и его системы в целом. Предполагаемые миссии исследования до 2023 года не состоялись. Теперь планируется запустить очередную миссию к 2034 году.
Например, не хватает фактического материала для объяснения характера распределения тепла на поверхности этой планеты.
Когда происходит момент солнцестояния, один из полюсов Урана остаётся направленным на Солнце в течение 42 земных лет, здесь полярный день. Понятно, что противоположный полюс в это же время оказывается в сорокалетней темноте, здесь полярная ночь. При этом, что удивительно, температура на экваторе теплее, чем на подставленном Солнцу полюсе! Причина такого распределения тепла - тоже загадка.
В целом, Уран является самой холодной планетой Солнечной системы, самая низкая температура, отмеченная здесь, составляет -224 градуса Цельсия.
Уран можно назвать и "планетой бурь". Астрономы установили, что скорость ветра на планете может достигать 900 км/ч. Впервые бушующие летние бури были зафиксированы в 2014 году.
Можно говорить о климатических изменениях в состоянии планеты. Эта информация (см. ниже) позволит рассмотреть некоторые наблюдения о сезонных ритмах, отмеченных до 2014 года.
Помимо бурь на Уране существуют алмазные дожди, так предполагает одна из гипотез, основанная, опять-таки, на основе компьютерного моделирования. Если сказать коротко, то учёные отмечают, что углерод (молекулы метана на глубине в несколько тысяч км. распадаются на атомы углерода и водорода), сжимаясь из-за экстремальной температуры и давления этой планеты, способен формировать алмазы, которые опускаются вниз, оседая вокруг ядра Урана. Алмазы как бы медленно "тонут", "дождь идёт" в глубину планеты.
Все эти предположения нуждаются не только в лабораторных экспериментах и моделировании, но и в тщательной проверке и дальнейших исследованиях Урана в предполагаемых космических миссиях.
Поэтому ждём очередных космических исследований этой необыкновенной планеты, чтоб разгадать все её тайны.
Благодарю всех, кто дочитал эту статью до конца, оценил труд, поставив "класс", поделившись информацией, или подписался.
О загадках других планет Солнечной системы можете узнать по ссылкам:
1. Часть 1 https://dzen.ru/a/ZEy22m5FmEi7LA_2
2. Часть 2 https://dzen.ru/a/ZcCVgW5aCCClUjHa
О самых мощных процессах, которые происходят на Солнце можете узнать по ссылке: https://dzen.ru/a/ZTvUycs6tgyNOcFm
О самых мощных объектах Вселенной можете узнать по ссылкам:
1) о квазарах https://dzen.ru/a/Y8qGUmN3AEZJZPkJ;
2) о чёрных дырах https://dzen.ru/a/Y1ZyOznnMgO1Z_i6.