天王星：乌拉诺斯的冰与岩

文  /  杨天林（选自本人的科普著作《天文的故事》，科学出版社2018年出版）

天王星（Uranus）与太阳的距离大约在18-20个天文单位之间，是太阳系由内向外排列的第七颗行星，其体积在太阳系中排名第三（比海王星大），质量排名第四（比海王星小），几乎横躺着围绕太阳公转。

天王星是唯一取自希腊神话而非罗马神话的行星，其英文名称“Uranus”来自古希腊神话中的天空之神乌拉诺斯（Οὐρανός），乌拉诺斯是克洛诺斯的父亲，宙斯的祖父，翻译成拉丁文，就是天空之神，中文则称为天王星。

天王星的视星等在+5.6至+5.9等之间，勉强在肉眼可见的+6.0等之上。在晴朗的夜晚，在没有空气污染和光污染的遥远乡村，勉强可以看见，但较为黯淡。天王星绕行速度缓慢，在望远镜发明之前和发明初期，人们曾把它当作是一颗恒星看待，从没想起它是一颗在太空中穿梭的行星。

直到1781年3月13日，德国天文学家威廉·赫歇耳发现了它。天王星的发现使太阳系的界限扩展到了20个天文单位，天王星也是人类通过望远镜发现的第一颗行星。

天王星的直径是地球的4倍，体积是地球的63倍，质量是地球的14.5倍，密度是1.29公克/厘米3，只比土星高一些，在类木行星中，天王星的质量最小。这些数值显示天王星主要由各种各样挥发性物质，例如水、氨和甲烷等组成。

天王星的中心是岩石核，岩石核非常小，半径不到天王星的20%，质量是地球的0.55倍，岩石核的密度大约是9克/厘米3；再往外是冰的地函，地函则是个庞然大物，厚度超过了天王星半径的60%，质量大约是地球的13.4倍；在岩石核与地函的交界处，压力约为800万巴（bar），温度约为5000K。所以，地函并非由一般意义上所谓的冰组成，而是由很多物质组成的流体，它们形成了天王星上别具一格的海洋。最外面主要是由氢和氦组成的外壳。厚度大约占天王星剩余20%的半径，但质量大约只有地球的0.5倍。

天王星每84个地球年环绕太阳公转一周，这也是天王星的一年，一个人能活过天王星的一年也算是高寿了。

天王星与太阳的平均距离大约为30亿公里，阳光的强度只有地球的1/400，这也决定了天王星表面的温度。天王星是太阳系内大气层最冷的行星，大气顶层的最低温度只有49K（−224℃）。

天王星大气的主要成分是氢和氦，还包含较高比例的由水、氨、甲烷等结成的“冰”，及其他碳氢化合物。天王星的外部大气层具有复杂的云层结构，水在最低的云层内，而甲烷构成最高处的云层。天王星的内部则由冰和岩石构成。

在大小和组成方面，天王星与海王星很相似，但海王星释放到太空中的热量是得自太阳热量的2.61倍，而天王星几乎没有多出来的热量被放出。看来，天王星的内热明显比其他类木行星低。

天王星和海王星的内部和大气构成与更巨大的气态巨行星木星和土星不同。虽然天王星内部没有明确的固体表面，但天王星的外面被大量气体包围，这就是天王星的大气层。与其他气体巨星相比，天王星的大气层还算平静。

1986年，旅行者2号掠过天王星时，总共观察到了10个横跨过整个行星的云带特征。有天文学家认为，这种特征是天王星的内热低于其他巨大行星的结果。

天王星大气层的主要成分是氢分子和氦。在对流层的上层，氦的质量百分比很接近原恒星质量。在天王星的大气层中，含量占第三位的是甲烷（CH₄）。甲烷在可见和近红外的吸收带使天王星显示蓝绿或深蓝色。

除甲烷外，在天王星的上层大气层中还可以追踪到各种各样微量的碳氢化合物，它们很可能是太阳的紫外线辐射导致大气层发生化学变化而来。对天王星的光谱分析也捕捉到了水蒸汽、一氧化碳和二氧化碳的踪影，它们很可能来自于彗星和其他外部天体的落尘。

对流层的温度随着高度增加而降低，在对流层顶，最低温度在49 K至57K之间。

天王星大气层的中层是平流层，此处的温度逐渐增加，再往里是天王星的增温层，也叫晕，这个地方有着均匀一致的温度，大约在800至850 K之间。天王星的大小主要由这个延伸的晕决定，这也是天王星的独特之处。

天王星有13个光环，天王星的环是继土星环之后，在太阳系内发现的第二个环系统。其中最明亮的环是ε环（Epsilon)，其他的环都非常黯淡，但又像土星的光环那样有相当大的直径。天文学家认为，天王星的环相当年轻，环中的物质可能来自被高速撞击或潮汐力粉碎的卫星。其中，第5个环的成分大部分是直径为几米到几十米的冰块。

天王星有27颗天然的卫星，这些卫星的名称都出自莎士比亚（William Shakespeare，1564年4月23日-1616年4月23日，英国文学史上最杰出的戏剧家，也是西方文艺史上的杰出的作家，全世界最卓越的文学家之一）和蒲伯（（Alexander Pope，1688年5月22日-1744年5月30日，18世纪英国最伟大的诗人，杰出的启蒙主义者）的歌剧中。

其中天卫三是天王星最大的卫星，直径约为1578公里，天卫三上布满了火山灰，表明那里曾发生过强烈的火山活动。天卫三上有长达数千公里风力强劲的大峡谷。天卫三表面可能富含甲烷及水冰。

天卫四略小于天卫三，其直径约为1522公里，天卫四布满了陨石坑。陨石坑底有许多暗区，可能已经填满了冰岩。天卫二排第三（直径约1169公里），天卫一排第四（直径约1158公里），天卫五排第五（直径约471公里），其余的那些卫星都很小。

天王星内部的自转周期是17 小时又14 分，和所有巨大的行星一样，天王星上部的大气层迎着自转的方向可以体验到非常强的风。实际上，在有些纬度，可以看见移动得非常迅速的大气，只要14个小时就能自转一周。

天王星上有奇特的季节交替，这种季节交替是由于天王星的自转轴（即南极和北极的连接线）躺在轨道平面上造成的。

春天到来时，北半球的昼与夜变化迅速，白天只有5小时25分。这样的光景要持续21年。

接下来是夏天，那时候，连续21年，北半球持续的指向太阳，那时候，这个极区会迎接太阳的持续照射，在21年的时间里，北半球都是白天（所谓的极昼），此时的南半球则是冬天的长年暗夜了。

一过这个时期，北半球的秋天来临，昼和夜开始交替，这时的南半球，自然是所谓的春天了。

接着，北半球迎来了它的冬天，那里长年背向太阳，那时候，这个极区会有21年处于极夜状态。只有在赤道附近狭窄的区域内可以体会到迅速的日夜交替，但太阳的位置非常低，有如在地球的极区。这时的南半球正是夏季，那里连续21年都是白天，看不见太阳下沉。

因为天王星具备气态行星的特质，所以经常爆发风暴，某些特殊的风暴竟能持续近10年的时间。

天王星虽然也有季节变化，但总体来说，天王星几乎是一望无际的冰雪世界，所以，天文学家也把它叫冰巨星。

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