Солнечная система (Астрономия и астрофизика) - Сурдин Владимир Георгиевич - Страница 56

Если бы Уран и Нептун излучали только то тепло, которое они получают от Солнца, то их температура установилась бы на уровне 57 и 47 К соответственно. Такая температура называется равновесной. Но когда были проведены фактические измерения тепловых потоков, оказалось, что планеты имеют одинаковую эффективную температуру: 56—58 К. Это может означать только одно: Уран почти не имеет собственных источников энергии, а Нептун имеет, причем довольно мощные (подробнее об этом в следующем разделе). В результате Уран излучает столько же, сколько получает от Солнца, а Нептун — значительно больше. Некоторое различие есть и у Юпитера с Сатурном, но далеко не в такой мере. Если Уран имеет какие-то внутренние источники, они не превосходят 13% получаемого от Солнца тепла (а возможно, и меньше). С глубиной в атмосфере Урана температура растет, но медленнее, чем у Нептуна.

Низкое тепловое излучение Урана выделяет его из ряда других планет-гигантов. Предполагают, что у всех гигантов в результате происходящих при колоссальном давлении фазовых переходов водорода гелий становится нерастворимым в водороде и, как более плотный элемент, опускается к центру планеты, освобождая при этом значительную гравитационную энергию. Допустить, что для Урана этот механизм исчерпан, нельзя, так как соотношение гелий-водород у него такое же, как у Юпитера. Причина в чем-то другом.

Равенство температур у полюсов и экватора заставляет искать какие-то особые причины, определяющие метеорологию Урана. Одной из них может быть конденсация воды в атмосфере. На Земле конденсация влаги и выпадение осадков мало влияют на среднюю плотность атмосферы, изменяя ее не более чем на 2%. Но на Уране, где содержание паров воды, по-видимому, высокое, изменение плотности при конденсации паров может достигать 50%. Тогда движения в очень плотной атмосфере планеты становятся больше похожи на течения в земных океанах (которые вызываются изменениями солености воды).

Новые данные об Уране

В средних и высоких широтах атмосфера Урана вращается быстрее, чем недра планеты. Такое явление хорошо известно по атмосфере Венеры и носит название суперротации. Но относительно чего отсчитывать вращение планеты, если сама атмосфера занимает почти 2/3 ее радиуса? Здесь следует рассказать о внутреннем строении Урана.

Масса Урана была найдена методами наземной астрономии (по движению спутников планеты) и оказалась в 14,5 раза больше массы Земли. Средняя плотность составляет 1,29 г/см³, а ускорение свободного падения на уровне видимой границы облаков лишь чуть меньше земного. Сведения о внутреннем строении Урана долгое время опирались только на теоретические расчеты и аналогии с Юпитером и Сатурном. Последние, как выяснилось, вели к переоценке содержания гелия. К ревизии этих представлений привело открытие в 1977 г. (методами наземной астрономии) темных колец Урана, что имело важные последствия. С тех пор наблюдалось много покрытий звезд кольцами, благодаря чему удалось определить сферические гармоники J₂ и J₄ гравитационного поля планеты, описывающие его отличие от поля точечной массы или идеального шара. Еще один важный параметр — динамическое сжатие α=0,0114 был найден по наземным данным и результатам «Вояджеров», что позволило определить распределение масс в недрах планеты и скорость ее вращения. Полученный таким образом период вращения составил 16,2—16,4ч.

Самый надежный метод определения периода вращения — это измерение с космического зонда радиоизлучения магнитосферы планеты. Так удалось найти периоды вращения Юпитера (9ч. 55,5мин.) и Сатурна (10ч. 39,4мин.). Метод, по существу, дает период вращения магнитного поля. Но так как магнитное поле возбуждается достаточно глубоко в недрах, оно должно вращаться с тем же периодом, что и глубокие слои. Найденный таким образом период вращения Урана составил 17ч. 14,4мин.

Согласно современной модели, Уран имеет довольно большое ядро (около 0,3 радиуса планеты), построенное из тяжелых элементов — металлов и силикатов, а также «льдов» — метана, аммиака и воды, — трех соединений широко распространенных в космосе четырех элементов. Имеется в виду, что на уровне видимого облачного слоя у большинства гигантов эти соединения превращаются в лед. Ядро окружено толстой оболочкой из водорода и гелия с условной внешней границей около 0,7 радиуса планеты. Атмосфера Урана содержит 12% гелия (как у Юпитера), остальное — главным образом водород. Заметная составляющая Урана — это метан, до 2,3%. Но проблема отражательных свойств метана довольно сложна. С учетом этих сложностей содержание метана в газообразной фазе может быть значительно меньшим, на уровне десятых долей процента.

В атмосфере обнаружены также некоторые малые составляющие, в том числе ацетилен, образующийся при фотолизе метана. Когда зонд заходил за планету, на уровне давления 1,6 бар, глубоко под слоем дымки, радиометодами был обнаружен плотный облачный слой, включающий, по-видимому, кристаллы метанового льда.

Для образования метанового инея нужна низкая температура, присущая Урану и Нептуну. Вместе с тем в спектрах Урана не наблюдаются полосы аммиака, имеющегося в атмосфере Юпитера. Причина этого в низкой температуре видимых слоев атмосферы, где аммиак выморожен. Он может находиться в глубине атмосферы. Но в спектрах теплового радиоизлучения, исходящего именно из глубоких слоев атмосферы, полоса поглощения молекул NH₃ вблизи длины волны 2 см. тоже довольно слабая. Среди других углеводородов предполагалось присутствие этана, имеющего характерную полосу 12,2 мкм. В излучении Урана она не найдена (хотя наблюдалась в тепловом излучении Нептуна). На Уране и Нептуне возможно существование облаков из конденсатов нашатырного спирта, что неудивительно, так как аммиак, если он присутствует в облачном слое, соседствует с большим количеством паров и конденсатов воды. По-видимому, облака Урана включают еще один слой — из инея сероводорода, расположенный сразу же под слоем метанового инея.

Постепенно выясняется, что по сравнению с Юпитером и Сатурном, Уран и Нептун обогащены более тяжелыми элементами, чем водород и гелий. Данные «Вояджера» показали, что наиболее близкие к наблюдениям результаты дает такая модель Урана, в которой над каменным ядром планеты сразу, без океана, начинается плотная атмосфера из перемешанных легких газов и «льдов». В верхней подоблачной части атмосферы может содержаться очень значительное количество воды и пара, но океана нет.

Магнитный «штопор» и строение недр

Магнитное поле Урана, его напряженность и структура относились к главным исследованиям «Вояджера». Но аппарат подходил все ближе к Урану, а никаких признаков поля не было. Лишь за пять дней до сближения удалось принять характерные всплески радиоизлучения, которые возникают при взаимодействии магнитного поля с потоком заряженных частиц (и по которым был найден период вращения планеты.)

Магнитное поле обладает определенным давлением. Там, где оно уравновешивается газодинамическим давлением солнечного ветра, возникает возмущение электромагнитного поля, так называемая ударная волна. Зонд прошел все предсказанные положения ударной волны и пересек ее только за 10ч. до наибольшего сближения с планетой.

Поле Урана не строго дипольное: довольно сильны квадрупольная и октупольная составляющие. Предполагается, что высшие гармоники сильны из-за близости «составных частей» планетарного магнитного динамо к поверхности планеты. Скорее всего, это объясняется большим содержанием воды и аммиака, которые становятся проводящими при значительно меньших давлениях, чем водород и гелий на Юпитере.

Магнитосфера Урана простирается на 0,6 млн. км. и заполнена плазмой, образующей радиационные пояса, похожие на земные. На уровне видимой облачной поверхности (где давление около 0,6 бар) напряженность дипольного поля близка к земной: 0,23 Гс. Ось магнитного диполя на 59° наклонена к оси вращения и на 8000 км. смещена от центра к ночному (в 1986 г., т.е. к северному) полюсу. Положение полюсов диполя обратно земному, как у Юпитера и Сатурна. Комбинация сильного наклона диполя к оси вращения и наклона последней к орбите приводит к тому, что магнитосферный хвост Урана вращается в пространстве, подобно штопору.