Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Южное полушарие Урана в приблизительном естественном цвете (слева) и в более высоких длинах волн (справа), показывая слабые полосы облаков и атмосферный «капюшон», как это видно с космического корабля «Вояджер-2»

На климат Урана сильно влияет недостаток внутреннего тепла, ограничивающий атмосферную активность, и его экстремальный наклон оси, вызывающий 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" пролетел над Ураном в 1986 году, он наблюдал в общей сложности десять особенностей облаков по всей планете. [3] [4] Более поздние наблюдения с земли или космического телескопа Хаббла, сделанные в 1990-х и 2000-х годах, показали яркие облака в северном (зимнем) полушарии. В 2006 году темное пятно, похожее на Большое темное пятно наНептун был обнаружен. [5]

Полосчатая структура, ветры и облака [ править ]

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 году « Вояджер-2» обнаружил, что видимое южное 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 широты . 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 крышка и воротник представляют собой плотную область облаков метана, находящихся в диапазоне давления от 1,3 до 2  бар . [9] К сожалению, " Вояджер-2"прибыл в разгар южного лета Урана и не мог наблюдать за северным полушарием . Однако в конце 1990-х и начале двадцать первого века, когда в поле зрения появилась северная полярная область, космический телескоп Хаббл (HST) и телескоп Кека изначально не наблюдали ни воротника, ни полярной шапки в северном полушарии. [8] Таким образом, Уран оказался асимметричным: яркий около южного полюса и равномерно темный в области 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 широты . [10] ВидимоеШиротная структура Урана отличается от таковой Юпитера и Сатурна , 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 выглядел как динамически мертвая планета в 1986 году. Однако в 1990-х годах количество наблюдаемых ярких облачных объектов 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 их темной части, тогда как в южном полушарии их маскирует яркий воротник. [11] Тем не менее, есть различия между облаками каждого полушария. Северные облака меньше, резче и ярче.[12] Похоже, они расположены на большей высоте , что связано с тем, что до 2004 года (см. Ниже) не наблюдалось южных полярных облаков на длине волны 2,2 микрометра , [12] которое чувствительно к поглощению метана , тогда как северноеполярное облако не наблюдалось. в этом диапазоне длин волн регулярно наблюдались облака. 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 гораздо спокойнее. [1]

Темное пятно Урана [ править ]

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

Темные пятна, характерные для Нептуна, 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 был расположен на широте около 28 ± 1 ° и имел размеры примерно 2 ° (1300 км) по широте и 5 ° (2700 км) по долготе. [5] Объект, называемый Темным пятном Урана (UDS), двигался в прямом направлении относительно вращения Урана со средней скоростью 43,1 ± 0,1 м / с , что почти на 20 м / с быстрее, чем скорость 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 UDS и его яркого компаньона были похожи на Нептунианские 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 - это антициклонические вихри в атмосфере Нептуна, а их яркие спутники - метановые облака, образовавшиеся 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 на 1,6 мкм, где GDS не обнаруживались. [5] Это означает, что темные пятна на двух ледяных гигантах расположены при несколько разных уровнях давления - уранский элемент, вероятно, находится около 4 бар. Темный цвет UDS (как и GDS) может быть вызван истончением нижележащих облаков сероводорода или гидросульфида аммония . [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, которое много лет находилось в темноте, указывает на то, что около равноденствия Уран вступил в период повышенной погодной активности. [5]

Ветры [ править ]

Отслеживание многочисленных особенностей облаков позволило определить зональные ветры, дующие в верхней тропосфере Урана. [1] На экваторе 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 ветер смещается в прямом направлении, течет 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, происходили ли какие-либо изменения скорости ветра с 1986 года, [1] [8] [15]и ничего не известно о более медленных меридиональных ветрах. [1]

Сезонная вариация [ править ]

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 годов) показала регулярные изменения яркости в двух спектральных полосах с максимумами, приходящимися на солнцестояние, и минимумами, приходящимися на равноденствия . [17] Подобное периодическое изменение с максимумами во время солнцестояний было отмечено в микроволновых измерениях глубокой тропосферы, начатых в 1960-х годах. [18] Стратосферныйизмерения 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 геометрии просмотра . Уран представляет собой сплюснутый сфероид , из-за которого его видимая область становится больше, если смотреть с полюсов . Это отчасти объясняет его более яркий вид при солнцестоянии. [17] Также известно, что Уран демонстрирует сильные зональные вариации альбедо (см. Выше). [11] Например, южная полярная область Урана намного ярче, чем экваториальные полосы. [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, сезонные изменения, похоже, происходят 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, затмения во время солнцестояний исследуют более горячую экваториальную стратосферу. [19]

Видимая 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 сезонных изменений, описанной выше. [21] Во время своего предыдущего северного солнцестояния в 1944 году Уран демонстрировал повышенный уровень яркости, что предполагает, что северный полюс не всегда был таким тусклым. [17] Эта информация подразумевает, что видимый полюс светлеет за некоторое время до солнцестояния и темнеет после равноденствия . [21] Подробный анализ видимого и микроволновогоДанные показали, что периодические изменения яркости не полностью симметричны относительно солнцестояний, что также указывает на изменение паттернов альбедо . [21] Кроме того, микроволновые данные показали увеличение контраста полюс-экватор после солнцестояния 1986 года. [20] Наконец, в 1990-х годах, когда Уран удалился от точки солнцестояния , телескопы Хаббла и наземные телескопы показали, что южная полярная шапка заметно потемнела (за исключением южного воротника, который оставался ярким), [9] тогда как в северном полушарии наблюдалось увеличение активность [4], такая как образование облаков и более сильный ветер, укрепившие ожидания того, что она скоро станет ярче.[12] В частности,ожидалось, что аналог яркого полярного воротника, присутствующего в его южном полушарии под углом -45 °, появится 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] Вблизи летнего и зимнего 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 локального утолщения метановых облаков и слоев дымки, расположенных в тропосфере . [9] Яркий воротник на -45 ° широты также связан с метановыми облаками. [9] Другие изменения в южной полярной области можно объяснить изменениями в нижних слоях облаков. [9] Изменение микроволнового излучения.от Урана, вероятно, вызвано изменениями в глубокой циркуляции тропосферы , потому что плотные полярные облака и дымка могут препятствовать конвекции. [20]

На короткий период во второй половине 2004 г. в атмосфере Урана появилось несколько больших облаков, придавших ей вид Нептуна . [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, полностью не известно, но похоже, что экстремальный наклон оси Урана приводит к экстремальным сезонным колебаниям его погоды. [13] [21]

Модели циркуляции [ править ]

Изображение Урана с HST, сделанное в 1998 году, показывает облака в северном полушарии.
Зеленоватый цвет атмосферы Урана обусловлен метаном и высотным 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 характеристик состоит в том, что внутренняя теплота Урана заметно ниже, чем у других планет-гигантов; с точки зрения астрономии, он имеет низкий внутренний тепловой поток . [1] [14] Почему тепловой поток Урана так мал, до сих пор не понятно. Нептун , близкий по размеру и составу близнец Урана, излучает в космос в 2,61 раза больше энергии, чем получает от Солнца. [1] Уран, напротив, почти не излучает избыточного тепла. Полная мощность, излучаемая Ураном в дальней инфракрасной (т.е. тепловой ) части спектра, равна1,06 ± 0,08 раза больше солнечной энергии, поглощенной его атмосферой . [23] [24] Фактически, тепловой поток Урана составляет всего 0,042 ± 0,047  Вт / м 2 , что ниже, чем внутренний тепловой поток Земли, составляющий примерно 0,075 Вт / м 2 . [23] Самая низкая температура, зарегистрированная в тропопаузе Урана, составляет 49 К (–224 ° C), что делает Уран самой холодной планетой в Солнечной системе, более холодной, 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 происходить в наборе слоев с различным составом, что может препятствовать восходящему переносу тепла . [23] [24]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р д Sromovsky & Fry 2005 .
  2. ^ Pierrehumbert, Raymond T. (2 декабря 2010). Принципы планетарного климата . Издательство Кембриджского университета . п. 20. ISBN 9781139495066. Проверено 19 ноября 2014 года .
  3. ^ Содерблом и др. 1986 .
  4. ^ а б в г Лакдавалла 2004 .
  5. ^ a b c d e f g h Hammel Sromovsky et al. 2009 .
  6. ^ Perrotin, Анри (1 мая 1884 г.). «Аспект Урана» . Природа . 30 : 21 . Проверено 4 ноября 2018 года .
  7. ^ a b c d Смит Содерблом и др. 1986 .
  8. ^ Б с д е е Хаммел де Патер и др. («Уран в 2003 году») 2005 год .
  9. ^ a b c d e Ярость Hammel et al. 2004 .
  10. ^ a b Sromovsky Fry et al. 2009 .
  11. ^ a b c Каркошка ("Уран") 2001 .
  12. ^ а б в г Хаммель де Патер и др. («Уран в 2004 году») 2005 год .
  13. ^ a b Sromovsky Fry et al. 2006 .
  14. ^ а б Ханель Конрат и др. 1986 .
  15. ^ Hammel Rages et al. 2001 .
  16. ^ Шеперд, Джордж (1861). Климат Англии . Лонгман, Грин, Лонгман и Робертс. п. 28 . Проверено 19 ноября 2014 года . Планета Уран завершает свой оборот вокруг Солнца за 84 года.
  17. ^ а б в г Локвуд и Ежикевич 2006 .
  18. ^ а б Klein & Hofstadter 2006 .
  19. ^ а б в Янг 2001 .
  20. ^ а б в Хофштадтер и Батлер 2003 .
  21. ^ Б с д е е Хаммелем & Локвуд 2007 .
  22. ^ Девитт 2004 .
  23. ^ a b c d Перл Конрат и др. 1990 .
  24. ^ а б в Лунин 1993 .
  25. ^ Подолак Вейцман и др. 1995 .

Источники

  • Девитт, Терри (10 ноября 2004 г.). «Кек фокусируется на странной погоде на Уране» . Университет Висконсина-Мэдисона. Архивировано из оригинального 11 августа 2011 года . Проверено 10 марта 2012 .
  • Hammel, HB; Де Патер, I .; Гиббард С.Г .; Локвуд, GW; Ярости, К. (июнь 2005 г.). «Уран в 2003 году: зональные ветры, полосчатая структура и дискретные особенности» (PDF) . Икар . 175 (2): 534–545. Bibcode : 2005Icar..175..534H . DOI : 10.1016 / j.icarus.2004.11.012 .
  • Hammel, HB; Депатер, I .; Гиббард С.Г .; Локвуд, GW; Ярости, К. (май 2005 г.). «Новая активность облаков на Уране в 2004 году: первое обнаружение южной части на 2,2 мкм» (PDF) . Икар . 175 (1): 284–288. Bibcode : 2005Icar..175..284H . DOI : 10.1016 / j.icarus.2004.11.016 . ОСТИ  15016781 .
  • Hammel, HB; Локвуд, GW (январь 2007 г.). «Долговременная изменчивость атмосферы на Уране и Нептуне». Икар . 186 (1): 291–301. Bibcode : 2007Icar..186..291H . DOI : 10.1016 / j.icarus.2006.08.027 .
  • Hammel, HB; Rages, K .; Локвуд, GW; Каркошка, Э .; де Патер, И. (октябрь 2001 г.). «Новые измерения ветров Урана». Икар . 153 (2): 229–235. Bibcode : 2001Icar..153..229H . DOI : 10.1006 / icar.2001.6689 .
  • Hammel, HB; Сромовский, Л.А.; Фрай, PM; Rages, K .; Шоуолтер, М .; де Патер, I .; ван Дам, Массачусетс; LeBeau, RP; Дэн, X. (май 2009 г.). «Темное пятно в атмосфере Урана в 2006 году: открытие, описание и динамическое моделирование» (PDF) . Икар . 201 (1): 257–271. Bibcode : 2009Icar..201..257H . DOI : 10.1016 / j.icarus.2008.08.019 . Архивировано из оригинального (PDF) 19 июля 2011 года.
  • Hanel, R .; Conrath, B .; Flasar, FM; Kunde, V .; Maguire, W .; Pearl, J .; Pirraglia, J .; Samuelson, R .; Круикшанк, Д. (4 июля 1986 г.). «Инфракрасные наблюдения системы Урана». Наука . 233 (4759): 70–74. Bibcode : 1986Sci ... 233 ... 70H . DOI : 10.1126 / science.233.4759.70 . PMID  17812891 .
  • Хофштадтер, Мэриленд; Батлер, Би Джей (сентябрь 2003 г.). «Сезонная смена глубинной атмосферы Урана». Икар . 165 (1): 168–180. Bibcode : 2003Icar..165..168H . DOI : 10.1016 / S0019-1035 (03) 00174-X .
  • Каркошка, Эрих (май 2001 г.). «Видимая сезонная изменчивость Урана в 25 фильтрах HST». Икар . 151 (1): 84–92. Bibcode : 2001Icar..151 ... 84K . DOI : 10.1006 / icar.2001.6599 .
  • Кляйн, MJ; Хофштадтер, Мэриленд (сентябрь 2006 г.). «Долговременные колебания яркостной микроволновой температуры атмосферы Урана» (PDF) . Икар . 184 (1): 170–180. Bibcode : 2006Icar..184..170K . DOI : 10.1016 / j.icarus.2006.04.012 .
  • Лакдавалла, Эмили (11 ноября 2004 г.). «Больше не скучно:« Фейерверк »и другие сюрпризы на Уране, обнаруженные с помощью адаптивной оптики» . Планетарные новости: наблюдения с Земли . Планетарное общество . Проверено 10 марта 2012 .
  • Локвуд, GW; Jerzykiewicz, MAA (февраль 2006 г.). «Фотометрическая изменчивость Урана и Нептуна, 1950–2004 гг.». Икар . 180 (2): 442–452. Bibcode : 2006Icar..180..442L . DOI : 10.1016 / j.icarus.2005.09.009 .
  • Лунин, Джонатан И. (сентябрь 1993 г.). «Атмосферы Урана и Нептуна». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 31 : 217–263. Bibcode : 1993ARA & A..31..217L . DOI : 10.1146 / annurev.aa.31.090193.001245 .
  • Перл, JC; Конрат, Би Джей; Ханель, РА; Pirraglia, JA; Кустенис, А. (март 1990 г.). «Альбедо, эффективная температура и энергетический баланс Урана, определенные по данным Voyager IRIS». Икар . 84 (1): 12–28. Bibcode : 1990Icar ... 84 ... 12P . DOI : 10.1016 / 0019-1035 (90) 90155-3 . ISSN  0019-1035 .
  • Подолак, М .; Weizman, A .; Марли, М. (декабрь 1995 г.). «Сравнительные модели Урана и Нептуна». Планетарная и космическая наука . 43 (12): 1517–1522. Bibcode : 1995P & SS ... 43.1517P . DOI : 10.1016 / 0032-0633 (95) 00061-5 .
  • Ярости, KA; Hammel, HB; Фридсон, AJ (11 сентября 2004 г.). «Свидетельства временных изменений на южном полюсе Урана». Икар . 172 (2): 548–554. Bibcode : 2004Icar..172..548R . DOI : 10.1016 / j.icarus.2004.07.009 .
  • Смит, BA; Содерблом, Луизиана; Beebe, A .; Bliss, D .; Бойс, JM; Brahic, A .; Бриггс, Джорджия; Коричневый, RH; Коллинз, SA (4 июля 1986 г.). «Вояджер-2 в системе Урана: результаты визуализации» . Наука . 233 (4759): 43–64. Bibcode : 1986Sci ... 233 ... 43S . DOI : 10.1126 / science.233.4759.43 . PMID  17812889 .
  • Сромовский, Л.А.; Фрай, ПМ (декабрь 2005 г.). «Динамика облачных характеристик на Уране». Икар . 179 (2): 459–484. arXiv : 1503.03714 . Bibcode : 2005Icar..179..459S . DOI : 10.1016 / j.icarus.2005.07.022 .
  • Сромовский, Л.А.; Фрай, PM; Hammel, HB; Ahue, WM; де Патер, I .; Ярости, KA; Шоуолтер, MR; ван Дам, Массачусетс (сентябрь 2009 г.). «Уран в равноденствие: морфология и динамика облаков». Икар . 203 (1): 265–286. arXiv : 1503.01957 . Bibcode : 2009Icar..203..265S . DOI : 10.1016 / j.icarus.2009.04.015 .
  • Сромовский, Л .; Fry, P .; Hammel, H .; Ярости, К. (28 сентября 2006 г.). «Хаббл обнаруживает темное облако в атмосфере Урана» (PDF) . PHYSorg.com . Проверено 27 февраля 2012 .
  • Янг, Л. (2001). "Уран после солнцестояния: результаты затмения 6 ноября 1998 г." (PDF) . Икар . 153 (2): 236–247. Bibcode : 2001Icar..153..236Y . DOI : 10.1006 / icar.2001.6698 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Какая температура у Урана? Нола Тейлор
  • Факты об Уране