Климат Урана - Climate of Uranus

Южное полушарие Урана в приблизительном естественном цвете (слева) и в более высоких длинах волн (справа), демонстрируя слабые полосы облаков и атмосферный «капюшон», как это видно с космического корабля «Вояджер-2».

В климат Уран на него сильно влияет недостаток внутреннего тепла, ограничивающий атмосферную активность, и его экстремальный наклон оси, который вызывает интенсивные сезонные колебания. Атмосфера Урана удивительно мягкая по сравнению с другими планетами-гигантами, на которые он в остальном очень похож.[1][2] Когда Вояджер 2 пролетев мимо Урана в 1986 году, он наблюдал в общей сложности десять особенностей облаков по всей планете.[3][4] Более поздние наблюдения с земли или Космический телескоп Хаббла Сделанные в 1990-х и 2000-х годах, выявили яркие облака в северном (зимнем) полушарии. В 2006 году темное пятно, похожее на Большое темное пятно на Нептун был обнаружен.[5]

Полосатая структура, ветры и облака

Уран в 2005 году. Видны кольца, южный воротник и легкое облако в северном полушарии.

Первые предположения о полосах и погоде на Уране появились в 19 веке, например, наблюдение в марте и апреле 1884 года белой полосы, частично кружащейся вокруг экватора Урана, всего через два года после «весеннего» равноденствия Урана.[6]

В 1986 г. Вояджер 2 обнаружил, что видимый южный полушарие Урана можно разделить на две области: яркую полярную шапку и темные экваториальные полосы (см. рисунок справа).[7] Их граница расположена примерно на -45 градусах широта. Узкая полоса, охватывающая диапазон широт от -45 до -50 градусов, - самая яркая большая деталь на видимой поверхности Урана.[7][8] Его называют южным «воротником». Считается, что кепка и воротник представляют собой плотную область метан облака, расположенные в диапазоне давлений от 1,3 до 2бар.[9] к несчастью Вояджер 2 прибыл в разгар южного лета Урана и не мог наблюдать северный полушарие. Однако в конце 1990-х - начале двадцать первого века, когда в поле зрения появился северный полярный регион, Космический телескоп Хаббла (HST) и Кек Первоначально телескоп не наблюдал ни воротника, ни полярной шапки в северном полушарии.[8] Таким образом, Уран оказался асимметричным: ярким около южного полюса и равномерно темным к северу от южного воротника.[8] Однако в 2007 году, когда Уран прошел равноденствие, южный воротник почти исчез, в то время как слабый северный воротник появился около 45 градусов. широта.[10] Видимый широтный структура Урана отличается от структуры Юпитер и Сатурн, которые демонстрируют множество узких и красочных полос.[1]

Помимо крупномасштабной полосатой структуры, «Вояджер-2» наблюдал десять небольших ярких облаков, большинство из которых лежало на несколько градусов к северу от воротника.[7] В остальном Уран в 1986 году выглядел как динамически мертвая планета. Однако в 1990-е годы количество наблюдаемых ярких облачных деталей значительно выросло.[1] Большинство из них было обнаружено в северном полушарии, когда оно стало становиться видимым.[1] Распространенным, хотя и неверным объяснением этого факта было то, что яркие облака легче идентифицировать в его темной части, тогда как в южном полушарии их маскирует яркий воротник.[11] Тем не менее, существуют различия между облаками каждого полушария. Северные облака меньше, резче и ярче.[12] Кажется, они лежат выше высота, что связано с тем, что до 2004 г. (см. ниже) южных полярных облаков на длине волны 2,2 не наблюдалось.микрометры,[12] который чувствителен к метан поглощение, тогда как северные облака регулярно наблюдались в этом диапазон длин волн. Время жизни облаков составляет несколько порядков. Некоторые небольшие облака живут часами, в то время как по крайней мере одно южное облако сохранилось после пролета "Вояджера".[1][4] Недавнее наблюдение также показало, что облачные элементы на Уране имеют много общего с облачностями Нептуна, хотя погода на Уране намного спокойнее.[1]

Темное пятно Урана

Первое темное пятно, наблюдаемое на Уране. Изображение было получено ACS на HST в 2006 году.

Темные пятна, часто встречающиеся на Нептун никогда не наблюдались на Уране до 2006 года, когда была получена первая такая деталь.[13] В том году наблюдения с космического телескопа Хаббл и телескопа Кека показали небольшое темное пятно в северном (зимнем) полушарии Урана. Он находился на широте около 28 ± 1° и измеряется приблизительно 2 ° (1300 км) по широте и 5 ° (2700 км) по долготе.[5] Объект под названием «Темное пятно Урана» (UDS) двигался в прямом направлении относительно вращения Урана со средней скоростью 43,1 ± 0,1 м / с, что почти 20 м / с быстрее скорости облаков на той же широте.[5] Широта UDS была примерно постоянной. Объект был разного размера и внешнего вида и часто сопровождался яркими белыми облаками под названием «Яркий спутник» (BC), которые двигались почти с той же скоростью, что и сам UDS.[5]

Поведение и внешний вид УДС и его яркого спутника были похожи на Нептунианца. Большие темные пятна (GDS) и их яркие спутники соответственно, хотя UDS был значительно меньше. Это сходство говорит о том, что они имеют одинаковое происхождение. Предполагалось, что GDS антициклонический вихри в атмосфере Нептуна, тогда как их яркие спутники считались метановыми облаками, образовавшимися в местах, где воздух поднимается (орографические облака ).[5] Предполагается, что UDS имеет аналогичную природу, хотя на некоторых длинах волн он выглядел иначе, чем GDS. Хотя GDS имел самый высокий контраст при 0,47 мкм, UDS не был виден на этой длине волны. С другой стороны, UDS продемонстрировал самый высокий контраст при 1,6 мкм, где GDS не обнаруживались.[5] Это означает, что темные пятна на двух ледяные гиганты расположены на несколько разных уровнях давления - уранский элемент, вероятно, находится около 4 бар. Темный цвет UDS (как и GDS) может быть вызван истончением подстилающего слоя. сероводород или гидросульфид аммония облака.[5]

Зональные скорости ветра на Уране. Затененные области показывают южный воротник и его будущий северный аналог. Красная кривая симметрично соответствует данным.

Появление темного пятна на полушарии Урана, много лет находившегося в темноте, указывает на то, что около равноденствие Уран вступил в период повышенной погодной активности.[5]

Ветры

Отслеживание многочисленных особенностей облаков позволило определить зональные ветры, дующие в верхних слоях. тропосфера Урана.[1] На экватор ветры ретроградные, что означает, что они дуют в направлении, обратном вращению планеты. Их скорости от −100 до −50 м / с.[1][8] Скорость ветра увеличивается с удалением от экватора, достигая нулевых значений около ± 20 ° широты, где расположен минимум температуры тропосферы.[1][14] Ближе к полюсам ветры смещаются в прямом направлении, текут вместе с его вращением. Скорость ветра продолжает увеличиваться, достигая максимума на широте ± 60 °, а затем падает до нуля на полюсах.[1] Скорость ветра на широте -40 ° колеблется от 150 до 200 м / с. Поскольку воротник закрывает все облака ниже этой параллели, скорость между ним и южным полюсом невозможно измерить.[1] Напротив, в северном полушарии максимальные скорости до 240 м / с наблюдаются около +50 градусов широты.[1][8] Эти скорости иногда приводят к неверным утверждениям о том, что в северном полушарии ветры сильнее. Фактически, в северной части Урана ветер немного медленнее, особенно на средних широтах от ± 20 до ± 40 градусов.[1] В настоящее время нет согласия относительно того, произошли ли какие-либо изменения скорости ветра с 1986 года,[1][8][15] и ничего не известно о гораздо более медленных меридиональный ветры.[1]

Сезонная вариация

Определить природу этого сезонного изменения сложно, потому что надежные данные об атмосфере Урана существуют менее чем за один полный уранский год (84 земных года).[16] Однако был сделан ряд открытий. Фотометрия в течение половины уранского года (начиная с 1950-х гг.) показала регулярные изменения яркости в двух спектральные полосы, с максимумами на солнцестояния и минимумы, возникающие на равноденствия.[17] Подобное периодическое изменение с максимумами в дни солнцестояния было отмечено в микроволновая печь измерения глубинной тропосферы начались в 1960-х годах.[18] Стратосферный измерения температуры, начатые в 1970-х годах, также показали максимальные значения около солнцестояния 1986 года.[19]

Изображения HST показывают изменения в атмосфере Урана по мере приближения его равноденствия (правое изображение)

Считается, что большая часть этой изменчивости происходит из-за изменений в просмотре. геометрия. Уран - это сплюснутый сфероид, из-за чего его видимая область становится больше, если смотреть со стороны полюса. Это отчасти объясняет его более яркий вид при солнцестоянии.[17] Уран также известен своей сильной зональный вариации в альбедо (см. выше).[11] Например, юг Полярный регион Урана намного ярче, чем экваториальный группы.[7] Кроме того, оба полюса демонстрируют повышенную яркость в микроволновой части спектра,[20] в то время как полярная стратосфера, как известно, холоднее экваториальной.[19] Таким образом, сезонное изменение, похоже, происходит следующим образом: полюса, которые являются яркими как в видимом, так и в микроволновом спектральных диапазонах, становятся видимыми во время солнцестояний, что приводит к более яркой планете, тогда как темный экватор виден в основном около равноденствий, что приводит к более темной планете.[11] Кроме того, покрытия во время солнцестояний исследуют более горячую экваториальную стратосферу.[19]

Видимая звездная величина Урана в двух спектральных диапазонах (верхний график)[17] с поправкой на расстояние, эффективную микроволновую температуру (средний график) и стратосферную температуру (нижний график).[18] Синяя полоса с центром при 470 нм, желтая при 550 нм.

Однако есть некоторые основания полагать, что на Уране происходят сезонные изменения. Хотя известно, что на Уране есть яркая южная полярная область, северный полюс довольно тусклый, что несовместимо с моделью сезонного изменения, описанной выше.[21] Во время своего предыдущего северного солнцестояния в 1944 году Уран демонстрировал повышенный уровень яркости, что говорит о том, что северный полюс не всегда был таким тусклым.[17] Эта информация подразумевает, что видимый полюс светлеет за некоторое время до солнцестояния и темнеет после равноденствие.[21] Подробный анализ видимый и микроволновая печь данные показали, что периодические изменения яркости не полностью симметричны относительно солнцестояний, что также указывает на изменение яркости. альбедо узоры.[21] Кроме того, микроволновые данные показали увеличение контраста полюс-экватор после солнцестояния 1986 года.[20] Наконец, в 1990-х, когда Уран отошел от своего солнцестояние, Хаббл и наземные телескопы показали, что южная полярная шапка заметно потемнела (кроме южного воротника, который оставался ярким),[9] в то время как северное полушарие продемонстрировало возрастающую активность,[4] такие как образование облаков и более сильный ветер, укрепив ожидания того, что скоро станет светлее.[12] В частности, аналог яркого полярный воротник, присутствующий в южном полушарии при -45 °, должен был появиться в его северной части.[21] Это действительно произошло в 2007 году, когда Уран прошел равноденствие: возник слабый северный полярный воротник, тогда как южный воротник стал почти невидимым, хотя профиль зонального ветра оставался асимметричным, причем северные ветры были немного медленнее южных.[10]

Механизм физических изменений до сих пор не ясен.[21] Рядом лето и зима солнцестояния, Полушария Урана поочередно лежат либо в полном свете солнечных лучей, либо обращены в глубокий космос. Считается, что повышение яркости освещенного солнцем полушария является результатом местного утолщения метан облака и мгла слои, расположенные в тропосфера.[9] Яркий воротник на широте -45 ° тоже связан с метановыми облаками.[9] Остальные изменения в южной полярной области можно объяснить изменениями нижних слоев облаков.[9] Вариация микроволновая печь выброс от Урана, вероятно, вызвано изменениями в глубинах тропосферы. обращение, потому что толстые полярные облака и дымка могут препятствовать конвекции.[20]

На короткий период во второй половине 2004 г. в атмосфере Урана появилось несколько больших облаков, что придало ей вид Нептун -подобный внешний вид.[12][22] Наблюдения включали рекордную скорость ветра 824 км / ч и непрекращающуюся грозу, известную как «фейерверк четвертого июля».[4] Почему должен происходить этот внезапный всплеск активности, до конца не известно, но похоже, что крайняя сила Урана. осевой наклон приводит к экстремальным сезонный вариации погоды.[13][21]

Циркуляционные модели

Изображение Урана с HST, сделанное в 1998 году, показывает облака в северном полушарии.
Зеленоватый цвет Уран Атмосфера России образована метаном и высокогорным фотохимическим смогом. Вояджер 2 получил этот вид седьмой планеты при выходе из системы Урана в конце января 1986 года. На этом изображении Уран изображен примерно вдоль полюса его вращения.

Было предложено несколько решений, объясняющих тихую погоду на Уране. Одно из предлагаемых объяснений этой нехватки облачных свойств состоит в том, что Уран внутреннее тепло кажется заметно ниже, чем у других планет-гигантов; с точки зрения астрономии, он имеет низкий внутренний тепловой поток.[1][14] Почему тепловой поток Урана так низок, до сих пор не понятно. Нептун, близнец Урана по размеру и составу, излучает в космос в 2,61 раза больше энергии, чем получает от Солнца.[1] Уран, напротив, почти не излучает лишнего тепла. Полная мощность, излучаемая Ураном в дальний инфракрасный (т.е. высокая температура ) часть спектра 1.06 ± 0.08 раз больше солнечной энергии, поглощенной в ее атмосфера.[23][24] На самом деле тепловой поток Урана составляет всего лишь 0.042 ± 0.047 Вт / м², что ниже, чем внутренний тепловой поток Земли около 0,075 Вт / м².[23] Самая низкая температура, зарегистрированная в тропопаузе Урана, составляет 49 К (−224 ° C), что делает Уран самой холодной планетой в Солнечной системе, холоднее, чем Нептун.[23][24]

Другая гипотеза гласит, что когда Уран был «сбит» сверхмассивным ударником, вызвавшим его экстремальный осевой наклон, это событие также привело к тому, что он изгнал большую часть своего изначального тепла, оставив его с пониженной внутренней температурой. Другая гипотеза состоит в том, что в верхних слоях Урана существует некая форма барьера, который не позволяет теплу ядра достигать поверхности.[25] Например, конвекция может иметь место в наборе слоев с различным составом, что может препятствовать восходящему движению. перенос тепла.[23][24]

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час я j k л м п о п q Сромовский и Фрай 2005.
  2. ^ Пьерумберт, Раймонд Т. (2 декабря 2010 г.). Принципы планетарного климата. Издательство Кембриджского университета. п. 20. ISBN  9781139495066. Получено 19 ноября 2014.
  3. ^ Soderblom et al. 1986 г..
  4. ^ а б c d Лакдавалла 2004.
  5. ^ а б c d е ж г час Хаммель Сромовский и др. 2009 г..
  6. ^ Перротен, Анри (1 мая 1884 г.). "Аспект Урана". Природа. 30: 21. Получено 4 ноября 2018.
  7. ^ а б c d Smith Soderblom et al. 1986 г..
  8. ^ а б c d е ж Hammel de Pater et al. («Уран в 2003 году») 2005 г..
  9. ^ а б c d е Rages Hammel et al. 2004 г..
  10. ^ а б Сромовский Фрай и др. 2009 г..
  11. ^ а б c Каркошка ("Уран") 2001 г..
  12. ^ а б c d Hammel de Pater et al. («Уран в 2004 году») 2005 г..
  13. ^ а б Сромовский Фрай и др. 2006 г..
  14. ^ а б Hanel Conrath et al. 1986 г..
  15. ^ Hammel Rages et al. 2001 г..
  16. ^ Шеперд, Джордж (1861). Климат Англии. Лонгман, Грин, Лонгман и Робертс. п.28. Получено 19 ноября 2014. Планета Уран завершает свой оборот вокруг Солнца за 84 года.
  17. ^ а б c d Локвуд и Ежикевич 2006.
  18. ^ а б Кляйн и Хофштадтер 2006.
  19. ^ а б c Молодой 2001.
  20. ^ а б c Хофштадтер и Батлер, 2003 г..
  21. ^ а б c d е ж Хаммель и Локвуд 2007.
  22. ^ Девитт 2004.
  23. ^ а б c d Перл Конрат и др. 1990 г..
  24. ^ а б c Лунин 1993.
  25. ^ Подолак Вейцман и др. 1995 г..

Источники

внешние ссылки