Когда «Вояджер» добрался до Урана, одной из его главных задач стало исследование атмосферы планеты. Космический аппарат уточнил размеры Урана - диаметр планеты (по уровню облачного слоя) оказался равным 51 200 км, что примерно в 4 раза больше, чем у 3емли. Верхнюю границу атмосферы, мощность которой достигает около 7 000 - 8000 км, составляют облака. Атмосфера содержит 84% молекулярного водорода, 14% гелия, 2% метана, а также незначительное
Так выглядел Уран в 1986 году во время пролета станции "Вояджер-2". К Солнцу был обращен южный полюс планеты и плоскость колец.
количество ацетилена, цианида водорода и моноксида углерода. Внешняя часть атмосферы очень прозрачна. Зеленовато-голубой цвет газовой оболочки Урана является результатом того, что красные лучи поглощаются имеющимся в атмосфере метаном. Используя различные светофильтры, «Вояджер-2» сфотографировал пояса атмосферной дымки (тумана) над южным полюсом планеты, который во время съемки был расположен в центре освещенного Солнцем полушария. Эта дымка образовалась при прохождении солнечных ультрафиолетовых лучей через атмосферу Урана. Кое-где в верхнем слое атмосферы видны белые облачные образования, состоящие скорее всего из метанового инея. Казалось бы, из-за крайне неравномерного распределения солнечного тепла на Уране должна быть колоссальная разница температуры между освещенными и погруженными во мрак областями планеты. Можно было бы ожидать, что полюс, так надолго обращенный к Солнцу, станет существенно теплее того, который находится в потемках, но похоже, что ничего подобного не происходит. Измерения температуры верхних слоев атмосферы Урана были выполнены со станции «Вояджер-2» как раз в то время, когда зима и лето на полюсах достигли своего максимального развития. Оказалось, что температурные значения и на обоих полюсах, и на экваторе практически одинаковы! Это указывает на наличие какого-то механизма переноса тепла в атмосфере Урана от более нагретых районов к менее нагретым, и наоборот. Атмосфера планеты очень эффективно выравнивает (за счет циркуляции) температуры на всех широтах, в том числе и в темном полушарии. Измерения приходящих от планеты тепловых потоков показали, что на уровне давления 0,6 бар температуры на: экваторе у светлого и темного полюсов одинаковы и составляют 64 К, а в средних широтах градуса на 2 ниже. Минимальные температуры, 5,1 К, наблюдались на уровне 0,1 бар (выше видимой поверхности облаков). Выше температуры снова возрастают, достигая 750 К на высоте до 6000 км над облаками. Указывается, что такие высокие температуры 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. Равенство температур у полюсов и экватора заставляет ученых искать какие-то особые причины, определяющие метеорологию атмосферы Урана. Высказано предположение, что ими могут быть процессы конденсации воды в атмосфере. О составе ее будет сказано ниже; здесь же существенно, что в ней содержится, по-видимому, много паров воды. На Земле конденсация влаги и выпадение осадков мало влияют на среднюю плотность атмосферы, изменяя ее не более чем на 2%. Но для Урана такие изменения могут достигать 50%. Тогда движения в очень плотной атмосфере планеты становятся больше похожи на течения в земных океанах, которые вызываются
Снимок получен космическим телесконом им. Хаббла в инфрокрасном свете. На нем различимы облака и кольца планеты.
изменениями солености воды. В средних и высоких широтах атмосфера Урана вращается быстрее, чем глубокие слои планеты. Такое явление хорошо известно по атмосфере Венеры и носит название суперротация. Но относительно чего отсчитывать скорость вращения планеты, где сама атмосфера занимает почти 1/2 ее радиуса? Не подтвердились и предположения о циркуляции атмосферы Урана. Все расчеты относительно динамики воздушной оболочки планеты исходили из того факта, что когда один из полюсов Урана обращен в сторону Солнца, он непрерывно освещен, независимо от вращения планеты вокруг оси. Следовательно, можно было ожидать, что в районе полюса, длительно обогреваемого Солнцем, теплый воздух будет подниматься и перемещаться к экватору, а затем далее, на неосвещенную сторону планеты, где начнет, остывая, тяжелеть и опускаться в глубь атмосферы в районе затененного полюса. Однако если судить по снимкам «Вояджера», то в общей картине циркуляции атмосферы на Уране преобладает перенос в направлении вращения планеты - полосы облачности вытянуты здесь с запада на восток. Впрочем, определить это было до вольно трудно, поскольку в атмосфере удалось заметить очень мало отдельных облачных образований, отличающихся по цвету от общей однородной облачной массы, окутывающей всю планету. Эти белые облачка состоят, вероятнее всего, из метана. Они расположены на высоте, где температура составляет 80°К (около -200°С). В январе 1986 г. все же удалось обнаружить 4 небольших голубых облачка на широтах от 30 до 70°. Как оказалось, они перемещаются в долготном направлении (восток — запад) и описывают концентрические окружности вокруг полюса. Отсюда сразу же был сделан вывод, что циркуляция атмосферы на Уране определяется силами 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 16,2 ч у 33° ю.ш. и примерно 14 ч у 70° ю.ш. Уран, как и три другие газовые планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн и Нептун, - расположен во внешней части Солнечной системы, чрезвычайно далеко от Солнца, поэтому даже на дневной стороне этой планеты температура очень низкая. У верхней границы атмосферы Урана над освещенным полушарием она почти одинаковая в различных районах - от полюса до экватора. Разброс составляет всего лишь 4° (от-208 до -212°С). Это обстоятельство стало еще одним из сюрпризов, который преподнес ученым «Вояджер-2» во время исследований Урана. Как и на других планетах-гигантах, в атмосфере Урана
Строение Урана. И сравнение размеров Урана и Земли.
наблюдаются признаки сильных ветров, дующих параллельно экватору планеты. В основном это ветры, несущиеся с запада на восток с ураганными скоростями от 140 до 580 км/ч. А вот вдоль экватора ветры дуют в обратном направлении, но тоже очень сильные - 350 км/ч. Под газовой оболочкой должен располагаться океан из воды, аммиака и метана с температурой поверхности 2200 градусов С. Атмосферное давление на уровне океана - 200 тыс. земных атмосфер. В отличие от Сатурна и Юпитера на Уране нет металлического водорода, и аммиачно-метаново-водная оболочка толщиной 10 тыс. километров переходит в центральное каменно-железное ядро из твердых пород. Температура там достигает 7000 С, а давление - 6 млн атмосфер. Сердце-камень. Судить о внутреннем строении Урана возможно лишь по косвенным признакам. Масса планеты была определена с помощью расчетов, основанных на астрономических наблюдениях за гравитационным воздействием, которое оказывает Уран на свои спутники. Хотя по объему Уран в 60 раз больше нашей Земли, масса его лишь в 14,5 раз превышает земную (8,67х1028 г ). Это из-за того, что средняя плотность Урана 1,27 г/см3, то есть чуть больше чем у воды. Такие низкие плотности типичны для всех четырех планет - гигантов, состоящих преимущественно из легких химических элементов. Считается, что в самом центре Урана расположено каменное ядро, сложенное главным образом из окислов кремния. Диаметр ядра в 1,5 раза больше всей нашей Земли. Вокруг него - оболочка из смеси водного льда и каменных пород. Еще выше следует глобальный океан жидкого водорода, а затем - очень мощная атмосфера. По другой модели предполагается, что у Урана и вовсе нет каменного ядра. В таком случае Уран должен выглядеть как огромный шар из снеговой "каши", состоящий из смеси жидкости и льда, окутанный газовой оболочкой.
Магнитный штопор
Сколь ни короток был промежуток времени, отведенный «Вояджеру» на исследование Урана, сюрпризы просто не иссякали. Особенно поразительными показались ученым данные о его магнитосфере. Еще бы, ведь Уран, опять же выказав свою исключительность, обзавелся сразу четырьмя магнитными полюсами - двумя главными и двумя второстепенными. Структура магнитных полей у разных планет в целом сходная - силовые линии выходят из одного магнитного полюса, огибают планету на определенном расстоянии и входят в нее на другом магнитном полюсе. Таким образом, планета заключена в своего рода магнитный кокон. Вид его несимметричен, поскольку солнечный ветер - постоянно идущий от Солнца поток заряженных частиц, - сталкиваясь с магнитосферой, искажает ее, «сдавливая» со стороны, обращенной к Солнцу, и, вытягивая на очень большое расстояние с противоположной стороны, образует так называемый магнитный хвост, или шлейф. У 3емли, например, такой невидимый шлейф тянется на 5 млн. км. Отличия же между магнитосферами различных планет касаются главным образом геометрических размеров, которые определяются разницей в силе (напряженности) магнитных полей. Но вот у Урана магнитосфера совершенно уникальна, причем сразу по двум обстоятельствам. Мало того, что ее ось очень сильно (на 60°) отклонена от оси вращения планеты, ее центр не совпадает с центром планеты, а
Вид Урана с одного из его спутников.
сдвинут от него в сторону на 1/3 радиуса Урана. Таким образом, стрелка компаса на Уране будет указывать не на север, а на магнитный полюс, расположенный примерно на 30° широты (на Земле на этой широте находятся Канарские острова, Дели, Сидней). При этом напряженность магнитного поля на Уране сильно варьируется, изменяясь от района к району. Кроме того, на планете имеются еще и значительные магнитные аномалии - своего рода менее сильные магнитные полюса, что еще больше усложняет картину строения магнитосферы. Это странное расположение магнитного поля Урана в сочетании с очень сильным наклоном оси вращения самой планеты приводит к тому, что хвост магнитосферы протягивающийся от планеты в направлении внешних границ Солнечной системы, имеет вид длинного штопора. Вращение вместе с планетой ее магнитного поля, сильно наклоненного к оси вращения Урана, закручивает магнитные силовые линии вдоль магнитосферного хвоста, как нити внутри каната. Измерения со станции «Вояджер-2» показали, что вытянутый под действием солнечного ветра хвост магнитосферы Урана протягивается не менее чем на 10 млн. км по направлению к орбите следующей планеты Солнечной системы - Нептуна. Если бы мы обладали «магнитным зрением», то без труда смогли бы наблюдать такой гигантский объект на ночном небе просто невооруженным глазом, тем более что он был бы размером почти в половину Луны... Магнитное поле Урана, его напряженность и структура относились к главным исследованиям «Вояджера». Но прежде чем это поле было обнаружено, ученым пришлось немало поволноваться. Некоторые наземные наблюдения можно было истолковать как косвенные указания на существование поля. Но «Вояджер» подходил все ближе к Урану, а никаких признаков поля не было. Лишь за 5 дней до сближения удалось принять характерные всплески радиоизлучения, вызываемые взаимодействием магнитного поля с потоком заряженных частиц. По периодичности этих всплесков и был найден период вращения планеты. Магнитное поле обладает определенным давлением. Там, где оно уравновешивается газодинамическим давлением солнечного ветра, возникает так называемая ударная волна. «Вояджер» безрезультатно прошел все предсказанные положения ударной волны, а только за 10 ч до наибольшего сближения, 24 января 1986 г., пересек ее. Дальнейшие двое суток аппарат провел внутри магнитосферы Урана, которая оказалась необычайно сложной. Заполнена плазмой, образующей радиационные пояса, похожие на земные. На уровне видимой облачной поверхности (где давление около 0,5 бар) напряженность дипольного поля близка к земной: 0,23 Э. Положение полюсов диполя обратно земному, как у Юпитера и Сатурна.
Когда о Земле говорят "голубая планета" - это ласковое преувеличение. Основная ее палитра включает белый (облака, льды), желто-коричневый (суша) и свинцово-серый (океан) цвета. По-настоящему голубой планетой оказался далекий Уран! Причина этого кроется в составе атмосферы Урана и ее температуре. При морозе (-218 С) в верхних слоях водородно-гелиевой атмосферы сконденсировалась и теперь постоянно присутствует метановая дымка. Метан хорошо поглощает красные лучи и отражает голубые и зеленые. Поэтому Уран и приобрел красывый аквамариновый цвет. Типичный для Юпитера и Сатурна белые аммиачные облака на Уране сформировались в нижних слоях атмосферы и поэтому не видны. Лишь на низких широтах было замечено несколько светлых облаков. Все атмосферные течения скрыты метановой дымкой. Уран получает почти в 400 раз меньше света, чем наша планета. Для чувствительного человеческого глаза это соответствует освещенности на Земле сразу после захода Солнца, в начале сумерек. Почти на самом краю Солнечной системы, в темных глубинах Космоса, мчится по своей орбите гигантская планета Уран, состоящая главным образом из газообразного и жидкого водорода. Она окутана метановой дымкой, скрывающей какие-либо детали ее атмосферы. Лишь в центре Урана предположительно есть твердое каменное ядро. Эту далекую планету окружают 11 почти абсолютно черных колец и 27 спутников. На небосводе Земли люди с древних времен видели 5 планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Наблюдения невооруженным глазом не позволяли различить ни остальные планеты, ни детали на их поверхностях. Лишь с изобретением телескопа удалось разглядеть наших соседей по Солнечной системе поподробнее и обнаружить еще три планеты - Уран, Нептун и Плутон. Первым в этой триаде был открыт Уран. Обнаружение этой планеты было огромным событием, которое можно сравнить с открытием Америки или с первыми полетами людей в космос. Как ни странно, но Уран был обнаружен случайно, в ходе систематического наблюдения звезд. Уран - седьмая по удаленности от Солнца планета. Он входит в четверку планет-гигантов, находящихся во внешней части Солнечной системы. Уран движется вокруг Солнца по орбите, расположенной примерно посередине между орбитами соседних планет - Сатурна, находящегося ближе к Солнцу, и Нептуна. Хотя Уран - третья по величине планета Солнечной системы, он расположен настолько далеко от Земли, что практически недоступен для наблюдения невооруженным глазом. Его можно увидеть с большим трудом в виде очень маленькой звездочки, но надо точно знать место, где он находится в данный момент. Для того чтобы получше разглядеть Уран, требуется по крайней мере бинокль, а лучше - телескоп с 60-кратным увеличением, тогда будет возможно увидеть не просто светлую точку, а маленький диск. Из-за такой сложности наблюдений Уран был открыт лишь два века назад, то есть совсем недавно по сравнению с более близкими к Земле планетами, хорошо видимыми невооруженным глазом и известными людям уже несколько тысячелетий.
