Ουρανός (πλανήτης)

Ιστορία

Ο πλανήτης Ουρανός ανακαλύφθηκε το 1781 από τον Βρετανό αστρονόμο Ουίλιαμ Χέρσελ. Για τη φύση της ατμόσφαιρας και τη δομή του δόθηκαν πολύ χρήσιμες πληροφορίες από τη διαστημική συσκευή της NASA Βόγιατζερ 2, που πέρασε σε απόσταση 81.500 χιλιόμετρα από την κορυφή των νεφών του πλανήτη, στις 24 Ιανουαρίου 1986.

Θέση στο Ηλιακό Σύστημα

Ο Ουρανός απέχει κατά μέσο όρο 2.870 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τον Ήλιο. Η τροχιά της περιφοράς του Ουρανού γύρω από τον Ήλιο είναι ελλειπτική, με εκκεντρότητα 4,61%. Η περίοδος περιφοράς του είναι 84,01 γήινα έτη. Η περίοδος περιστροφής γύρω από τον άξονά του είναι 17,9 ώρες. Η ελάχιστη απόστασή του από τη γη είναι 2,57 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα.

Μέγεθος

Ο Ουρανός είναι ο τέταρτος σε μάζα πλανήτης του Ηλιακού συστήματος με μάζα 8,68·10²⁵ kg (14,5 φορές αυτή της Γης). Η μέση πυκνότητά του είναι 1270 kg/m³ ή περίπου 30% μεγαλύτερη από αυτή του νερού. Η διάμετρός του είναι 54.188 χλμ. ή περίπου 4,5 φορές αυτή της Γης.

Εσωτερική δομή

Η μάζα του Ουρανού είναι περίπου 14,5 φορές μεγαλύτερη της Γης, καθιστώντας τον, τον λιγότερο ογκώδη μεταξύ των μεγάλων πλανητών. Ωστόσο, η διάμετρός του είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από αυτή του Ποσειδώνα, περίπου τέσσερις φορές η διάμετρος της Γης. Μία συνολική πυκνότητα 1,27 g / cm ³ κάνει τον Ουρανό το δεύτερο λιγότερο πυκνό πλανήτη, μετά τον Κρόνο. Η τιμή αυτή υποδεικνύει ότι αποτελείται από διάφορους πάγους, όπως του νερού, της αμμωνίας και του μεθανίου. Η συνολική μάζα των παγωμένων υλικών στο εσωτερικό του Ουρανού δεν είναι επακριβώς γνωστή, καθώς διαφορετικά στοιχεία προκύπτουν ανάλογα με το μοντέλο που έχει επιλεγεί· ωστόσο, πρέπει να είναι μεταξύ 9,3 και 13,5 γήινων μαζών. Το υδρογόνο και το ήλιο αποτελούν μόνο ένα μικρό μέρος του. Συνολικά, με μάζα μεταξύ 0,5 και 1,5 γήινων μαζών. Το υπόλοιπο μέρος της μάζας που δεν είναι παγωμένο (0,5 - 3,7 γήινες μάζες) εξηγείται από βραχώδη υλικά.
Το καθιερωμένο μοντέλο της δομής Ουρανός είναι ότι αποτελείται από τρία στρώματα: το βραχώδη πυρήνα στο κέντρο, ένα παγωμένο μανδύα στη μέση και μια εξωτερική στιβάδα αέριου υδρογόνου ή ηλίου. Ο πυρήνας είναι σχετικά μικρός, με μάζα μόλις 0,55 γήινες μάζες και με ακτίνα μικρότερη από το 20% του Ουρανού. Ο μανδύας αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του πλανήτη, με μάζα ίση περίπου με 13,4 γήινες μάζες, ενώ τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας είναι σχετικά μικρής σημασίας, καθώς ζυγίζουν περίπου 0,5 γήινες μάζες και εκτείνονται για το τελευταίο 20 % της ακτίνας του Ουρανού. Η πυκνότητα του πυρήνα του Ουρανού είναι περίπου 9 g / cm ³, με πίεση στο κέντρο της τάξεις των 8 εκατομμυρίων μπαρ (800 GPa) και θερμοκρασία περίπου 5000 Κ. Ο μανδύας πάγου δεν αποτελείται στην πραγματικότητα από πάγο με τη συμβατική έννοια του όρου, αλλά από ένα καυτό και πυκνό υγρό που αποτελείται από νερό, αμμωνία και άλλες πτητικές ουσίες. Αυτό το υγρό, το οποίο έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, αποκαλείται μερικές φορές ωκεανός νερού-αμμωνίας. Η σύνθεση στο μεγαλύτερο μέρος του Ουρανού και του Ποσειδώνα είναι πολύ διαφορετική από αυτή του Δία και του Κρόνου, με τον πάγο να δεσπόζει στα αέρια, και ως εκ τούτου να δικαιολογεί την ξεχωριστή κατάταξη τους ως γίγαντες πάγου. Μπορεί να υπάρχει ένα στρώμα ιόντων νερού, όπου τα μόρια του νερού διασπώνται σε μια σούπα ιόντων υδρογόνου και οξυγόνου, και πιο βαθιά κάτω ιονικό νερό στο οποίο το οξυγόνο αποκρυσταλλώνεται, αλλά τα ιόντα υδρογόνου επιπλέουν ελεύθερα εντός του πλέγματος του οξυγόνου.
Ενώ το παραπάνω μοντέλο είναι εύλογα πρότυπο, δεν είναι μοναδικό· άλλα μοντέλα επίσης πληρούν τις παρατηρήσεις. Για παράδειγμα, εάν σημαντικές ποσότητες υδρογόνου και βραχώδους υλικού αναμειγνύονται στον παγωμένο μανδύα, η συνολική μάζα των πάγων στο εσωτερικό του θα είναι μικρότερη, και, αντιστοίχως, η συνολική μάζα των βράχων και του υδρογόνου θα είναι μεγαλύτερη. Προς το παρόν τα διαθέσιμα δεδομένα δεν επιτρέπουν στην επιστήμη να προσδιορίσει ποιο μοντέλο είναι σωστό. Το υγρό στην εσωτερική δομή του Ουρανού σημαίνει ότι δεν έχει στερεή επιφάνεια. Η αέρια ατμόσφαιρα βαθμιαία μεταβαίνει στο εσωτερικό υγρό στρώμα. Ωστόσο, για λόγους ευκολίας, περιστρεφόμενο πεπλατυσμένο σφαιροειδές ορίζεται το σημείο στο οποίο η ατμοσφαιρική πίεση ισούται με 1 bar (100 kPa) και είναι συμβατικά το επίπεδο το οποίο ορίζεται ως επιφάνεια. Ο Ουρανός έχει ισημερινές και πολικές ακτίνες της τάξης των 25.559 ± 4 και 24.973 ± 20 χλμ, αντίστοιχα. Αυτή η επιφάνεια θα πρέπει να χρησιμοποιείται σε αυτό το άρθρο ως σημείο μηδέν για τα ύψη.

Εσωτερική θερμότητα

Η εσωτερική θερμότητα του Ουρανού είναι αισθητά χαμηλότερη από εκείνη των άλλων μεγάλων πλανητών· σε αστρονομικούς όρους, έχει μικρή θερμική ροή. Ο λόγος για τον οποίο η εσωτερική θερμοκρασία του Ουρανού είναι τόσο χαμηλή δεν είναι ακόμα κατανοητός. Ο Ποσειδώνας, ο οποίος είναι σχεδόν δίδυμος με τον Ουρανό στο μέγεθος και τη σύνθεση, ακτινοβολεί 2,61 φορές περισσότερη ενέργεια στο διάστημα απ´όση λαμβάνει από τον Ήλιο. Ο Ουρανός, αντιθέτως, ακτινοβολεί ελάχιστη περισσότερη θερμότητα απ´όση δέχεται. Η συνολική ισχύς που εκπέμπεται από τον Ουρανό στο μακρινό υπέρυθρο μέρος του φάσματος (δηλαδή η θερμότητα) είναι 1,06 ± 0,08 φορές η ηλιακή ενέργεια που απορροφάται από την ατμόσφαιρα. Στην πραγματικότητα, η ροή θερμότητας του Ουρανού είναι μόνο 0,042 ± 0,047 W / m², η οποία είναι χαμηλότερη από την εσωτερική ροή θερμότητας της Γης, περίπου 0.075 W / m². Η χαμηλότερη θερμοκρασία που καταγράφεται στην τροπόπαυση του Ουρανού είναι 49 K (-224 °C), καθιστώντας τον Ουρανό τον ψυχρότερο πλανήτη στο Ηλιακό Σύστημα.

Ατμόσφαιρα

Αν και δεν υπάρχει σαφώς καθορισμένη στερεή επιφάνεια στον Ουρανό, το ακραίο τμήμα του αέριου περιβλήματος του Ουρανού που είναι προσβάσιμο με τηλεανίχνευση ονομάζεται ατμόσφαιρα. Αυτή η ικανότητα επεκτείνεται σε απόσταση περίπου 300 χιλιόμετρα εντός του πλανήτη από το επίπεδο του ενός bar (100 kPa ), και έχει πίεση γύρω στα 100 bar (10 MPa) και θερμοκρασίες της τάξης των 320 K. Το αδύναμο στέμμα της ατμόσφαιρας επεκτείνεται εντυπωσιακά σε απόσταση μεγαλύτερη από δύο πλανητικές ακτίνες από την ονομαστική επιφάνεια σε πίεση 1 bar. Η ουράνια ατμόσφαιρα μπορεί να διαιρεθεί σε τρία στρώματα: την τροπόσφαιρα, ανάμεσα ύψη των -300 και 50 χλμ και πιέσεων 100 - 0,1 bar (10 MPa έως 10 kPa), τη στρατόσφαιρα, που εκτείνεται σε υψόμετρο μεταξύ 50 και 4000 χιλιομέτρων και πιέσεις μεταξύ 0,1 και 10-10 bar (10 kPa έως 10 μΡa), καθώς και τη θερμόσφαιρα ή στέμμα που εκτείνεται σε απόσταση από 4.000 χιλιόμετρα μέχρι σε τόσο μεγάλη όσο 50.000 χιλιόμετρα από την επιφάνεια. Δεν υπάρχει μεσόσφαιρα.
Με βάση παρατηρήσεις το 2012, είναι γνωστό πως στον πλανήτη οι άνεμοι πνέουν συνήθως από τα ανατολικά, με ταχύτητες που φτάνουν τα 900 χιλιόμετρα την ώρα, ενώ στο βόρειο πόλο διακρίνονται φορά ρεύματα μεταφοράς θερμότητας. Η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας είναι περιορισμένη στους -240 βαθμούς Κελσίου.

Σύνθεση

Η σύνθεση της Ουράνιας ατμόσφαιρας είναι διαφορετική από τη σύνθεση ολόκληρου του πλανήτη, επειδή αποτελείται κυρίως από μοριακό υδρογόνο και ήλιο. Το μοριακό κλάσμα του ηλίου, δηλαδή ο αριθμός των ατόμων ηλίου ανά μόριο αερίου, είναι 0,15 ± 0,03 στην ανώτερη τροπόσφαιρα, που αντιστοιχεί σε κλάσμα μάζας 0,26 ± 0,05. Η τιμή αυτή είναι πολύ κοντά στο πρωτοηλιακό κλάσμα μάζας του ηλίου 0.275 ± 0,01, που δείχνει ότι το ήλιο δεν έχει μετακινηθεί προς το κέντρο του πλανήτη, όπως συνέβη στους γίγαντες αερίου. Το τρίτο πιο άφθονο συστατικό της ατμόσφαιρας του Ουρανού είναι το μεθάνιο (CH4). Το μεθάνιο έχει εξέχουσες ζώνες απορρόφησης στο ορατό και στο εγγύς υπέρυθρο (IR) φάσμα, καθιστώντας τον Ουρανό γαλαζοπράσινου ή κυανού χρώματος. Τα μόρια μεθανίου αντιπροσωπεύουν το 2,3% της ατμόσφαιρας από το μοριακό κλάσμα κάτω από το επίπεδο του σύννεφου μεθανίου στο επίπεδο πίεσης 1,3 bar (130 kPa)· αυτό αντιπροσωπεύει περίπου 20 με 30 φορές την αφθονία άνθρακα που βρέθηκε στον Ήλιο. Η αναλογία ανάμειξης είναι πολύ χαμηλότερη στην ανώτερη ατμόσφαιρα, λόγω της εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας της, η οποία υποβαθμίζει το επίπεδο κορεσμού και προκαλεί στο επιπλέον μεθάνιο πήξη. Η αφθονία των λιγότερο πτητικών ενώσεων, όπως η αμμωνία, το νερό και το υδρόθειο στην κατώτερη ατμόσφαιρα είναι ελάχιστα γνωστές. Ωστόσο, είναι πιθανόν να είναι επίσης υψηλότερες από αυτές του Ήλιου. Μαζί με το μεθάνιο, ίχνη διαφόρων υδρογονανθράκων βρίσκονται στη στρατόσφαιρα του Ουρανού, οι οποίοι πιστεύεται ότι παράχθηκαν από μεθάνιο το οποίο υπέστη φωτόλυση από την ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία (UV). Περιλαμβάνουν αιθάνιο (C2H6), ακετυλένιο (C2H2), προπίνιο (CH3C2H) και διακετυλένιο (C2HC2H). Η φασματοσκοπία αποκάλυψε, επίσης, ίχνη υδρατμών, μονοξειδίου του άνθρακα και διοξειδίου του άνθρακα στην ανώτερη ατμόσφαιρα, τα οποία μπορεί μόνο να κατάγονται από μια εξωτερική πηγή, όπως από σκόνη και τους κομήτες.

Μαγνητόσφαιρα

Πριν από την άφιξη του Βόγιατζερ 2, δεν είχαν γίνει μετρήσεις της μαγνητόσφαιρας Ουρανού, και έτσι η φύση της παρέμενε ένα μυστήριο. Πριν από το 1986, οι αστρονόμοι ανέμεναν το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη Ουρανού να είναι ευθυγραμμισμένο με τον ηλιακό άνεμο, δεδομένου ότι θα ήταν τότε ευθυγραμμισμένο με τους πόλους του πλανήτη που βρίσκονται στην εκλειπτική.
Οι παρατηρήσεις του Βόγιατζερ αποκάλυψαν ότι το μαγνητικό πεδίο είναι ιδιαίτερο, τόσο επειδή δεν προέρχεται από το γεωμετρικό κέντρο του πλανήτη, όσο και επειδή έχει κλίση 59 ° ως προς τον άξονα περιστροφής. Στην πραγματικότητα, το μαγνητικό δίπολο μετατοπίζεται από το κέντρο του πλανήτη προς το Νότιο πόλο περιστροφής έως και κατά το ένα τρίτο της ακτίνας του πλανήτη. Αυτή η ασυνήθιστη γεωμετρία έχει ως αποτέλεσμα μία εξαιρετικά ασύμμετρη μαγνητόσφαιρα, όπου η ένταση του μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια στο νότιο ημισφαίριο μπορεί να είναι τόσο χαμηλή της τάξεως του 0,1 Gauss (10 μT), ενώ στο βόρειο ημισφαίριο μπορεί να είναι τόσο υψηλή όσο 1,1 gauss (110 μT). Ο μέσος όρος πεδίου στην επιφάνεια είναι 0,23 gauss (23 μT). Σε σύγκριση, το μαγνητικό πεδίο της Γης είναι περίπου το ίδιο ισχυρό είτε στους πόλους είτε στο «μαγνητικό ισημερινό" της και είναι περίπου παράλληλο προς τη γεωγραφική ισημερινό του. Η διπολική ροπή του Ουρανού είναι 50 φορές αυτή της Γης. Ο Ποσειδώνας έχει ομοίως μετατοπισμένο και εκλινές μαγνητικό πεδίο, γεγονός που υποδηλώνει ότι αυτό μπορεί να είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό των γιγάντων του πάγου. Μια υπόθεση είναι ότι, σε αντίθεση με τα μαγνητικά πεδία των χερσαίων και των γιγάντιων αερίων, τα οποία παράγονται εντός των πυρήνων τους, στους γίγαντες πάγου τα μαγνητικά πεδία μάλλον δημιουργούνται από την κίνηση σε σχετικά μικρά βάθη, για παράδειγμα, στον ωκεανό νερού-αμμωνίας.
Όταν παρατηρήθηκε το 1986 από το Βόγιατζερ 2, ο Ουρανός έχει σχετικά καλά ανεπτυγμένο πολικό σέλας, το οποίο φαινόταν σαν λαμπερά τόξα γύρω από τους μαγνητικούς πόλους. Το 2011 το πολικό σέλας παρατηρήθηκε ύστερα από προσεκτικά προγραμματισμένες παρατηρήσεις από το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Χαμπλ. Το πολικό σέλας του Ουρανού ήταν βραχύβιο, με διάρκεια λίγων λεπτών, και φαινόταν σαν λαμπερές κηλίδες, αρκετά διαφορετικό από αυτό που παρατήρησε το Βόγιατζερ. Η διαφορά στην εμφάνιση πιθανόν οφείλεται στο γεγονός ότι το Βόγιατζερ πέρασε κοντά από τον πλανήτη στο ηλιοστάσιό του, όταν ο μαγνητικός άξονας του πλανήτη είχε μεγάλη κλίση ως προς τον ηλιακό άνεμο, ενώ οι παρατηρήσεις από το Χαμπλ έγιναν κοντά στην ισημερία, όταν οι μαγνητικοί πόλοι δείχνουν προς στον Ήλιο μια φορά την ημέρα. Επίσης, το φαινόμενο το 1986 ήταν πιο έντονο στην πλευρά του πλανήτη που δεν φωτίζεται και που δεν μπορεί να παρατηρηθεί από τη Γη. Αντίθετα με τον Δία, το σέλας του Ουρανό μοιάζει να μην είναι σημαντικό για την ενεργειακή ισορροπία στην θερμόσφαιρα του πλανήτη.

Παρατήρηση

Λόγω της απόστασής του από τη Γη, ο πλανήτης Ουρανός είναι δύσκολα ορατός με γυμνό μάτι. Για το λόγο αυτό ήταν άγνωστος στους αρχαίους λαούς και ανακαλύφθηκε μόνο όταν κατασκευάστηκαν τηλεσκόπια ικανά να τον εντοπίσουν. Ο Τζον Φλάμστηντ υποστηρίζεται ότι τον παρατήρησε πρώτος, όμως νόμισε ότι παρατηρούσε κάποιον κομήτη. Την ίδια αρχική εντύπωση είχε και ο Χέρσελ, όταν ξεκίνησε τις παρατηρήσεις του ουράνιου αυτού σώματος. Τον Ουρανό μπορεί κανείς να τον δει με καλά κιάλια. Με μικρό οπτικό τηλεσκόπιο είναι εύκολα ορατός, αλλά χωρίς να είναι δυνατόν να διακρίνει κανείς λεπτομέρειες πάνω στον δίσκο του.

Εξερεύνηση

Το 1986, η NASA, με το Βόγιατζερ 2 επισκέφθηκε τον Ουρανό. Η επίσκεψη αυτή είναι η μόνη απόπειρα να διερευνηθεί ο πλανήτης από μικρή απόσταση και επί του παρόντος άλλες επισκέψεις δεν έχουν προγραμματιστεί. Ξεκινώντας το 1977, το Βόγιατζερ 2 έκανε την εγγύτερη προσέγγισή του στον Ουρανό στις 24 Ιανουαρίου 1986, σε μία απόσταση 81.500 χιλιόμετρων από τις κορυφές των νεφών του πλανήτη, πριν συνεχίσει το ταξίδι του προς τον Ποσειδώνα. Το Βόγιατζερ 2 μελέτησε τη δομή και τη χημική σύνθεση της ατμόσφαιρας, ανακάλυψε 10 νέα φεγγάρια και μελέτησε τις μοναδικές καιρικές συνθήκες του πλανήτη που προκαλεί η κλίση του άξονα κατά 97,77° και εξέτασε το σύστημα δακτυλίου του πλανήτη. Μελέτησε επίσης το μαγνητικό πεδίο, την ακανόνιστη δομή του, την κλίση του και το μοναδικό του σχήμα που προκαλείται από τον πλάγιο προσανατολισμό του Ουρανού. Έκανε την πρώτη λεπτομερή έρευνα των πέντε μεγαλύτερων δορυφόρων του, και μελέτησε τους εννέα γνωστούς δακτυλίους του συστήματος, ανακαλύπτοντας άλλους δύο.