Владимир Сурдин - Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Если бы Уран и Нептун излучали только то тепло, которое они получают от Солнца, то их температура установилась бы на уровне 57 и 47 К соответственно. Такая температура называется равновесной. Но когда были проведены фактические измерения тепловых потоков, оказалось, что планеты имеют одинаковую эффективную температуру: 56—58 К. Это может означать только одно: Уран почти не имеет собственных источников энергии, а Нептун имеет, причем довольно мощные (подробнее об этом в следующем разделе). В результате Уран излучает столько же, сколько получает от Солнца, а Нептун — значительно больше. Некоторое различие есть и у Юпитера с Сатурном, но далеко не в такой мере. Если Уран имеет какие-то внутренние источники, они не превосходят 13% получаемого от Солнца тепла (а возможно, и меньше). С глубиной в атмосфере Урана температура растет, но медленнее, чем у Нептуна.

Низкое тепловое излучение Урана выделяет его из ряда других планет-гигантов. Предполагают, что у всех гигантов в результате происходящих при колоссальном давлении фазовых переходов водорода гелий становится нерастворимым в водороде и, как более плотный элемент, опускается к центру планеты, освобождая при этом значительную гравитационную энергию. Допустить, что для Урана этот механизм исчерпан, нельзя, так как соотношение гелий-водород у него такое же, как у Юпитера. Причина в чем-то другом.

Равенство температур у полюсов и экватора заставляет искать какие-то особые причины, определяющие метеорологию Урана. Одной из них может быть конденсация воды в атмосфере. На Земле конденсация влаги и выпадение осадков мало влияют на среднюю плотность атмосферы, изменяя ее не более чем на 2%. Но на Уране, где содержание паров воды, по-видимому, высокое, изменение плотности при конденсации паров может достигать 50%. Тогда движения в очень плотной атмосфере планеты становятся больше похожи на течения в земных океанах (которые вызываются изменениями солености воды).

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/см 3, 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 J 2 и J 4 гравитационного поля планеты, описывающие его отличие от поля точечной массы или идеального шара. Еще один важный параметр — динамическое сжатие α =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.