Книга: Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

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 ?=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.