Климат Урана - Climate of Uranus

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. Когда " Вояджер-2" пролетел рядом с Ураном в 1986 году, он наблюдал в общей сложности десять особенностей облаков по всей планете. Более поздние наблюдения с земли или космического телескопа Хаббла, проведенные в 1990-х и 2000-х годах, выявили яркие облака в северном (зимнем) полушарии. В 2006 году было обнаружено темное пятно, похожее на Большое темное пятно на Нептуне .

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.

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). Их граница находится примерно на -45 градусах широты . Узкая полоса, охватывающая широтный диапазон от -45 до -50 градусов, - самая яркая большая деталь на видимой поверхности Урана. 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 . К сожалению, « Вояджер-2» прибыл в разгар южного лета Урана и не смог 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. Таким образом, Уран оказался асимметричным: ярким около южного полюса и равномерно темным к северу от южного воротника. Однако в 2007 году, когда Уран прошел точку равноденствия, южный воротник почти исчез, в то время как слабый северный воротник появился около 45 градусов широты . Видимая широтная структура Урана отличается от структуры Юпитера и Сатурна , которые демонстрируют множество узких и красочных полос.

Помимо крупномасштабной полосатой структуры, «Вояджер-2» наблюдал десять небольших ярких облаков, большинство из которых лежало на несколько градусов к северу от воротника. Во всем остальном Уран в 1986 году выглядел как динамически мертвая планета. Однако в 1990-е годы количество наблюдаемых ярких облачных деталей значительно выросло. Большинство из них было обнаружено в северном полушарии, когда оно стало становиться видимым. Распространенным, хотя и неправильным объяснением этого факта было то, что яркие облака легче идентифицировать в его темной части, тогда как в южном полушарии их маскирует яркий воротник. Тем не менее, есть различия между облаками каждого полушария. Северные облака меньше, резче и ярче. Похоже, что 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 , которые чувствительны к поглощению метана , тогда как северные облака регулярно наблюдались в этот диапазон длин волн . Время жизни облаков составляет несколько порядков. Некоторые маленькие облака живут часами, в то время как по крайней мере одно южное облако сохранилось после пролета "Вояджера". Недавнее наблюдение также показало, что облачные элементы на Уране имеют много общего с облачностями Нептуна, хотя погода на Уране намного спокойнее.

Темное пятно Урана

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 было получено первое изображение такого объекта. В том году наблюдения с космического телескопа Хаббл и телескопа Кека обнаружили 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. 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 на 20 м / с быстрее, чем скорость облаков на той же широте. 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.

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 представляют собой антициклонические вихри в атмосфере Нептуна, а их яркие спутники - метановые облака, образовавшиеся в местах, где воздух поднимается ( орографические облака ). 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. 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 .

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.

Ветры

Отслеживание многочисленных особенностей облаков позволило определить зональные ветры, дующие в верхней тропосфере Урана. На экваторе ветры ретроградные, что означает, что они дуют в направлении, обратном вращению планеты. Их скорости от −100 до −50 м / с. Скорость ветра увеличивается с удалением от экватора, достигая нулевых значений около ± 20 ° широты, где расположен минимум температуры тропосферы. 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. 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. Напротив, в северном полушарии максимальные скорости до 240 м / с наблюдаются около +50 градусов широты. 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. В настоящее время нет согласия о том, произошли ли какие-либо изменения скорости ветра с 1986 года, и ничего не известно о более медленных меридиональных ветрах.

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). 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 . Подобное периодическое изменение с максимумами во время солнцестояний было отмечено в микроволновых измерениях глубинной тропосферы, начатых в 1960-х годах. Измерения температуры в стратосфере, начиная с 1970-х годов, также показали максимальные значения около солнцестояния 1986 года.

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 частично объясняет его более яркий вид во время солнцестояния. Также известно, что Уран демонстрирует сильные зональные вариации альбедо (см. Выше). Например, южная полярная область Урана намного ярче, чем экваториальные полосы. Кроме того, оба полюса демонстрируют повышенную яркость в микроволновой части спектра, в то время как полярная стратосфера, как известно, холоднее экваториальной. 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. Кроме того, покрытия во время солнцестояний исследуют более горячую экваториальную стратосферу.

Видимая величина Урана в двух спектральных диапазонах (верхний график) с поправкой на расстояние, эффективную микроволновую температуру (средний график) и стратосферную температуру (нижний график). 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. 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. Эта информация подразумевает, что видимый полюс светлеет за некоторое время до солнцестояния и темнеет после равноденствия . Детальный анализ данных в видимом и микроволновом диапазонах показал, что периодические изменения яркости не полностью симметричны относительно точек солнцестояния, что также указывает на изменение структуры альбедо . Кроме того, микроволновые данные показали увеличение контраста полюс-экватор после солнцестояния 1986 года. Наконец, в 1990-х годах, когда Уран удалился от места своего солнцестояния , телескопы Хаббла и наземные телескопы показали, что южная полярная шапка заметно потемнела (за исключением южного воротника, который оставался ярким), тогда как северное полушарие демонстрировало возрастающую активность, такую ​​как образование облаков. и более сильные ветры, укрепившие ожидания того, что скоро станет светлее. В частности, ожидалось появление аналога яркого полярного воротника, присутствующего в его южном полушарии под углом -45 °, в его северной части. 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.

Механизм физических изменений до сих пор не ясен. 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 . Яркий воротник на широте -45 ° также связан с метановыми облаками. Остальные изменения в южной полярной области можно объяснить изменениями нижних слоев облаков. Изменение микроволнового излучения Урана, вероятно, вызвано изменениями в глубокой циркуляции тропосферы , потому что толстые полярные облака и дымка могут препятствовать конвекции.

На короткий период во второй половине 2004 г. в атмосфере Урана появилось несколько больших облаков, придавших ей вид Нептуна . Наблюдения включали рекордную скорость ветра 824 км / ч и непрекращающуюся грозу, известную как «фейерверк четвертого июля». Почему должен происходить этот внезапный всплеск активности, до конца не известно, но похоже, что экстремальный наклон оси Урана приводит к экстремальным сезонным колебаниям его погоды.

Циркуляционные модели

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 приблизительно 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 . Почему тепловой поток Урана так низок, 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. Уран, напротив, почти не излучает лишнего тепла. Полная мощность, излучаемая Ураном в далекой инфракрасной (т.е. тепловой ) части спектра, в 1,06 ± 0,08 раза превышает солнечную энергию, поглощаемую его атмосферой . 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 . 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 .

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. Например, конвекция может происходить в наборе слоев с различным составом, что может препятствовать восходящему переносу тепла .

использованная литература

Источники

внешние ссылки