Солнечная система

Глава IX УРАН

Уран и Нептун — близнецы, далекие планеты-гиганты, находятся на периферии Солнечной системы. Обе планеты очень трудны для наблюдений: из-за удаленности угловые диаметры их дисков не превышают 4". Различить какие-либо подробности на таком маленьком диске с Земли почти невозможно. «Вояджер-2» сблизился с Ураном 24 января 1986 г. и провел запланированную программу исследований планеты, ее спутников и колец.

Открытый У. Гершелем в 1781 г. Уран относится к наиболее далеким планетам. Радиосигналы «Вояджера» шли от него до Земли 2ч. 40мин. Из-за сильного поглощения в красной части спектра планета имеет зелено-голубой цвет. Поглощение вызывают полосы метана, который в небольшом количестве присутствует в атмосфере. Различить на маленьком диске какие-либо детали очень сложно. История наблюдений Урана полна противоречивых результатов. Иногда наблюдатели сообщали о слабых полосах, подобных зонам и поясам Сатурна, но зачастую не находили никаких деталей. Имеются сообщения, что детали появлялись и исчезали в течение нескольких месяцев.

Были попытки связать видимость деталей с очень длительными сезонными изменениями на Уране. Плоскость его экватора наклонена к плоскости орбиты на 82° (с учетом обратного направления вращения планеты этот угол записывают как 98°). Такое положение полярной оси приводит к многим особенностям планеты. Уран вращается, как говорят, «лежа на боку». Наклон приходится считать большим 90°, чтобы при взгляде на тот полюс, наклон которого указан, направление вращения Урана было таким же, как у других планет — против хода часовой стрелки (по этой же причине наклон оси вращения Венеры указывается как 177°). Прежде полюс Урана, соответствующий такому «правильному» направлению вращения, называли северным. Но поскольку он обращен в южную полусферу эклиптики, то решением MAC его переименовали в южный (при этом в жертву был принесен принцип направления вращения). В 1985 г. этот южный полюс Урана был обращен к Солнцу и Земле; в те годы мы видели Уран, вращающимся против часовой стрелки. В 1990-х Солнце освещало средние южные широты планеты. (См. http://haydenplanetarium.org/resources/ava/page/ index.php?file=P0418uranseas или http://haydenplanetarium.org/ movies/ava/P0418uranseas.mpg). В 2007 г. к Солнцу и Земле обращена экваториальная область Урана, так что в ближайшие 20 лет в сторону Солнца будет постепенно поворачиваться северный полюс, а видимое с Земли вращение планеты будет происходить по часовой стрелке.

Рис. Спутники Урана.

«Лежачее» положение оси вращения приводит к максимально возможным сезонным изменениям освещенности. При орбитальном периоде 84 года полярные день и ночь длятся по 14 лет на широте 30°, по 28 лет — на 60° и по 42 года на полюсах. Однако из сезонных эффектов (если они действительно сезонные) пока установлена только одна зависимость: за 20 лет, в течение которых центр видимого с Земли диска планеты смещался от экватора к полюсу, радиояркостная температура видимого полушария возросла вдвое, с 140 до 290 К.

До сближения «Вояджера» с Ураном оставалось неизвестным, как влияет необычное положение полярной оси на циркуляцию атмосферы. Телекамеры зонда задолго до сближения стали передавать на Землю изображения южного полушария, — ровного голубого диска, более темного к краям, без каких-либо заметных деталей. Сплошная дымка (скорее всего, из кристалликов замерзшего метана) полностью закрывает нижние слои облаков. Дымка чуть светлее и краснее у полюса.

В январе 1986 г. все же удалось обнаружить четыре очень слабых голубых облачка на широтах от 30° до 70°ю.ш. Они перемещались в долготном направлении и описывали концентрические окружности вокруг полюса. Отсюда был сделан вывод, что циркуляция атмосферы на Уране определяется силой Кориолиса (инерционной природы), а не притоком солнечной радиации. Так же организована циркуляция и в атмосферах других планет. Найденный по движению облачных образований период вращения атмосферы зависит от широты и составил 16,2ч. у 33°ю.ш. и примерно 14ч. у 70°ю.ш. Чтобы обнаружить эти образования, понадобились всевозможные ухищрения, например исключение потемнения к краю, так как контрасты, с которыми были видны облака, тонут в нормальном распределении яркости по шару Урана. Белая полоска на самом лимбе — надоблачный туман из кристаллов метана.

За счет циркуляции атмосфера очень эффективно выравнивает температуру на всех широтах, в том числе и в темном полушарии. Измерения приходящих от планеты тепловых потоков показали, что в подоблачной атмосфере, уже на уровне 2,3 бар, температура достигает 100 К. Выше, на уровне давления 0,6 бар, температура на экваторе, а также у светлого и темного полюсов одинакова и составляет 64 К, а в средних широтах — градуса на 2 ниже. Минимальная температура (53 К) наблюдалась на уровне давления 0,1 бар (выше видимой поверхности облаков). Еще выше температура снова возрастает, достигая 750 К на высоте до 6000 км. над облаками. Такую высокую температуру экзосферы, состоящей в основном из водорода, нельзя объяснить только излучением Солнца, которого на весь огромный диск планета получает в 140 раз меньше, чем маленькая Земля.

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).

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.

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.

Наглядную модель поля Урана можно представить, если вставить в мячик под углом 60° к горизонтали стержневой магнит и вращать мячик вокруг горизонтальной оси. С каждым оборотом направление поля в «магнитосфере» будет меняться дважды.

Существует несколько гипотез о природе такой необычной магнитосферы; в частности, предполагалось, что она связана с положением полярной оси. Но против этого имеется интересное возражение. По существу, необычно только положение полярной оси относительно Солнца. Поле возбуждается в глубоких слоях планеты, которые не могут «знать», где находится Солнце, так как приливные силы в теле Урана совершенно ничтожны.

В действительности, объяснения требует тот факт, что у Земли, Сатурна и Юпитера магнитные поля имеют четко выраженные два полюса, расположенные приблизительно на оси вращения планеты, а у магнитных полей Урана и Нептуна нет строгой дипольной структуры, и линия основных полюсов сильно наклонена к оси вращения: на Уране примерно на 59°, а на Нептуне — на 47°. Для объяснения этого явления предлагалось несколько механизмов, но ни один не получил признания. Однако в 2004 г. планетологи С. Стенли и Дж. Блоксем (Гарвардский университет, США) с помощью численной модели показали, что изменяя параметры внутренней структуры планеты, можно «создать» магнитное поле, подобное полям Урана и Нептуна.

Все модели генерации магнитных полей планет состоят из одних и тех же компонентов: они содержат зону электропроводящей жидкости и источник энергии, обеспечивающий движение этой жидкости. Например, модель поля Земли учитывает ее богатую железом жидкую внешнюю часть ядра (электропроводящая жидкость) и охлаждение поверхности (или радиоактивное нагревание внутренних слоев), стимулирующее конвективные потоки в недрах планеты. Другой необходимый элемент — вращение планеты, организующее движение жидкости: упорядоченное движение проводящей жидкости может возбудить крупномасштабное магнитное поле, а хаотическое движение жидкости его разрушает. И только когда все эти условия соблюдены — в модели или в планете, — движущаяся электропроводящая жидкость превращается в динамо-машину, генерирующую магнитное поле.

Для планет земного типа конвективные движения обычно моделируются в толстой вращающейся оболочке из жидкого проводника, которая окружает относительно небольшое твердое электропроводящее ядро. В результате получается дипольное магнитное поле, как у магнитного стержня, вытянутого вдоль оси вращения планеты. Эта ситуация характерна как для Земли, так и для гигантов — Юпитера и Сатурна. У них очень маленькое твердое ядро окружено толстым конвективным слоем металлического водорода. Но такая модель не может описать все особенности полей Урана и Нептуна.

Стенли и Блоксем построили численную модель динамоэффекта, воспроизводящую эти особенности. Они предположили, что вместо толстой конвективной оболочки и твердого ядра Уран и Нептун имеют тонкий внешний конвективный слой ионизованной жидкости, окружающий внутренний жидкий ионизованный «океан», лишенный конвективного движения. Эта модель основана на детальных расчетах, показавших, что при наблюдаемых низких тепловых потоках из недр этих планет конвективные движения могут возникать только в тонких приповерхностных слоях Урана и Нептуна, протяженность которых составляет 20—25% радиуса планеты.

В модели Стенли и Блоксема действительно генерируются поля, подобные наблюдаемым на Уране и Нептуне. К сожалению, в ближайшие годы не запланированы экспедиции к этим планетам, поэтому не будет возможности уточнить структуру их магнитных полей. Но важно уже то, что модель демонстрирует способность одного базового процесса — конвекции во вращающейся сферической оболочке с электропроводящей жидкостью — объяснять основные структуры всех планетных магнитных полей в Солнечной системе.

Солнечное освещение вблизи Урана в 370 раз слабее, чем вблизи Земли. Особенно это ощущалось при поиске и телевизионной съемке таких темных объектов, как кольца Урана. Их открыли в 1977 г. с самолетной астрономической обсерватории «Койпер» (NASA) при наблюдении покрытия Ураном звезды. У планеты оказалось 9 чрезвычайно узких, сравнительно плотных колец и ряд диффузных образований той же природы. Кольца находятся близко к планете, в пределах 25,5 тыс. км. над облачным слоем. Они оказались непохожими на кольца Сатурна: узкими с очень широкими интервалами между ними. Общей массы материала в кольцах хватило бы лишь на самый маленький спутник, диаметром 15 км. (у колец Сатурна объем материала в 1000 раз больше). Кольца Урана очень темные. Даже вблизи их можно видеть только при благоприятных условиях. Вся группа занимает интервал высот всего в 9,3 тыс. км. Самое широкое — внешнее асимметричное кольцо ε шириной 32 км., со средним радиусом 51150 км., самое узкое — третье снаружи кольцо γ шириной 600 м. Порядок колец следующий: ε, δ, γ, η, β, α, 4, 5, 6. В отличие от колец Сатурна и особенно Юпитера, кольца Урана почти не содержат пылевых частиц. Это глыбовые кольца с размерами отдельных элементов в несколько метров. Куски в 10 см. встречаются редко. Темный цвет их поверхности, по-видимому, определяется их положением в поясах заряженных частиц и постоянной бомбардировкой последними.

Частицы планетных колец, даже обращающиеся на одинаковом среднем расстоянии от центра, приобретают из-за возмущений небольшую относительную скорость и сталкиваются иногда между собой, что рано или поздно приводит к их разрушению.

Косвенно это подтверждает слабое, вероятно, остаточное кольцо Юпитера. Набравшись смелости, можно предположить, что есть даже историческое свидетельство разрушения колец. В своем дневнике наблюдений 16 марта 1789 г., спустя ровно 8 лет после открытия Урана, Гершель изобразил Уран с кольцами и приписал: «Кольцо короткое, не такое, как у Сатурна». Астрономы считают эту запись ошибкой: увидеть кольцо в его нынешнем виде Гершель не мог. Но вот что удивляет: кольцо у него показано в том ракурсе и на том месте, где оно действительно находилось в 1789 г. Не значит ли это, что кольцо обветшало всего за 200 лет?