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發(fā)現(xiàn)

天王星在被發(fā)現(xiàn)是行星之前，已經(jīng)被觀測(cè)了很多次，但都把它當(dāng)作恒星看待。最早的紀(jì)錄可以追溯至1690年，約翰·弗蘭斯蒂德在星表中將他編為“金牛座34”，并且至少觀測(cè)了6次。法國天文學(xué)家皮埃爾·勒莫尼耶（Pierre Lemonnier）在1750至1769年也至少觀測(cè)了12次， 包括一次連續(xù)四夜的觀測(cè)。

1781年3月13日，英國威廉·赫歇爾（Frederick William Herschel）在于他位于英格蘭薩默塞特郡巴斯城新國王街19號(hào)（現(xiàn)在是赫協(xié)爾天文博物館）自宅的庭院中觀察到這顆行星， 但在1781年4月26日最早的報(bào)告中他稱之為“彗星”。 赫歇爾用他自己設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡“對(duì)這顆恒星做了一系列視差的觀察” 。

他在他的學(xué)報(bào)上的紀(jì)錄著：“在與金牛座ζ成90°的位置……有一個(gè)星云樣的星或者是一顆彗星”。 在3月17日，他注記著：“我找到一顆彗星或星云狀的星，并且由他的位置變化發(fā)現(xiàn)是一顆彗星”。 當(dāng)赫歇爾將發(fā)現(xiàn)提交給皇家學(xué)會(huì)時(shí)，他繼續(xù)假設(shè)他發(fā)現(xiàn)了一顆彗星，然而卻含蓄的把它跟行星比較：

赫歇爾將他的發(fā)現(xiàn)通知皇家天文學(xué)家內(nèi)維爾·馬斯基林（Nevil Maskelyne），并在4月23日收到馬斯基林語無倫次的回復(fù)說：“我不知該如何稱呼她，他在接近圓形的軌道上移動(dòng)很像一顆行星，而彗星是在很扁的橢圓軌道上移動(dòng)。我也沒有看見彗發(fā)或彗尾。”

當(dāng)赫歇爾繼續(xù)謹(jǐn)慎的以彗星描述他的新對(duì)象，其他的天文學(xué)家已經(jīng)開始做不同的懷疑。俄國天文學(xué)家安德烈·約翰·勒克色爾（Anders Johan Lexell）估計(jì)他至太陽的距離是地球至太陽的18倍，而沒有彗星曾在近日點(diǎn)四倍于地球至太陽距離之外被觀測(cè)到。 柏林天文學(xué)家約翰·波得描述赫歇爾的發(fā)現(xiàn)像是“在土星軌道之外的圓形軌道上移動(dòng)的恒星，可以被視為迄今仍未知的像行星的天體”。 波得斷定這個(gè)以圓軌道運(yùn)行的天體比彗星更像是一顆行星。

這個(gè)天體很快便被接受是一顆行星。在1783年，法國科學(xué)家拉普拉斯證實(shí)赫歇爾發(fā)現(xiàn)的是一顆行星。赫歇爾本人也向皇家天文學(xué)會(huì)的主席約瑟夫·班克斯承認(rèn)這個(gè)事實(shí)：“經(jīng)由歐洲最杰出的天文學(xué)家觀察，顯示這顆新的星星，我很榮耀地在1781年3月指認(rèn)出的，是太陽系內(nèi)主要的行星之一。” 為此，威廉·赫歇爾被英國皇家學(xué)會(huì)授予科普利獎(jiǎng)?wù)?。喬治三世依?jù)他的成就，并在他移居至溫莎王室，讓皇室的家族有機(jī)會(huì)使用他的望遠(yuǎn)鏡觀星的前提下，給予赫歇爾每年200英鎊的年薪。

命名

馬斯基林曾這樣的問赫歇爾：“幫天文學(xué)世界一個(gè)忙” ，“為您的行星取個(gè)名字，這也完全是為了您所愛的，并且也是我們迫切期望您為您的發(fā)現(xiàn)所做的。” 回應(yīng)馬基斯林的請(qǐng)求，赫歇爾決定命名為“喬治之星”（Georgium Sidus）或“喬治三世”以紀(jì)念他的新贊助人喬治三世。 他在給約瑟夫·班克斯的信中解釋這個(gè)決定：

  威廉·赫歇爾，天王星的發(fā)現(xiàn)者。

赫歇爾建議的名稱在英國外并不受歡迎，并且替代案很快就被提出。天文學(xué)家杰羅姆·拉朗德建議將這顆行星稱為“赫歇爾”以尊崇她的發(fā)現(xiàn)者。 但是，波得贊成用希臘神話的優(yōu)拉納斯（ Uranus ），譯成拉丁文的意思是“天空之神”。波得的論點(diǎn)是農(nóng)神（土星的英文命名由來）是宙斯（木星的英文命名由來）的父親，新的行星則應(yīng)該取名為農(nóng)神的父親。 波得的建議被使用的十分普遍，并當(dāng)最后的壁壘 英國航海星歷局 （ 英語 ： HM Nautical Almanac Office ） 于1850年換下“喬治三世”后，Uranus便成為普遍接受的名字。

天文學(xué)家間偏好的Uranus發(fā)音是 /?j??r?n?s/ （幫助·關(guān)于） ，強(qiáng)調(diào)第一音節(jié) （ ūr ?n?s） ； 這是標(biāo)準(zhǔn)英文文學(xué)上的發(fā)音，相比之下大眾口語發(fā)音 /j??re?n?s/ （幫助·關(guān)于） ，強(qiáng)調(diào)第二音節(jié)而且還有個(gè)“長音a” （ū rā n?s） 。

在英文的行星名稱，天王星的名稱是唯一取自希臘神話而非羅馬神話的，Uranus被鈾的發(fā)現(xiàn)者馬丁·克拉普羅特用來命名在1789年新發(fā)現(xiàn)的元素鈾，Uranium。

天王星的天文學(xué)符號(hào)是 ，是火星和太陽符號(hào)的結(jié)合，因?yàn)樘焱跣鞘窍ＥD神話的天空之神，被認(rèn)為是由太陽和火星聯(lián)合的力量所控制的。 天王星在占星學(xué)上的符號(hào) ，是拉朗德在1784年建議的。在給赫歇爾的一封信中，拉朗德描述它是“un globe surmonté par la première lettre de votre nom”（圓球的上方放置著您名字的首字母） 由于Uranus是希臘神話中的天神，在中國、日本、韓國和越南等亞洲國家，人們就將這個(gè)星名譯做“天王星”。

軌道和自轉(zhuǎn)

 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的天王星影像，可以看見云帶、環(huán)和一些衛(wèi)星。

天王星每84個(gè)地球年環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)一周，與太陽的平均距離大約30億公里，行星上陽光的強(qiáng)度只有地球的1/400。 它的軌道參數(shù)在1783年首度被拉普拉斯計(jì)算出來， 但隨著時(shí)間，預(yù)測(cè)和觀測(cè)的位置開始出現(xiàn)誤差。在1841年約翰·柯西·亞當(dāng)斯首先提出誤差也許可以歸結(jié)于一顆尚未被看見的行星的引力作用的結(jié)果。在1845年，勒維耶開始獨(dú)立地進(jìn)行天王星軌道的研究；1846年9月23日，迦雷在勒維耶預(yù)測(cè)位置的附近發(fā)現(xiàn)了一顆新行星，稍后被命名為海王星。

天王星內(nèi)部的自轉(zhuǎn)周期是17小時(shí)又14分，但和所有巨行星一樣，其上部的大氣層朝自轉(zhuǎn)的方向可以產(chǎn)生非常強(qiáng)的風(fēng)。實(shí)際上，在有些緯度，像是從赤道到南極的2/3路徑上，可以看見移動(dòng)得非常迅速的大氣，靠近南極地區(qū)的風(fēng)速高達(dá)720公里/小時(shí)，只要14個(gè)小時(shí)就能完整的環(huán)繞行星一周。

轉(zhuǎn)軸傾斜

天王星的自轉(zhuǎn)軸可以說是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達(dá)97.77275°，這使它的季節(jié)變化完全不同于其他的行星。其它行星的自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉(zhuǎn)動(dòng)則像球的傾倒?jié)L動(dòng)。當(dāng)天王星在至點(diǎn)附近時(shí)，一個(gè)極點(diǎn)會(huì)持續(xù)的指向太陽，另一個(gè)極點(diǎn)則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區(qū)域內(nèi)可以體會(huì)到迅速的日夜交替，但太陽的位置非常的低，有如在地球的極區(qū)。運(yùn)行到軌道的另一側(cè)時(shí)，換成軸的另一極指向太陽；每一個(gè)極都會(huì)有被太陽持續(xù)的照射42年的極晝，而在另外42年則處于極夜。 在接近分點(diǎn)時(shí)，太陽正對(duì)著天王星的赤道，天王星的日夜交替會(huì)和其他的行星相似。在2007年12月7日，天王星經(jīng)過了晝夜平分點(diǎn)。

這種軸的指向帶來的一個(gè)結(jié)果是，在一年之中，天王星的極區(qū)得到來自于太陽的能量多于赤道，不過，天王星的赤道依然比極區(qū)熱。導(dǎo)致這種結(jié)果的機(jī)制仍然未知；天王星異常的轉(zhuǎn)軸傾斜原因也不知道，但是通常的猜想是在太陽系形成的時(shí)候，一顆地球大小的原行星撞擊到天王星，造成的指向的歪斜。 在1986年，旅行者2號(hào)飛掠時(shí)，天王星的南極幾乎正對(duì)著太陽。標(biāo)記這個(gè)極是南極是基于國際天文聯(lián)合會(huì)的定義：行星或衛(wèi)星的北極，是指向太陽系不變平面的上方（不是由自轉(zhuǎn)的方向來決定）。 但是，仍然有不同的協(xié)定被使用著：一個(gè)天體依據(jù)右手定則所定義的自轉(zhuǎn)方向來決定北極和南極。 根據(jù)后者的座標(biāo)系，1986年在陽光下的極則是北極。

可見性

從1995至2006年，天王星的視星等在＋5.6至＋5.9等之間，勉強(qiáng)在肉眼可見的＋6.0等之上， 它的角直徑在3.4至3.7弧秒；比較土星是16至20弧秒，木星則是32至45弧秒。 在沖的時(shí)候，天王星可以用肉眼在黑暗、無光污染的天空直接看見，即使在城市中也能輕易的使用雙筒望遠(yuǎn)鏡看見。 使用物鏡的口徑在15至25公分的大型業(yè)余天文望遠(yuǎn)鏡，天王星將呈現(xiàn)蒼白的深藍(lán)色盤狀與明顯的周邊昏暗；口徑25公分或更大的，云的型態(tài)和一些大的衛(wèi)星，像是天衛(wèi)三和天衛(wèi)四，都有可能看見。

物理性質(zhì)

天王星主要是由巖石與各種成分不同的水冰物質(zhì)所組成，其組成主要元素為氫（83%），其次為氦（15%）。在許多方面天王星（海王星也是）與大部分都是氣態(tài)氫組成的木星與土星不同，其性質(zhì)比較接近木星與土星的地核部分，而沒有類木行星包圍在外的巨大液態(tài)氣體表面（主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成）。天王星并沒有土星與木星那樣的巖石內(nèi)核，它的質(zhì)量平均分布在整個(gè)星球。直接以肉眼觀察，天王星的表面呈現(xiàn)藍(lán)綠色，這是因?yàn)樗募淄榇髿馕樟舜蟛糠值募t色光譜所導(dǎo)致。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

  地球和天王星大小的比較。

天王星的質(zhì)量大約是地球的14.5倍，是類木行星中質(zhì)量最小的，它的密度是1.29公克/公分3只比土星高一些。 直徑雖然與海王星相似（大約是地球的4倍），但質(zhì)量較低。 這些數(shù)值顯示它主要由各種各樣揮發(fā)性物質(zhì)，例如水、氨和甲烷組成。 天王星內(nèi)部冰的總含量還無法精確的知道，根據(jù)選擇模型的不同而有不同的結(jié)果，但是總是在地球質(zhì)量的9.3至13.5倍之間。 氫和氦在全體中只占很小的部分，大約在0.5至1.5地球質(zhì)量。 剩余的質(zhì)量（0.5至3.7地球質(zhì)量）才是巖石物質(zhì)。

天王星的標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)包括三個(gè)層面：在中心是巖石的核，中間是冰的地幔，最外面是氫與氦組成的外殼。 相較之下核非常的小，只有0.55地球質(zhì)量，半徑不到天王星的20%；地幔則是個(gè)龐然大物，質(zhì)量大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對(duì)不明確，大約占有剩余20%的半徑，但質(zhì)量大約只有地球的0.5倍。 天王星核的密度大約是9公克/公分3，在核和地幔交界處的壓力是8百萬巴和大約5,000K的溫度。 冰的地幔實(shí)際上并不是由一般意義上所謂的冰組成，而是由水、氨和其他揮發(fā)性物質(zhì)組成的熱且稠密的流體。 這些流體有高導(dǎo)電性，有時(shí)被稱為水-氨的海洋。 天王星和海王星的大塊結(jié)構(gòu)與木星和土星相當(dāng)?shù)牟煌某煞殖綒怏w，因此有理由將它們分開另成一類為冰巨行星。

上面所考慮的模型或多或少都是標(biāo)準(zhǔn)的，但不是唯一的，其他的模型也能滿足觀測(cè)的結(jié)果。例如，如果大量的氫和巖石混合在地幔中，則冰的總量就會(huì)減少，并且相對(duì)的巖石和氫的總量就會(huì)提高；目前可利用的數(shù)據(jù)還不足以讓人們確認(rèn)哪一種模型才是正確的。 天王星內(nèi)部的流體結(jié)構(gòu)意味著沒有固體表面，氣體的大氣層是逐漸轉(zhuǎn)變成內(nèi)部的液體層內(nèi)。 為方便起見，我們可將大氣壓力達(dá)到1巴（100千帕）之處定為行星的表面。這個(gè)表面形成旋轉(zhuǎn)的扁球體，其半長軸和半短軸分別是25,559±4和24,973±20公里。 這樣的表面將做為這篇文章中高度的零點(diǎn)。

內(nèi)熱

天王星的內(nèi)熱看上去明顯的比其他的類木行星為低，在天文的項(xiàng)目中，它是低熱流量。 目前仍不了解天王星內(nèi)部的溫度為何會(huì)如此低，大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星，放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍； 相反的，天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠(yuǎn)紅外線（也就是熱輻射）的部分釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。 事實(shí)上，天王星的熱流量只有 0.042±0.047 瓦/米 ，遠(yuǎn)低于地球內(nèi)的熱流量0.075瓦/米 2。 天王星對(duì)流層頂?shù)臏囟茸畹蜏囟燃o(jì)錄只有49K，使天王星成為太陽系溫度最低的行星，比海王星還要冷。

在天王星被超重質(zhì)量的錘碎機(jī)敲擊而造成轉(zhuǎn)軸極度傾斜的假說中，也包含了內(nèi)熱的流失，因此留給天王星一個(gè)內(nèi)熱被耗盡的核心溫度。另一種假說認(rèn)為在天王星的內(nèi)部上層有阻止內(nèi)熱傳達(dá)到表面的障礙層存在， 例如，對(duì)流也許僅發(fā)生在一組不同的結(jié)構(gòu)之間，也許禁止熱能向上傳遞。

大氣層

雖然在天王星的內(nèi)部沒有明確的固體表面，天王星最外面的氣體包殼，也就是被稱為大氣層的部分，卻很容易以遙感測(cè)量。 遙感測(cè)量的能力可以從1巴（100千帕）之處為起點(diǎn)向下深入至300公里，相當(dāng)于100巴（10百萬帕）的大氣壓力和320K的溫度。 稀薄的暈從大氣壓力1巴的表面向外延伸擴(kuò)展至半徑兩倍之處， 天王星的大氣層可以分為三層：對(duì)流層，從高度-300至50公里，大氣壓100巴至0.1巴；（10百萬帕到10千帕）平流層（同溫層），高度50至4000公里，大氣壓力0.1帕至10 巴（10千帕到10 μ帕）；和增溫層/暈，從4000公里向上延伸至距離表面50,000公里處。 沒有中氣層（散逸層）。

成分（組織）

天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同，主要是氫和氦。 氦的摩爾分?jǐn)?shù)，例如每摩爾中所含有的氦原子數(shù)量，在對(duì)流層的上層是 0.15±0.03 ，相當(dāng)于 0.26±0.05 質(zhì)量百分比。 這個(gè)數(shù)值很接近 0.275±0.01 的原恒星質(zhì)量百分比。 顯示在氣體的巨星中，氦在行星中是不穩(wěn)定的。 在天王星的大氣層中，含量占第三位的是甲烷 （CH 4 ） 。 甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星制造了明顯的藍(lán)綠或青色的顏色。 在大氣壓力1.3巴（130千帕）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)量大約是太陽的20至30倍。 混合的比率 在大氣層的上層由于極端的低溫，降低了飽合的水準(zhǔn)并且造成多余的甲烷結(jié)冰。 對(duì)低揮發(fā)性物質(zhì)的豐富度，像是氨、水和硫化氫，在大氣層深處的含量所知有限，但是大概也會(huì)高于太陽內(nèi)的含量。 除甲烷之外，在天王星的上層大氣層中可以追蹤到各種各樣微量的碳?xì)浠衔?，被認(rèn)為是太陽的紫外線輻射導(dǎo)致甲烷光解產(chǎn)生的。 包括乙烷 （C 2 H 6 ） ,乙炔 （C 2 H 2 ） ,甲基乙炔 （CH 3 C 2 H） , 聯(lián)乙炔 （C 2 HC 2 H） 。 光譜研究也揭露了水蒸汽的蹤影，一氧化碳和二氧化碳在大氣層的上層，但可能只是來自于彗星和其他外部天體的落塵。

對(duì)流層

  天王星大氣層的對(duì)流層和平流層低層的溫度曲線圖，數(shù)層的云和霾也表示在圖中。

對(duì)流層是大氣層最低和密度最高的部分，溫度隨著高度增加而降低， 溫度從有名無實(shí)的底部大約320K，?300公里，降低至53K，高度50公里。 在對(duì)流層頂實(shí)際的最低溫度在49至57K，依在行星上的高度來決定。 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±0.3K。

對(duì)流層應(yīng)該還有高度復(fù)雜的云系結(jié)構(gòu)，水云被假設(shè)在大氣壓力 50至100巴 （5到10百萬帕），氨氫硫化物云在 20至40巴 （2到4百萬帕）的壓力范圍內(nèi)，氨或氫硫化物云在3和10巴（0.3到1百萬帕），最后是直接偵測(cè)到的甲烷云在 1至2巴 （0.1到0.2百萬帕）。 對(duì)流層是大氣層內(nèi)非常生氣蓬勃的部分，展現(xiàn)出強(qiáng)風(fēng)、明亮的云彩和季節(jié)性的變化，將會(huì)在下面討論。

上層大氣層

天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度逐漸增加，從對(duì)流層頂?shù)?3K上升至增溫層底的800至850K。 平流層的加熱來自于甲烷和其他碳?xì)浠衔镂盏奶栕贤饩€和紅外線輻射，甲烷光解的結(jié)果形成這部分的大氣層。 熱也來自增溫層的傳導(dǎo)。 碳?xì)浠衔锵鄬?duì)來說只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對(duì)于氣壓是10至0.1毫巴（1000到10千帕），溫度在75K和170K之間。 含量最多的碳?xì)浠衔锸且胰?、乙烷、與甲烷，相對(duì)于氫的混合比率是×10 。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)。 水的豐度7×10 。 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（低于10毫巴）傾向于凝聚而形成數(shù)層陰霾的云層， 這可能是天王星上的云帶出現(xiàn)的部分原因。然而，碳?xì)浠衔锛性谔焱跣瞧搅鲗雨庼仓系母叨缺绕渌惸拘行堑母叨纫@著的低。

天王星大氣層的最外層是增溫層或暈，有著均勻一致的溫度，大約在800至850K。 目前仍不了解是何種熱源支撐著如此的高溫，雖然低效率的冷卻作用和平流層上層的碳?xì)浠衔镆材茇暙I(xiàn)一些能源，但即使是太陽的遠(yuǎn)紫外線和超紫外線輻射，或是極光活動(dòng)都不足以提供所需的能量。在平流層0.1毫巴氣壓等級(jí)以上缺乏碳?xì)浠衔镌斐晌⑷醯慕禍匦士赡軣o可否認(rèn)地對(duì)此有所貢獻(xiàn)。 除此之外，氫分子和增溫層與暈擁有大比例的自由氫原子，她們的低分子量和高溫可以解釋為何暈可以從行星擴(kuò)展至50,000公里，天王星半徑的兩倍遠(yuǎn)。 這個(gè)延伸的暈是天王星的一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)。 他的作用包括阻尼環(huán)繞天王星的小顆粒，導(dǎo)致一些天王星環(huán)中塵粒的耗損。 天王星的增溫層和平流層的上層對(duì)應(yīng)著天王星的電離層。 觀測(cè)顯示電離層占據(jù)2,000至10,000公里的高度。 天王星電離層的密度比土星或海王星高，這可能肇因于碳?xì)浠衔镌谄搅鲗拥吞幍募小?電離層是承受太陽紫外線輻射的主要區(qū)域，它的密度也依據(jù)太陽活動(dòng)而改變。 極光活動(dòng)不如木星和土星的明顯。

行星環(huán)

  天王星的環(huán)。最外層是明亮的ε環(huán)，還可以看見另外的9個(gè)環(huán)。

  天王星環(huán)系統(tǒng)。

天王星有個(gè)復(fù)雜的行星環(huán)系統(tǒng)，它是太陽系中繼土星環(huán)之后發(fā)現(xiàn)第二個(gè)環(huán)系統(tǒng)。 該環(huán)由大小毫米到幾米的極端黑暗粒狀物質(zhì)組成。 目前已知天王星環(huán)有13個(gè)圓環(huán)，其中最明亮的是ε環(huán)。所有天王星行星環(huán)除兩個(gè)以外皆極度狹窄–通常只有幾公里寬。天王星環(huán)大概還相當(dāng)年輕；動(dòng)力學(xué)分析指出它們不是與天王星同時(shí)形成的。環(huán)中的物質(zhì)可能來自被高速撞擊或潮汐力粉碎的衛(wèi)星。而來自這些撞擊結(jié)果形成的眾多碎片中，只有少數(shù)幾片留存在對(duì)應(yīng)到現(xiàn)今的環(huán)的有限數(shù)量穩(wěn)定區(qū)域里。

威廉·赫歇耳聲稱他曾經(jīng)在1789年看見天王星環(huán)，然而這是值得懷疑的，首先該環(huán)相當(dāng)?shù)镊龅?，而且隨后的兩個(gè)世紀(jì)沒有一個(gè)觀測(cè)者曾經(jīng)注意到環(huán)的存在。盡管如此，赫歇耳正確的描述了ε環(huán)大小、其相對(duì)于地球間的角度、色澤為紅、以及它隨天王星繞行太陽造成顯著變化。 環(huán)確實(shí)的發(fā)現(xiàn)日期是1977年3月10日，在詹姆斯·L.·艾略特、愛德華·W.·杜漢、和道格拉斯·J.·明克透過柯伊伯機(jī)載天文臺(tái)觀測(cè)時(shí)意外的發(fā)現(xiàn)。他們?cè)镜挠?jì)劃是觀測(cè)天王星掩蔽SAO 158687以研究天王星的大氣層。然而，當(dāng)他們分析觀測(cè)的資料時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)在行星掩蔽的前后，這顆恒星都曾經(jīng)短暫的消失了五次。他們認(rèn)為，必須有個(gè)環(huán)系統(tǒng)圍繞著行星才能解釋。 后來他們又偵測(cè)到四個(gè)額外的環(huán)。 旅行者2號(hào)在1986年飛掠過天王星時(shí)，直接拍下了這些環(huán)。 旅行者2號(hào)也發(fā)現(xiàn)了兩圈新的黯淡光環(huán)，使環(huán)的數(shù)量增加到11圈。

在2005年12月，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡偵測(cè)到一對(duì)早先未曾發(fā)現(xiàn)的藍(lán)色圓環(huán)。最外圍的一圈與天王星的距離比早先知道的環(huán)遠(yuǎn)了兩倍，因此新發(fā)現(xiàn)的環(huán)被稱為環(huán)系統(tǒng)的外環(huán)，使天王星環(huán)的數(shù)量增加到13圈。哈勃同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了兩顆新的小衛(wèi)星，其中的天衛(wèi)二十六還與最外面的環(huán)共享軌道。 在2006年4月，凱克天文臺(tái)公布的新環(huán)影像中，外環(huán)的一圈是藍(lán)色的，另一圈則是紅色的。

關(guān)于外環(huán)顏色是藍(lán)色的一個(gè)假說是，它由來自天衛(wèi)二十六的細(xì)小冰微粒組成，因此能散射足夠多的藍(lán)光。 天王星的內(nèi)環(huán)看起來是呈灰色的。

磁場

  旅行者2號(hào)在1986年觀察到的天王星磁場。

在旅行者2號(hào)抵達(dá)之前，天王星的磁層從未被測(cè)量過，因此很自然的還保持著神秘。在1986年之前，因?yàn)樘焱跣堑淖赞D(zhuǎn)軸就躺在黃道上，天文學(xué)家盼望能根據(jù)太陽風(fēng)測(cè)量到天王星的磁場。

旅行者的觀測(cè)顯示天王星的磁場是奇特的，一則是他不在行星的幾何中心，再者他的磁場軸相對(duì)于自轉(zhuǎn)軸傾斜59°。 事實(shí)上，磁極從行星的中心偏離往南極達(dá)到行星半徑的三分之一。 這異常的幾何關(guān)系導(dǎo)致一個(gè)非常不對(duì)稱的磁層，在南半球的表面，磁場的強(qiáng)度低于0.1高斯，而在北半球的強(qiáng)度高達(dá)1.1高斯； 在表面的平均強(qiáng)度是0.23高斯。 相較之下，地球兩極的磁場強(qiáng)度大約是相等的，并且“磁赤道”大致上也與物理上的赤道平行， 天王星的偶極矩是地球的50倍。 海王星也有一個(gè)相似的偏移和傾斜的磁場，因此有人認(rèn)為這是冰巨星的共同特點(diǎn)。 一種假說認(rèn)為，不同于類地行星和氣體巨星的磁場是由核心內(nèi)部引發(fā)的，冰巨星的磁場是由相對(duì)于表面下某一深度的運(yùn)動(dòng)引起的，例如水–氨的海洋。

盡管有這樣奇特的準(zhǔn)線，天王星的磁層在其他方面與一般的行星相似：在他的前方，位于23個(gè)天王星半徑之處有弓形激波，磁層頂在18個(gè)天王星半徑處，徹底發(fā)展完成的磁尾和輻射帶。 綜上所論，天王星的磁層結(jié)構(gòu)不同于木星的，而比較像土星的。 天王星的磁尾在天王星的后方延伸至太空中遠(yuǎn)達(dá)數(shù)百萬公里，并且因?yàn)樾行堑淖赞D(zhuǎn)被扭曲而斜向一側(cè)，像是拔瓶塞的長螺旋桿。

天王星的磁層包含帶電粒子：質(zhì)子和電子，還有少量的 H 2 離子， 未曾偵測(cè)到重離子。許多的這些微?？赡軄碜源髿鈱訜岬臅瀮?nèi)。 離子和電子的能量分別可以高達(dá)4和1.2百萬電子伏特。 在磁層內(nèi)側(cè)的低能量（低于100電子伏特）離子的密度大約是2公分 。 微粒的分布受到天王星衛(wèi)星強(qiáng)烈的影響，在衛(wèi)星經(jīng)過之后，磁層內(nèi)會(huì)留下值得注意的空隙。 微粒流量的強(qiáng)度在100,000年的天文學(xué)時(shí)間尺度下，足以造成衛(wèi)星表面變暗或是太空風(fēng)暴。 這或許就是造成衛(wèi)星表面和環(huán)均勻一致暗淡的原因。 在天王星的兩個(gè)磁極附近，有相對(duì)算是高度發(fā)達(dá)的極光，在磁極的附近形成明亮的弧。 但是，不同于木星的是，天王星的極光對(duì)增溫層的能量平衡似乎是無足輕重的。

氣候

  近乎天然顏色（左）和在長波下（右）的天王星南半球，顯示出旅行者2號(hào)在大氣層中看見的微弱云帶和羽冠。

在紫外線與可見光波段下與其他的氣體巨星，甚至是與相似的海王星比較，天王星的大氣層是非常平靜的。 當(dāng)旅行者2號(hào)在1986年飛掠過天王星時(shí)，總共觀察到了10個(gè)橫跨過整個(gè)行星的云帶特征。 有人提出解釋認(rèn)為這種特征是天王星的內(nèi)熱低于其他巨大行星的結(jié)果。記錄到天王星對(duì)流層頂?shù)淖畹蜏囟仁?9K，比海王星還要冷，使天王星成為太陽系溫度最低的行星（原來最低的冥王星已不再是行星）。

帶狀結(jié)構(gòu)、風(fēng)和云

  天王星帶狀風(fēng)的速度。陰影區(qū)顯示南半球的“衣領(lǐng)”區(qū)和在北半球的對(duì)照區(qū)。紅色的曲線是對(duì)稱且與數(shù)據(jù)吻合。

  2005年的天王星?？梢钥匆姯h(huán)、南半球的“衣領(lǐng)”和北半球明亮的云彩。

  在天王星觀測(cè)到的第一個(gè)大暗斑。影像是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的先進(jìn)巡天照相機(jī)在2006年拍攝的。

在1986年，旅行者2號(hào)發(fā)現(xiàn)可見的天王星南半球可以被細(xì)分成兩個(gè)區(qū)域：明亮的極區(qū)和暗淡的赤道帶狀區(qū)（參考右圖）。 這兩區(qū)的分界大約在緯度?45°的附近。一條跨越在?45°至?50°之間的狹窄帶狀物是在行星表面上能夠看見的最亮的大特征， 被稱為南半球的“衣領(lǐng)”。極冠和衣領(lǐng)被認(rèn)為是甲烷云密集的區(qū)域，位置在大氣壓力1.3至2巴的高度。（見上文） 很不幸的是，旅行者2號(hào)抵達(dá)時(shí)正值南半球盛夏，且觀察不到北半球的部分。不過，從21世紀(jì)開始之際，北半球極區(qū)進(jìn)入視野，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和凱克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)北半球皆找不到“衣領(lǐng)”和極帽。 故天王星看起來是不對(duì)稱的：靠近南極是明亮的，從南半球的“衣領(lǐng)”以北都是一樣的黑暗。 除了大規(guī)模的帶狀結(jié)構(gòu)，旅行者2號(hào)觀察到了10朵小塊的亮云，多數(shù)都躺在“衣領(lǐng)”的北方數(shù)度。 在1986年看到的天王星，在其他的區(qū)域都像是毫無生氣的死寂行星。

然而，在1990年代的觀測(cè)，拜高分辨率影像技術(shù)之賜，亮云彩特征的數(shù)量有著明顯的增長。 他們多數(shù)都出現(xiàn)在北半球開始成為可以看見的區(qū)域。 早期的解釋—認(rèn)為是明亮的云彩在行星黑暗的部分比較容易被分辨出來，而在南半球則被明亮的“衣領(lǐng)”掩蓋掉—被證明是錯(cuò)誤的，實(shí)際上特征數(shù)量已確實(shí)顯著增加。 不過，兩個(gè)半球的云彩是有區(qū)別的，北半球的云彩較小、較尖銳和較明亮。 他們看上去都躺在較高的高度。 云彩的生命期有著極大的差異，一些小的只有幾小時(shí)，而南半球至少有一個(gè)從旅行者飛掠過后仍一直存在著。 最近的觀察也發(fā)現(xiàn)，雖然天王星的氣候較為平靜，但天王星的云彩有許多特性與海王星相同。 例如，在海王星上很普通的大暗斑，在2006年之前從未在天王星上觀測(cè)到，而在2006年暗斑特征首次被拍到。 據(jù)推測(cè)天王星在春秋分時(shí)節(jié)變得較像海王星。

追蹤這些有特征的云彩，可以測(cè)量出天王星對(duì)流層上方的風(fēng)是如何在極區(qū)咆哮。 在赤道的風(fēng)是退行的，意味著他們吹的方向與自轉(zhuǎn)的方向相反，他們的速度從?100至?50米/秒。 風(fēng)速隨著遠(yuǎn)離赤道的距離而增加，大約在緯度±20°靜止不動(dòng)，這兒也是對(duì)流層溫度最低之處。 再往極區(qū)移動(dòng)，風(fēng)向也轉(zhuǎn)成與行星自轉(zhuǎn)的方向一致，風(fēng)速則持續(xù)增加，在緯度±60°處達(dá)到最大值，然后下降至極區(qū)減弱為0。 在緯度?40°附近，風(fēng)速從150到200米/秒，因?yàn)椤耙骂I(lǐng)”蓋過了所有平行的云彩，無法測(cè)量從哪兒到南極之間的風(fēng)速。 與北半球?qū)φ?，風(fēng)速在緯度+50°達(dá)到最大值，速度高達(dá)240米/秒。

季節(jié)變化

在2004年3月到5月這一短暫期間，很多片大塊云彩出現(xiàn)在海王星大氣層里，這讓天王星有著類似海王星般的外觀。 觀察到229米/秒（824公里/時(shí)）的破表風(fēng)速，和被稱為“7月4日煙火”的雷雨風(fēng)暴。 2006年8月23日，科羅拉多州博爾德市太空科學(xué)學(xué)院和威斯康辛大學(xué)的研究員觀察到天王星表面有一個(gè)大黑斑，讓天文學(xué)家對(duì)天王星大氣層的活動(dòng)有更多的了解。 雖然為何這突如其來活動(dòng)暴漲的發(fā)生原因仍未被研究員所明了，但是它呈現(xiàn)了天王星極度傾斜的自轉(zhuǎn)軸所帶來的季節(jié)性的氣候變化。 要確認(rèn)這種季節(jié)變化的本質(zhì)是很困難的，因?yàn)閷?duì)天王星大氣層堪用的觀察數(shù)據(jù)仍少于84年，也就是一個(gè)完整的天王星年。雖然已經(jīng)有了一定數(shù)量的發(fā)現(xiàn)，光度學(xué)的觀測(cè)已經(jīng)累積了半個(gè)天王星年（從1950年代起算），在兩個(gè)光譜帶上的光度變化已經(jīng)呈現(xiàn)了規(guī)律性的變化，最大值出現(xiàn)在至點(diǎn)，最小值出現(xiàn)在晝夜平分點(diǎn)。 從1960年開始的微波觀測(cè)，深入對(duì)流層的內(nèi)部，也得到相似的周期變化，最大值也在至點(diǎn)。 從1970年代開始對(duì)平流層進(jìn)行的溫度測(cè)量也顯示最大值出現(xiàn)在1986年的至日附近。 多數(shù)的變化相信與可觀察到的幾何變化相關(guān)。

然而，有某些理由相信天王星物理性的季節(jié)變化也在發(fā)生。當(dāng)南極區(qū)域變得明亮?xí)r，北極相對(duì)的呈現(xiàn)黑暗，這與上述概要性的季節(jié)變化模型是不符合的。 在1944年抵達(dá)北半球的至點(diǎn)之前，天王星亮度急遽提升，顯示北極不是永遠(yuǎn)黑暗的。 這個(gè)現(xiàn)象意味著可以看見的極區(qū)在至日之前開始變亮，并且在晝夜平分點(diǎn)之后開始變暗。 詳細(xì)的分析可見光和微波的資料，顯示亮度的變化周期在至點(diǎn)的附近不是完全的對(duì)稱，這也顯示出在子午圈上反照率變化的模式。 最后，在1990年代，在天王星離開至點(diǎn)的時(shí)期，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和地基的望遠(yuǎn)鏡顯示南極冠出現(xiàn)可以察覺的變暗（南半球的“衣領(lǐng)”除外，它依然明亮）， 同時(shí)，北半球的活動(dòng)也證實(shí)是增強(qiáng)了， 例如云彩的形成和更強(qiáng)的風(fēng)，支持期望的亮度增加應(yīng)該很快就會(huì)開始。

目前對(duì)天王星物理變化的機(jī)制還不是很清楚， 在接近夏天和冬天的至點(diǎn)，天王星的一個(gè)半球沐浴在陽光之下，另一個(gè)半球則對(duì)向幽暗的深空。受光半球的明亮曾被認(rèn)為是對(duì)流層里來自甲烷云與陰霾層局部增厚的結(jié)果。 在緯度?45°的明亮“衣領(lǐng)”也與甲烷云有所關(guān)聯(lián)。 在南半球極區(qū)的其他變化，也可以用低層云的變化來解釋。 來自天王星微波發(fā)射譜線上的變化，或許是在對(duì)流層深處的循環(huán)變化造成的，因?yàn)楹駥?shí)的極區(qū)云彩和陰霾可能會(huì)阻礙對(duì)流。 現(xiàn)在，天王星春天和秋天的晝夜平分點(diǎn)即將來臨，動(dòng)力學(xué)上的改變和對(duì)流可能會(huì)再發(fā)生。

形成

有些論點(diǎn)認(rèn)為氣體巨星和冰巨星在形成的時(shí)候就有差異存在， 太陽系的誕生應(yīng)該開始于一個(gè)氣體和塵土構(gòu)成的巨大轉(zhuǎn)動(dòng)的球體，也就是前太陽星云。當(dāng)它凝聚時(shí)逐漸形成盤狀，在中心的崩塌形成了太陽。 多數(shù)的星云氣體，主要是氫和氦，形成了太陽；同時(shí)，顆粒的塵土集合形成了第一顆原行星。隨著行星的成長，有些行星累積到足夠的質(zhì)量，能夠凝聚星云中殘余的氣體。 聚集越多的氣體，使他們變得越大；他們變得越大，就越能聚集氣體，直到達(dá)到一個(gè)關(guān)鍵的點(diǎn)，使他們開始以指數(shù)的增長。冰巨星所有的星云氣體只有幾個(gè)地球的質(zhì)量大小，未能達(dá)到這個(gè)臨界點(diǎn)。 目前的太陽系形成理論在計(jì)算遠(yuǎn)離木星土星的天王星和海王星上遭遇了困難。他們塊頭過大，以至于無法在那個(gè)距離上取得足夠的材料來形成。相反的，某些科學(xué)家認(rèn)為這兩顆行星是在離太陽較近的位置形成之后，才被木星驅(qū)趕到外面的。 然而，近來越來越多將行星漂移計(jì)算在內(nèi)的摹擬，似乎已能在他們現(xiàn)存的位置上形成天王星和海王星。

衛(wèi)星

目前已知天王星有27顆天然的衛(wèi)星， 這些衛(wèi)星的名稱都出自莎士比亞和蒲柏的歌劇中。 五顆主要衛(wèi)星的名稱是“米蘭達(dá)”（天衛(wèi)五）、“艾瑞爾”（天衛(wèi)一）、“烏姆柏里厄爾”（天衛(wèi)二）、“泰坦尼亞”（天衛(wèi)三）和“歐貝隆”（天衛(wèi)四）。 第一顆和第二顆（天衛(wèi)三和天衛(wèi)四）是威廉·赫歇耳在1787年3月13日發(fā)現(xiàn)的，另外兩顆天衛(wèi)一和天衛(wèi)二是在1851年被威廉·拉索爾發(fā)現(xiàn)的。在1852年，威廉·赫歇耳的兒子約翰·赫歇耳才為這四顆衛(wèi)星命名。到了1948年杰拉德·柯伊伯發(fā)現(xiàn)第五顆衛(wèi)星天衛(wèi)五。

天王星衛(wèi)星系統(tǒng)的質(zhì)量是氣體巨星中最少的，的確，五顆主要衛(wèi)星的總質(zhì)量還不到海衛(wèi)一的一半。 最大的衛(wèi)星，天衛(wèi)三，半徑788.9公里，還不到月球的一半，但是比土星第二大的衛(wèi)星土衛(wèi)五稍大些。這些衛(wèi)星的反照率相對(duì)也較低，天衛(wèi)二約為0.2，天衛(wèi)一約為0.35（在綠光）。 這些衛(wèi)星由冰和巖石組成，大約是50%的冰和50%的巖石，冰也許包含氨和二氧化碳。

在這些衛(wèi)星中，天衛(wèi)一有著最年輕的表面，上面只有少許的隕石坑；天衛(wèi)二看起來是最老的。 天衛(wèi)五擁有深達(dá)20公里的斷層峽谷，梯田狀的層次和混亂的變化，形成令人混淆的表面年齡和特征。 天衛(wèi)五過去的地質(zhì)活動(dòng)被認(rèn)為是在某段時(shí)候當(dāng)其軌道比目前更偏心時(shí)受到潮汐加熱的影響，偏心的原因大概是跟天衛(wèi)二軌道共振（過去與現(xiàn)在3:1比例）的結(jié)果。 與地幔上涌并擠入相關(guān)的外部加工很可能是天衛(wèi)五“賽道”般運(yùn)河的起源。 同樣的，天衛(wèi)一被認(rèn)為曾經(jīng)處于與天衛(wèi)三4:1軌道共振的位置。

 旅行者2號(hào)航向海王星時(shí)拍攝的天王星。

探測(cè)

在1986年，NASA的旅行者2號(hào)拜訪了天王星。這次的拜訪是唯一的一次近距離的探測(cè)，并且目前也還沒有新的探測(cè)計(jì)劃。旅行者2號(hào)在1977年發(fā)射，在繼續(xù)前往海王星的旅程之前，于1986年1月24日最接近天王星，距離近達(dá)81,500公里。旅行者2號(hào)研究了天王星大氣層的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，發(fā)現(xiàn)了10顆新衛(wèi)星，還研究了天王星因?yàn)樽赞D(zhuǎn)軸傾斜97.77°所造成的獨(dú)特氣候，并觀察了天王星的環(huán)系統(tǒng)。 他也研究了天王星的磁場：不規(guī)則的結(jié)構(gòu)、傾斜的磁軸、和如同拔塞螺絲般扭曲并斜向一側(cè)的磁尾。 他對(duì)最大的五顆衛(wèi)星做了首度的詳細(xì)調(diào)查，并研究當(dāng)時(shí)已知的九圈光環(huán)，也新發(fā)現(xiàn)了兩道光環(huán)。

參見

太陽系探測(cè)器列表

太陽系探索年表

旅行者2號(hào)

新視野二號(hào)

注釋與參考資料

參考資料

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