Уран

Уран — планета Солнечной системы, седьмая по удалённости от Солнца, третья по диаметру и четвёртая по массе. Названа в честь греческого бога неба Урана.

Уран стал первой планетой, обнаруженной в Новое время и при помощи телескопа. Несмотря на то, что порой Уран различим невооружённым глазом, более ранние наблюдатели принимали его за тусклую звезду.

В XVIII в. границей Солнечной системы считался Сатурн, известный с незапамятных времён. Никому и в голову не приходило, что за ним скрывается ещё одна, неведомая планета.

13 марта 1781 г. новую планету — Уран — открыл учитель музыки из Англии Уильям Гершель, до этого совершенно неизвестный в астрономическом мире.

Заметив в свой телескоп светлый диск, движущийся по небу, Гершель принял его за комету и сообщил об открытом небесном теле профессиональным астрономам в Гринвич. Довольно быстро выяснилось, что это новая планета, и весть об открытии облетела всю Европу.

Любопытно, что знаменитый немецкий астроном Иоганн Боде, составляя извещение об этом уникальном факте, даже не знал, как пишется имя первооткрывателя, и привёл несколько его вариантов, взятых из разных источников. После открытия Урана (название дано Боде) Гершель стал широко известен, был избран членом Лондонского королевского общества и получил должность придворного астронома. За последующие 40 лет он сделал множество замечательных открытий, в частности впервые наблюдал два крупнейших спутника Урана (1787 г.) и два спутника Сатурна (1789 г.). Но главным его открытием всё-таки остался Уран, вдвое расширивший границы известной Солнечной системы.

Когда о Земле говорят «голубая планета» — это ласковое преувеличение. Основная её палитра включает белый (облака, льды), жёлто-коричневый (суша) и свинцово-серый (океан) цвета. По-настоящему голубой плане­той оказался далёкий Уран.

Причина этого кроется в составе атмосферы Урана и её температуре. При морозе (–218 °C) в верхних слоях водородно-гелиевой атмосферы сконденсировалась и теперь постоянно присутствует метановая дымка. Метан хорошо поглощает красные лучи и отражает голубые и зелёные. Поэтому Уран и приобрёл красивый аквамариновый цвет.

Хотя Уран и не имеет твёрдой поверхности в привычном понимании этого слова, наиболее удалённую часть газообразной оболочки принято называть его атмосферой. Полагается, что атмосфера Урана начинается на расстоянии в 300 км от внешнего слоя при давлении в 100 бар и температуре в 320 K. «Атмосферная корона» простирается на расстояние, в 2 раза превышающее радиус от «поверхности» с давлением в 1 бар. Атмосферу условно можно разделить на 3 части: тропосфера (от −300 до 50 км; давление составляет 100–0,1 бар), стратосфера (50–4000 км; давление составляет 0,1–10−10 бар) и термосфера/атмосферная корона (4000–50 000 км от поверхности). Мезосфера у Урана отсутствует.

Типичные для Юпитера и Сатурна белые аммиачные облака на Уране сформировались в нижних слоях атмосферы и поэтому не видны. Лишь на низких широтах было замечено несколько светлых облаков. По их движению скорость ветра на больших высотах оценивалась в 100 м/с. Никаких других структур на однородном диске Урана не найдено — все атмосферные течения скрыты метановой дымкой.

В верхней атмосфере Урана наблюдаются различные «электросияния», подобные земным полярным сияниям. Их вызывают потоки элементарных частиц (протонов, электронов), бомбардирующих газовую оболочку планеты. Сияния подобного рода типичны для планет-гигантов из-за их сильного магнитного поля.

У Урана почти такое же сильное магнитное поле, как у Земли, только конфигурация его необычна: магнитный полюс отклоняется от географического почти на 60°. Так что компас там не будет указывать на географический полюс. А самая примечательная особенность этой планеты заключается в том, что она вращается «лёжа на боку» (даже слегка «вниз головой»): наклон её оси вращения 98°.

Уран получает почти в 400 раз меньше света, чем наша планета. Для чувствительного человеческого глаза это соответствует освещённости на Земле сразу после захода Солнца, в начале сумерек. Для сравнения можно добавить, что освещённость на Уране в 1000 раз больше, чем в ясную ночь полнолуния на Земле.

Под газовой оболочкой толщиной около 8 тыс. километров (треть радиуса планеты) должен располагаться плотный океан из воды, аммиака и метана с температурой поверхности 2200°C. Атмосферное давление на уровне океана — 200 тыс. земных атмосфер. В отличие от Сатурна и Юпитера на Уране нет металлического водорода, и аммиачно-метаново-водная оболочка толщиной 10 тыс. километров переходит в центральное железно-каменное ядро из твёрдых пород. Температура там достигает 7000 °C, а давление — 6 млн атмосфер.

Средняя удалённость планеты от Солнца составляет 19,1914 а.е. (2,8 млрд км). Период полного обращения Урана вокруг Солнца составляет 84 земных года. Расстояние между Ураном и Землёй меняется от 2,6 до 3,15 млрд км. Большая полуось орбиты равна 19,229 а.е., или около 3 млрд км. Интенсивность солнечного излучения на таком расстоянии составляет 1/400 от значения на орбите Земли

Период вращения Урана вокруг своей оси составляет 17 часов 14 минут. Однако, как и на других планетах-гигантах, в верхних слоях атмосферы Урана дуют очень сильные ветры в направлении вращения, достигающие скорости 240 м/c. Таким образом, вблизи 60° южной широты некоторые видимые атмосферные детали делают оборот вокруг планеты всего за 14 часов.

Плоскость экватора Урана наклонена к плоскости его орбиты под углом 97,86° — то есть планета вращается ретроградно, «лёжа на боку слегка вниз головой». Это приводит к тому, что смена времён года происходит совсем не так, как на других планетах Солнечной системы. Если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран больше похож на катящийся шар. Такое аномальное вращение обычно объясняют столкновением Урана с большой планетезималью на раннем этапе его формирования. В моменты солнцестояний один из полюсов планеты оказывается направленным на Солнце. Только узкая полоска около экватора испытывает быструю смену дня и ночи; при этом Солнце там расположено очень низко над горизонтом — как в земных полярных широтах. Через полгода (уранианского) ситуация меняется на противоположную: «полярный день» наступает в другом полушарии. Каждый полюс 42 земных года находится в темноте — и ещё 42 года под светом Солнца. В моменты равноденствия Солнце стоит «перед» экватором Урана, что даёт такую же смену дня и ночи, как на других планетах. Очередное равноденствие на Уране наступило 7 декабря 2007 года

Благодаря такому наклону оси полярные области Урана получают в течение года больше энергии от Солнца, чем экваториальные. Однако Уран теплее в экваториальных районах, чем в полярных. Механизм, вызывающий такое перераспределение энергии, пока остаётся неизвестным.

Уран — наименее массивная из планет-гигантов Солнечной системы, он тяжелее Земли в 14,5 раза, превосходя её по размерам примерно в 4 раза. Плотность Урана, равная 1,27 г/см3, ставит его на второе после Сатурна место среди наименее плотных планет Солнечной системы. Несмотря на то, что радиус Урана немного больше радиуса Нептуна, его масса несколько меньше, что свидетельствует в пользу гипотезы, согласно которой он состоит в основном из различных льдов — водного, аммиачного и метанового. Их масса, по разным оценкам, составляет от 9,3 до 13,5 земных масс. Водород и гелий составляют лишь малую часть от общей массы (между 0,5 и 1,5 земных масс); оставшаяся доля (0,5–3,7 земных масс) приходится на горные породы (которые, как полагают, составляют ядро планеты).

Внутреннее строение Урана (из открытых источников)

Стандартная модель Урана предполагает, что Уран состоит из трёх частей: в центре — каменное ядро, в середине — ледяная оболочка, снаружи — водородно-гелиевая атмосфера. Ядро является относительно маленьким, с массой приблизительно от 0,55 до 3,7 земных масс и с радиусом в 20 % от радиуса всей планеты. Мантия (льды) составляет большую часть планеты (60 % от общего радиуса, до 13,5 земных масс). Атмосфера при массе, составляющей всего 0,5 земных масс (или, по другим оценкам, 1,5 земной массы), простирается на 20 % радиуса Урана. В центре Урана плотность должна повышаться до 9 г/см3, давление должно достигать 8 млн бар (800 ГПа) при температуре в 5000 К. Ледяная оболочка фактически не является ледяной в общепринятом смысле этого слова, так как состоит из горячей и плотной жидкости, являющейся смесью воды, аммиака и метана. Эту жидкость, обладающую высокой электропроводностью, иногда называют «океаном водного аммиака». Состав Урана и Нептуна сильно отличается от состава Юпитера и Сатурна благодаря «льдам», преобладающим над газами, оправдывая помещение Урана и Нептуна в категорию ледяных гигантов.

Несмотря на то, что описанная выше модель наиболее распространена, она не является единственной. На основании наблюдений можно также построить и другие модели — например, в случае если существенное количество водородного и скального материала смешивается в ледяной мантии, то общая масса льдов будет ниже, и соответственно, полная масса водорода и скального материала — выше. В настоящее время доступные данные не позволяют определить, какая модель правильней. Жидкая внутренняя структура означает, что у Урана нет никакой твёрдой поверхности, так как газообразная атмосфера плавно переходит в жидкие слои. Однако ради удобства за «поверхность» было решено условно принять сплющенный сфероид вращения, где давление равно 1 бару. Экваториальный и полярный радиус этого сплющенного сфероида составляют 25 559 ± 4 и 24 973 ± 20 км. Далее в статье эта величина и будет приниматься за нулевой отсчёт для шкалы высот Урана.

Внутреннее тепло Урана значительно меньше, чем у других планет-гигантов Солнечной системы. Тепловой поток планеты очень низкий, и причина этого сейчас неизвестна. Нептун, схожий с Ураном размерами и составом, излучает в космос в 2,61 раза больше тепловой энергии, чем получает от Солнца. У Урана же избыток теплового излучения очень мал, если вообще есть. Тепловой поток от Урана равен 0,042–0,047 Вт/м2, и эта величина меньше, чем у Земли (~0,075 Вт/м2). Измерения в дальней инфракрасной части спектра показали, что Уран излучает лишь 1,06 ± 0,08 (98–114 %) энергии от той, что получает от Солнца. По другой оценке, тепловой поток от Урана равен 0,078 ± 0,018 Вт/м2. Получаемый Ураном поток солнечного излучения меняется примерно на 16,8% — с 1,01 Вт/м² в перигелии до примерно 0,84 Вт/м² в афелии. Отношение внутреннего теплового потока к поглощённой солнечной энергии (12,52%) у Урана значительно ниже, чем у Юпитера (113%), Сатурна (139%) и Нептуна (162%).

Самая низкая температура, зарегистрированная в тропопаузе Урана, составляет 49 К (−224 °C), что делает планету самой холодной из всех планет Солнечной системы — даже более холодной, чем Нептун.

Существуют две гипотезы, пытающиеся объяснить этот феномен. Первая из них утверждает, что предположительное столкновение протопланеты с Ураном во время формирования Солнечной системы, которое вызвало большой наклон его оси вращения, привело к рассеянию исходно имевшегося тепла. Вторая гипотеза гласит, что в верхних слоях Урана есть некая прослойка, препятствующая тому, чтобы тепло от ядра достигало верхних слоёв. Например, если соседние слои имеют различный состав, конвективный перенос тепла от ядра вверх может быть затруднён.

Отсутствие избыточного теплового излучения планеты значительно затрудняет определение температуры её недр, однако если предположить, что температурные условия внутри Урана близки к характерным для других планет-гигантов, то там возможно существование жидкой воды и, следовательно, Уран может входить в число планет Солнечной системы, где возможно существование жизни

…

Спутники Урана — естественные спутники планеты Уран. По состоянию на 2025 год известно 29 спутников. Все они названы в честь персонажей произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. Первые два спутника — Титанию и Оберон — открыл Уильям Гершель в 1787 году. Ещё два шарообразных спутника (Ариэль и Умбриэль) обнаружил в 1851 году Уильям Лассел. В 1948 году Джерард Койпер открыл Миранду. Остальные спутники были открыты после 1985 года, во время миссии «Вояджера-2» или с помощью сильных наземных телескопов.

Спутники Упана (из открытых источников)

Эта спутниковая система лежит в экваториальной плоскости планеты, т.е. почти перпендикулярно к плос­кости её орбиты (как монета на ребре, катящаяся по столу, или как колесо обозрения в парке). В конце XX в. Уран повёрнут полюсом к Земле и взгляд земного наблюдателя направ­лен почти под прямым углом к плоскости орбит спутников.

Два самых далёких спутника — Оберон и Титания, открытые Гершелем, — расположены на расстояниях 582,6 и 435,8 млн километров от планеты. Они почти близнецы. Это самые крупные спутники Урана диаметрами 1520 и 1580 км соответственно. Внешний — Оберон — обладает древней ледяной поверхностью, сильно изрытой метеоритными кратерами. Свидетельств крупных тектонических разрывов и геологических движений на нём мало. На Титании кроме многочисленных кратеров есть сетка крупных тектонических разломов и признаки древнего вулканизма.

Два следующих спутника — Умбриэль и Ариэль — открыты английским астрономом Уильямом Ласселлом в 1851 г. с помощью мощного телескопа, построенного им на острове Мальта. Они тоже имеют почти одинаковый размер: Умбриэль диаметром 1170 км обращается вокруг Урана на расстоянии 265 тыс. километров; Ариэль диаметром 1160 км движется по орбите радиусом 191 тыс. километров. Умбриэль — самый тёмный спутник системы Урана, отражающий всего 19% падающего на него света, с безликой, сильно кратерированной поверхностью. Ариэль — самый светлый, он отражает 40% солнечного света. На его поверхности сохранились следы крупномасштабных геологических движений и явные признаки древнего вулканизма. Большие кратеры почти отсутствуют на молодой поверхности Ариэля.

В 1948 г. американский астроном Джерард Койпер впервые наблюдал пятый спутник Урана — Миранду, находящуюся на расстоянии 130 тыс. километров от планеты. Это небольшой спутник (диаметр 470 км) с ин­тереснейшими следами неожиданно бурного геологического прошлого.

«Вояджер-2» в январе 1986 г. передал на Землю отличные изображения Миранды с разрешением до 1 км. По этим снимкам специалистам даже удалось составить стереоскопическое изображение части её экзотического рельефа, где выделяются обширные бороздчатые области, напоминающие вспаханные поля. Область, в которой борозды сходятся под углом, получила неофициальное название «шеврон». На краю её, в районе южного полюса, расположен почти отвесный обрыв высотой 15 км. Остаётся непонятным, откуда взялась энергия для такой геологической активности Миранды.

Наименование спутников Урана положило начало отступлению от греко-римской традиции. Дело в том, что к моменту их открытия имена детей греческого бога Урана — титанов и гигантов — уже были присвоены спутникам Сатурна. Поэтому Гершель назвал спутники Урана в честь геро­ев комедии Уильяма Шекспира «Сон в летнюю ночь»: Оберон и Титания.

Имя Умбриэль взято из поэмы Александра Попа, а в остальных случаях победила шекспировская традиция: Ариэль и Миранда — персонажи пьесы «Буря».

…

Кольца Урана— система колец, окружающих планету Уран. Она занимает промежуточное по сложности положение между более развитой системой колец Сатурна и простыми системами колец Юпитера и Нептуна.

Новая эпоха в истории изучения системы Урана началась 10 марта 1977 г. В тот день Уран, двигаясь по небу, закрывал своим диском довольно яркую звезду. Это событие готовились наблюдать многие астрономы, в том числе и на летающей американской Койперовской обсерватории, размещённой на самолёте «Боинг». Измеряя ослабление света звезды с помощью крупного телескопа (диаметр его зеркала 91 см), они надеялись получить новую информацию об атмосфере Урана. Телескоп и аппаратуру включили заранее. Совершенно неожиданно приборы стали фиксировать кратковременные затмения звезды ещё до расчётного времени. Они зарегистрировали девять «миганий» звезды до, а затем и после покрытия её планетой. Так были открыты девять плотных, узких и далеко отстоящих друг от друга угольно-чёрных колец Урана.

Это стало сенсацией: в Солнечной системе обнаружена вторая после сатурнианской система планетных колец. Они являли собой полные противоположности: светлые и широкие снежные кольца Сатурна — и в тысячу раз более узкие, чёрные и каменистые кольца Урана. Впоследствии наблюдалось свыше 200 покрытий звёзд Ураном, в результате которых изучены свойства и уточнены радиусы его колец.

Схема колец Урана (из открытых источников)

По состоянию на 2008 год известно 13 колец. В порядке увеличения расстояния от планеты они расположены так: 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν и μ. Минимальный радиус имеет кольцо 1986U2R/ζ (38000 км), максимальный — кольцо μ (приблизительно 98000 км). Между основными кольцами могут находиться слабые пылевые кольцевые скопления и незамкнутые дуги. Кольца чрезвычайно тёмные, альбедо Бонда для входящих в них частиц не превышает 2 %. Вероятно, они состоят из водяного льда с включениями органики.

Большинство колец Урана непрозрачны. Их ширина не больше нескольких километров. Кольцевая система содержит в целом немного пыли, она состоит в основном из крупных объектов диаметром от 20 сантиметров до 20 метров. Однако некоторые кольца оптически тонкие: широкое тусклое 1986U2R/ζ, μ и ν состоят из мелких частиц пыли, тогда как узкое тусклое λ содержит крупные тела. Относительно небольшое количество пыли в кольцевой системе объясняется аэродинамическим сопротивлением протяжённой экзосферы — короны Урана.

Считается, что кольца Урана относительно молоды, их возраст не превышает 600 миллионов лет. Кольцевая система Урана, вероятно, образовалась от столкновений спутников, ранее обращавшихся вокруг планеты. В результате столкновений спутники разбивались на всё более мелкие частицы, которые теперь образуют кольца в строго ограниченных зонах максимальной гравитационной стабильности.

До сих пор не ясен механизм, удерживающий узкие кольца в их границах. Первоначально считалось, что у каждого узкого кольца есть пара «спутников-пастухов», которые и поддерживают его форму, но в 1986 году Вояджер-2 обнаружил только одну пару таких спутников (Корделию и Офелию) вокруг самого яркого кольца — ε.

В 1985 г. было обнаружено, что расположение их подчиняется интересным резонансным соотношениям. Учёные выдвинули гипотезу, что между внешней границей колец и Мирандой существует несколько неоткрытых спутников, и даже сумели предсказать радиусы орбит шести предполагаемых спутников в области 50–70 тыс. километров от планеты.

В январе 1986 г. «Вояджер-2» пролетел мимо Урана и детально исследовал уже известные узкие кольца. Область между плотными кольцами оказалась заполненной прозрачным слоем мелкой пыли. Эта чёрная пыль распределена неоднородно и образует ряд кольцевых структур. Неожиданно выяснилось, что верхняя атмосфера Урана простирается вплоть до колец, что приводит к быстрому торможению их частиц. Таким образом, проблема происхождения и устойчивости колец оказалась очень сложной.