[科普中國(guó)]-天王星大氣層

成份

天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同，主要是。氦的摩爾分?jǐn)?shù)，這是每摩爾中所含有的氦原子數(shù)量，是利用旅行者2號(hào)的遠(yuǎn)紅外線和無(wú)線電的掩星觀測(cè)測(cè)量和分析得到的，現(xiàn)在被認(rèn)可的數(shù)值是0.15±0.03。在對(duì)流層頂，這個(gè)數(shù)值的質(zhì)量比0.26 ± 0.05。這個(gè)數(shù)值非常接近原恒星的氦質(zhì)量比0.275 ± 0.01，暗示氦沒(méi)有像氣體巨星一樣的沉降至行星的中心。氘的豐度相對(duì)于較輕的氫是，是在1990年由紅外線太空天文臺(tái)（ISO）測(cè)定的，并且顯然比在木星測(cè)量的原恒星2.25 ± 0.35×10?5數(shù)值更高。這些氘幾乎完全都沒(méi)有例外的在與正常的氫原子組成的氫氘分子中發(fā)現(xiàn)的。在天王星大氣層內(nèi)豐度排第三的就是甲烷(CH4)，它們的存在有一度是靠地基的分光鏡觀測(cè)的結(jié)果甲烷在可見(jiàn)光和近紅外線有寬廣的吸收帶，使天王星呈現(xiàn)藍(lán)綠或深藍(lán)的顏色。在大氣壓力1.3帕的甲烷云頂之下，甲烷在大氣層中的摩爾分?jǐn)?shù)是2.3%，這個(gè)量大約是太陽(yáng)的20至30倍。在大氣層上層的，由于極端的低溫使得混合的比率非常低，飽和度的降低使多余的甲烷結(jié)成了冰。揮發(fā)性較低的成分，像是氨、水和硫化氫等在深層大氣中的豐度尚未得知。但是，它們可能高于太陽(yáng)中的數(shù)值。

紅外線光譜儀，包括史匹哲太空望遠(yuǎn)鏡（SST）的測(cè)量，和UV掩星的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在天王星大氣的平流層中可以追蹤到各種各樣微量的碳?xì)浠衔?，被認(rèn)為是包括太陽(yáng)的紫外線輻射導(dǎo)致甲烷光解產(chǎn)生的。它們包括：乙烷(C2H6)、乙炔 (C2H2)、甲基乙炔 (CH3C2H), 聯(lián)乙炔 (C2HC2H)。紅外線分光儀也揭露了平流層中水蒸汽、一氧化碳和二氧化碳的蹤影，這些可能只是來(lái)自于外部的來(lái)源，像是彗星和落下塵土的成分1。

對(duì)流層對(duì)流層是大氣層最低和密度最高的部份，溫度隨著高度增加而降低，溫度從底部的大約320K，?300公里，降低至53K，高度50公里。對(duì)流層的最低溫度出現(xiàn)在上層的對(duì)流層頂，溫度在49至57K，實(shí)際的最低溫度依在行星上的高度來(lái)決定，大約在南緯25°是最低溫的地方。對(duì)流層幾乎擁有大氣層所有的質(zhì)量，并且對(duì)流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠(yuǎn)紅外線最主要的區(qū)域，由此處測(cè)量到的有效溫度是59.1 ± 0.3 K。

對(duì)流層應(yīng)該擁有高度復(fù)雜的云系結(jié)構(gòu)，水云被假設(shè)在大氣壓力50至100帕，氨氫硫化物云在20至40帕的壓力范圍內(nèi)，氨或氫硫化物云在3和10帕，最后是稀薄的甲烷云在1 至2帕。雖然旅行者2號(hào)通過(guò)無(wú)線電掩星的觀測(cè)直接檢測(cè)到甲烷的云層，但其他所有的云層依然都是理論上的推測(cè)。對(duì)流層是大氣層中動(dòng)態(tài)非常明顯的部份，展示出強(qiáng)風(fēng)、對(duì)流、明亮的云彩和季節(jié)性的變化。

平流層天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度隨高度增加而逐漸升高，從對(duì)流層頂?shù)?3K上升至增溫層底的800至850K。平流層的加熱來(lái)自于甲烷和其他碳?xì)浠衔镂仗?yáng)的紫外線和紅外線輻射，大氣層的這種形式是甲烷的光解造成的。來(lái)自增溫層的熱也許也值得注意，相對(duì)而言，碳?xì)浠现皇呛苷囊粚?，高度?00至280公里，相對(duì)應(yīng)的氣壓是10微帕至0.1微帕，溫度在75K和170K之間。含量最多的碳?xì)浠衔锸且胰埠鸵彝椋鄬?duì)于氫的混合比率是×10?7，與甲烷和一氧化碳在這個(gè)高度上的混合比率相似。更重的碳?xì)浠衔?，二氧化碳和水蒸氣，在混合的比率上還要低三個(gè)數(shù)量級(jí)；水在豐度上的比率大約是7×10?9，溫度和碳?xì)浠衔锘旌系谋嚷蕪?qiáng)烈的和緯度與即時(shí)有關(guān)；在平流層的極軸碳?xì)浠衔锖蜏囟榷急绕渌麉^(qū)域少和低。

乙烷和乙炔在平流層內(nèi)溫度和高度較低處與對(duì)流層頂傾向于凝聚而形成數(shù)層陰霾的云層，那些也可能是造成天王星的云帶顯得平淡的原因。碳?xì)浠衔镌谔焱跣瞧搅鲗又械哪鄱蕊@著的比其它大行星的平流層為低，這造成在垂直混合上的微弱，使它較為不透明（在數(shù)層陰霾之上），而這樣的結(jié)果使得它的溫度比其它的大行星冷。

增溫層天王星大氣層的最外層式增溫層/冕，它的溫度均勻的分布在800至850 K，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土星增溫層的420 K。目前仍不了解是何種熱源支撐著如此的高溫，雖然由于在平流層的上層缺乏碳?xì)浠衔锸估鋮s的效率低落也有所貢獻(xiàn)，但無(wú)論是太陽(yáng)的遠(yuǎn)紫外線/極紫外線或冕的活動(dòng)都不足以提供所需的能量。由于氦被散布與分離在低處，此處也被認(rèn)為是缺乏氦的；除此之外的氫分子，增溫層-冕包含很大比例的自由氫原子。由于這些小分子的低質(zhì)量和高溫，使得我們可以解釋免衛(wèi)何可以延展至50,000公里，也就是2倍于天王星半徑的高度。這個(gè)延伸的冕是天王星獨(dú)有的一個(gè)特征，它的效果包括對(duì)環(huán)繞天王星的微粒造成阻力，使得天王星環(huán)中的塵埃微粒被耗盡。增溫層的高溫也導(dǎo)致氫在近紅外線產(chǎn)生強(qiáng)烈的四極輻射。

電離層哈柏太空望遠(yuǎn)鏡的天王星影像

天王星的增溫層與平流層的上層部分是混合在一起的，相當(dāng)于是天王星的電離層。關(guān)于離子的主要訊息是來(lái)自旅行者2號(hào)的測(cè)量和地基望遠(yuǎn)鏡在紅外線輻射上對(duì)H3+離子的測(cè)量。這些觀測(cè)顯示電離層占據(jù)的高度在2,000 至10,000 公里，天王星的電離層比土星或海王星的密集，它們可能來(lái)自平流層中低度集中的碳?xì)浠衔?。電離層主要由太陽(yáng)輻射的紫外線造成，他的密度與太陽(yáng)活動(dòng)息息相關(guān)。冕的活動(dòng)在木星和土星都不明顯，電離層的上部（增溫層區(qū)域）是天王星的紫外線輻射的來(lái)源，也就是所謂的'晝輝'或'電輝'，這很像H3+從行星被日光照射的部份發(fā)射的紅外線輻射。這種現(xiàn)象在所有大行星的增溫層都會(huì)發(fā)生，而在被發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樘?yáng)的輻射激發(fā)氫原子或分子的紫外線螢光現(xiàn)象之前，一度被認(rèn)為是神奇的，而可能是光電子造成的。

最新發(fā)現(xiàn)法國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)天王星大氣層“毒氣”彌漫。法國(guó)天文學(xué)家宣布，他們已經(jīng)在太陽(yáng)系第七大行星-—天王星的大氣層里發(fā)現(xiàn)有一氧化碳和其他諸如氯化氫等能夠致人死亡的氣體。他們大膽估計(jì)，宇宙中一些隕落的小行星在下墜時(shí)候沖擊凝滯在天王星地層內(nèi)的一氧化碳，使得這些長(zhǎng)期埋藏在地表之下的一氧化碳飄散并且凝凍在冰冷的大氣層里。此外，科學(xué)家在太陽(yáng)系另一顆行星—海王星上也發(fā)現(xiàn)了一些混合氣體，并推斷這些混合氣體可能是來(lái)自該行星的內(nèi)部。法國(guó)天文學(xué)家在南美洲智利的南歐天文觀測(cè)臺(tái)依靠紅外線探測(cè)儀器觀測(cè)到了上述發(fā)現(xiàn)2。