Уран (планета)

Уран

Фотографія Урана з апарату «Вояджер-2».
Відкриття
Відкривач	Вільям Гершель
Дата відкриття	13 березня 1781
Орбітальні характеристики
Апоцентр	3 004 419 704 км 20,083 305 26 а.о.
Перицентр	2 748 938 461 км 18,375 518 63 а.о.
Велика піввісь	2 876 679 082 км 19,229 411 95 а.о.
Ексцентриситет	0,044 405 586
Орбітальний період	30 799,095 днів 84,323 326 років 42 718 днів Урана
Синодичний період	369,66 днів
Середня орбітальна швидкість	6,81 км/с
Середня аномалія	142,955 717°
Нахил орбіти	0,772 556° до площини екліптики 6.48° до екватора Сонця 1.02° до незмінної площини
Кутова відстань	3.3"–4.1"
Довгота висхідного вузла	73,989 821°
Довгота перицентру	96,541 318°
Супутники	27
Фізичні характеристики
Екваторіальний радіус	25 559 ± 4 км 4.007 земного[c]
Сплюснутість	0,022 9 ± 0,000 8[b]

Ура́н — сьома від Сонця велика планета Сонячної системи, належить до планет-гігантів. Третя за діаметром та четверта за масою планета Сонячної системи. Була відкрита у 1781 році англійським астрономом Вільямом Гершелем. Планета названа ім'ям античного божества Урана, уособлення неба та піднебесного простору. Уран був батьком Кроноса (або Сатурна — у римському пантеоні).

Уран став першою планетою, відкритою у Новий час і за допомогою телескопа. Про відкриття Урану Вільям Гершель повідомив 13 березня 1781 року, тим самим вперше з часів античності, розширив кордони Сонячної системи. Не дивлячись на те, що деколи Уран помітний неозброєним оком, ранні спостерігачі ніколи не визнавали Уран за планету через його тьмяність та повільний рух по орбіті.

На відміну від інших газових гігантів — Сатурну та Юпітера, що складаються в основному з водню і гелію, в надрах Урану та схожого з ним Нептуна, відсутній металевий водень. Проте у них є багато високотемпературних модифікацій льоду — з цієї причини фахівці виділили ці дві планети в окрему категорію «крижаних гігантів». Проте на відміну від Нептуна, надра Урану складаються в основному з льодів і гірських порід. Основу атмосфери Урану складають водень та гелій. Крім того, в ній виявлені сліди метану та інших вуглеводнів, а також хмари з льоду, твердого аміаку і водню. Уран має найхолоднішу планетарну атмосферу у Сонячній системи з мінімальною температурою в 49 К (-224 °C). Вважається, що Уран має складну шарувату структуру хмар, де вода складає нижній шар, а метан — верхній.

Як і у інших газових гігантів Сонячної системи, в Урану є система кілець та магнітосфера. Крім того, навколо нього обертаються 27 супутників. Орієнтація Урану в просторі відрізняється від інших планет Сонячної системи — його вісь обертання лежить як би «на боці» відносно плоскості обертання цієї планети довкола Сонця. Внаслідок цього планета буває обернена до Сонця то північним полюсом, то південним, то екватором, то середніми широтами.

У 1986 році американський космічний апарат «Вояджер-2» передав на Землю знімки Урану, які він зробив пролітаючи на відстані у 81 500 кілометрів від планети. На них видно «невиразна», у видимому спектрі, планета без хмар та атмосферних штормів, характерних для інших планет-гігантів. Проте наразі наземними спостереженнями вдалося розрізнити ознаки сезонних змін та збільшення погодної активності на планеті, викликаних наближенням Урану до точки свого рівнодення. Швидкість вітрів на Урані може досягати 240 м/с.

Історія відкриття Урана

Протягом багатьох сторіч астрономи Землі знали тільки п'ять «блукаючих зірок» — планет. Англійський астроном Вільям Гершель, який взявся до реалізації грандіозної програми упорядкування повного систематичного каталога зоряного неба, 13 березня 1781 року помітив поблизу однієї із зірок сузір'я Близнят цікавий об'єкт, що, очевидно, не був зіркою: його видимі розміри змінювалися залежно від збільшення телескопа, а найголовніше — змінювалося його розташування на небі. Гершель спочатку вирішив, що відкрив нову комету (його доповідь на засіданні Королівського товариства 26 квітня 1781 року так і називався — «Повідомлення про комету»), але від кометної гіпотези незабаром довелося відмовитися. На подяку Георгу III, який призначив Гершеля королівським астрономом, він запропонував назвати планету «Георгієвою зіркою», проте, щоб не порушувати традиційного зв'язку з міфологією, було ухвалено назву «Уран».

Перші нечисленні спостереження ще не дозволяли досить точно визначити параметри орбіти нової планети, але, по-перше, кількість цих спостережень (зокрема, у Росії, Франції і Німеччині) швидко збільшувалося, а по-друге, уважне дослідження каталогів минулих спостережень дозволило переконатися, що планета неодноразово фіксувалася і раніше, але її вважали зіркою, що також помітно збільшувало число спостережень.

Протягом 30 років після відкриття Урана гострота інтересу до нього то падала, то зростала. Справа в тому, що підвищення точності спостережень виявило загадкові аномалії в русі планети: він то «відставав» від розрахункового, то починав «випереджати» його. Теоретичне пояснення цих аномалій призвело до нового відкриття — відкриття Нептуна.

Рух, розміри, маса

Уран рухається навколо Сонця майже круговою орбітою (ексцентриситет 0,047), середня відстань від Сонця у 19 разів більша, ніж у Землі, і становить 2871 млн км. Площина орбіти нахилена до екліптики під кутом 0,8°. Один оберт навколо Сонця Уран здійснює за 84,01 земного року. Період власного обертання Урана складає приблизно 17 годин. Неточність визначення значення цього періоду обумовлена декількома причинами, із яких основними є дві: газова поверхня планети не обертається як єдине ціле і, крім того, на поверхні Урана не виявлено помітних локальних неоднорідностей, що допомогли б уточнити тривалість доби на планеті.

Обертання Урана має низку відмітних рис: вісь його обертання майже горизонтальна (нахилена під кутом 98° до площини орбіти), а напрямок обертання зворотній напрямку обертання навколо Сонця (з усіх інших планет зворотній напрямок обертання спостерігається тільки у Венери).

Уран належить до числа планет-гігантів: його екваторіальний радіус (25600 км) майже в чотири рази більший, а маса (8,7·10²⁵ кг) — у 14,6 разів більша, ніж у Землі. Середня густина Урана (1,26 г/см³) у 4,38 рази менша, ніж густина Землі. Порівняно мала густина типова для планет-гігантів: у процесі формування з газово-пилової протопланетної хмари найлегші компоненти (водень та гелій) стали для них основним «будівельним матеріалом», тоді як планети земної групи значною мірою їх втратили і тому мають помітно більшу частку важчих елементів.

Склад і внутрішня будова

Подібно до інших планет-гігантів, атмосфера Урана складається в основному з водню, гелію та метану, хоча їхні частки дещо нижчі в порівнянні з Юпітером і Сатурном.

Теоретична модель будови Урана така: його поверхневий шар є газорідкою оболонкою, під якою знаходиться крижана мантія (суміш водяного й аміачного льоду), а ще глибше — ядро з твердих порід. Маса мантії та ядра складає приблизно 85-90% усієї маси Урана. Зона твердої речовини сягає 3/4 радіуса планети.

Температура в центрі Урана — близько 10 000 °C, тиск 7-8 млн атмосфер. На межі ядра тиск приблизно на два порядки нижчий.

Ефективна температура, визначена за тепловим випромінюванням з поверхні планети, становить близько 55 К.

Внутрішня будова

Уран важчий за Землю в 14,5 разів, що робить його найменш масивним з планет-гігантів Сонячної системи. Щільність Урана, рівна 1,270 г/см³, ставить його на друге місце після Сатурна за найменшою щільністю серед планет Сонячної системи. Незважаючи на те, що радіус Урана трохи більше радіуса Нептуна, його маса дещо менше, що свідчить на користь гіпотези, згідно з якою він складається в основному з різних льодів — водного, аміачного і метанового. Їх маса, за різними оцінками, становить від 9,3 до 13,5 земних мас. Водень і гелій складають лише малу частину від загальної маси (між 0,5 і 1,5 земних мас); інша частка (0,5 — 3,7 земних мас) припадає на гірські породи (які, як вважають, становлять ядро ​​планети).

Стандартна модель Урана припускає, що Уран складається з трьох частин: у центрі — кам'яне ядро, в середині — крижана оболонка, зовні — воднево-гелієва атмосфера. Ядро є відносно маленьким, з масою приблизно від 0,55 до 3,7 земних мас і з радіусом в 20% від радіуса всієї планети. Мантія (льоди) складає велику частину планети (60% від загального радіуса, до 13,5 земних мас). Атмосфера при масі, що становить всього 0,5 земних мас (або, за іншими оцінками, 1,5 земної маси), простягається на 20% радіуса Урана. У центрі Урана щільність повинна підвищуватися до 9 г/см³. Тиск на кордоні ядра і мантії має досягати 8 млн бар (800 ГПа) при температурі в 5000 К. Крижана оболонка фактично не є крижаною в загальноприйнятому розумінні цього слова, тому що складається з гарячої та щільної рідини, що є сумішшю води, аміаку й метану.

Цю рідину, що має високу електропровідність, іноді називають «океаном водного аміаку». Склад Урана і Нептуна сильно відрізняється від складу Юпітера і Сатурна завдяки «кригами», переважаючим над газами, виправдовуючи приміщення Урана і Нептуна в категорію крижаних гігантів.

Незважаючи на те, що описана вище модель найбільш поширена, вона не є єдиною. На підставі спостережень можна також побудувати і інші моделі — наприклад, у випадку якщо істотна кількість водневого і скельного матеріалу змішується в крижаній мантії, то загальна маса льодів буде нижчою, і відповідно, повна маса водню і скельного матеріалу — вище. В даний час доступні дані не дозволяють визначити, яка модель правильніша. Рідка внутрішня структура означає, що у Урана немає ніякої твердої поверхні, так як газоподібна атмосфера плавно переходить в рідкі шари. Проте, заради зручності за «поверхню» було вирішено умовно прийняти сплющений сфероїд обертання, де тиск дорівнює 1 бару. Екваторіальний і полярний радіус цього сплющенного сфероїда становлять 25 559 ± 4 і 24 973 ± 20 км. Далі в статті ця величина і буде прийматися за нульовою відлік для шкали висот Урана.

Атмосфера

Хоча Уран і не має твердої поверхні в звичному розумінні цього слова, найбільш віддалену частину газоподібної оболонки прийнято називати його атмосферою. Вважають, що атмосфера Урана починається на відстані в 300 км від зовнішнього шару при тиску в 100 бар і температурі в 320 K. «Атмосферна корона» простягається на відстань, що в 2 рази перевищує радіус від «поверхні» з тиском в 1 бар. Атмосферу умовно можна розділити на 3 частини: тропосфера (-300 км — 50 км; тиск становить 100 — 0,1 бар), стратосфера (50 — 4000 км; тиск становить 0,1 — 10-10 бар) і термосфера/атмосферна корона (4000 — 50000 км від поверхні). Мезосфера у Урана відсутня.

Клімат

Атмосфера Урану — незвично спокійна у порівнянні з атмосферами інших планет-гігантів, навіть в порівнянні з Нептуном, який схожий з Ураном як і по складу так і по розмірах. Коли «Вояджер-2» наблизився до Урану, то вдалося зафіксувати всього 10 смуг хмар у видимій частині планети. Така спокійна атмосфера може бути пояснена надзвичайно низькою внутрішньою температурою. Вона набагато нижча, ніж у інших планет-гігантів. Найнижча температура, зареєстрована в тропопаузі Урану, складає 49 К (-224 °C), що робить планету найхолоднішої серед планет Сонячної системи — вона навіть холодніша у порівнянні з більш віддаленними від Сонця Нептуну та Плутону.

Супутники Урана

Детальніше у статті Супутники Урана

Уран має 27 супутників та систему кілець. Всі супутники отримали назви на честь персонажів творів Вільяма Шекспіра та Александра Поупа. Перші два супутники — Титанію і Оберон — 1787 року відкрив Вільям Гершель. Ще два сферичні супутники (Аріель та Умбріель) були відкриті 1851 року Вільямом Ласселом. 1948 року Джерард Койпер відкрив Міранду. Останні супутники були відкриті після 1985 р., під час місії «Вояджера-2», або за допомогою вдосконалених наземних телескопів.

Супутники Урана можна поділити на три групи:

• тринадцять внутрішніх,
• п'ять великих
• дев'ять нерегулярних супутників.

Внутрішні супутники — невеликі, темні об'єкти, схожі за характеристиками та походженням на кільця планети.

П'ять великих супутників досить масивні, щоб гідростатична рівновага надала їм сфероїдальної форми. На чотирьох з них помічено ознаки внутрішньої і зовнішньої активності, такі як формування каньйонів і гіпотетичний вулканізм на поверхні. Найбільший з них, Титанія, має в діаметрі 1578 км і є восьмим за величиною супутником у Сонячній cистемі. Її маса у 20 разів менша земного Місяця.

Нерегулярні супутники Урана мають еліптичні і дуже нахилені (збільшого ретроградні) орбіти на великій відстані від планети.