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太陽系探索——躺著打滾的天王星

（2006年02月10日 18:22） 來源︰《太空探索》

□作者: 尹懷勤

[1]

　　按照距離太陽由近及遠的次序排列，天王星居于9大行星中的第七位。它是1781年由旅居于英國的德國著名天文學家赫歇爾偶然發現的。6年後，赫歇爾還發現了天王星的兩顆天然衛星天衛三和天衛四。天王星的發現，使人類對太陽系的認識大大向前推進了一步。
　　
　　第三大行星
　　天王星直徑51113千米，為地球的4.007倍，體積為地球的64.2倍，平均密度為1.29克/厘米3，質量為地球的14.53倍。其質量在9大行星中僅次于木星、土星和海王星而佔第四位，而如果按個兒大小來說則是排在木星和土星之後名列第三的大行星。其表面重力加速度為7.77米/秒2，僅比地球的9.8米/秒2略小一點，但其赤道逃逸速度卻高達21.3千米/秒，比地球的11.2千米/秒幾乎大1倍。
　　由于天王星距離太陽較遠，人們在地球上用肉眼難以看到，故而發現較晚。它繞日運行的軌道半長徑為19.19個天文單位，即相當于19.19倍的日地平均距離。它到太陽的平均距離為2870.99百萬千米，繞日公轉1周為84.01個地球年。這是因為不僅它的公轉周長更大，而且它的環繞速度更小。天王星繞太陽公轉的平均速度僅為6.81千米/秒，比在它內側的水星、金星、地球、火星、木星、土星均要慢得多，只比在它外側的海王星、冥王星稍快一些。

　　奇怪的是，天王星與其它8大行星不同，它幾乎是橫臥在軌道平面上運行的。其自轉軸與公轉軸傾角為97°86′，接近于垂直狀態。也就是說它的赤道面與公轉軌道面的傾角為97°86′，其自轉方式就像躺倒在軌道面上打滾似的。它一邊這樣自轉，一邊繞太陽公轉。天王星公轉軌道面與黃道面即地球公轉軌道面之間的夾角僅為0°46′25〞，可見它的南北兩極是落在黃道面附近的，而赤道平面卻垂直地豎立起來。它的衛星也都在直立的赤道平面上運行。其自轉軸這種奇特的傾倒現象，尚是太陽系起源學說中一個難以解決的問題。
　　地面觀測表明，天王星周圍被濃密的大氣層所包圍，但是氣溫十分寒冷。由于它接受的太陽能僅為地球的千分之三，故而其表面的有效溫度只有－211℃。天王星上的氣候變化可能比地球上小得多，因為太陽離它很遠，引起和促使氣候變化的能量是非常小的。
　　
　　自轉速度和方向
　　直到目前，只有旅行者2號航天器探測過天王星，人們對它的了解還較有限。盡管如此，該次探測還是獲得了重要信息，使人們對天王星有了一些新的認識。

　　原來的地面觀測認為天王星的自轉速度接近地球，約24小時自轉1周。這是由于分辨不清其表面特征難以精確測量的結果。待到1986年旅行者2號飛經天王星近處時，才準確測出其自轉周期為16.8個小時。同時，天王星的自轉方向也與絕大多數行星不同，是順時針轉動的，與公轉方向恰恰相反。從這一點上看，它和金星一樣，兩者都是太陽系家族的逆子。
　　這樣的公轉和自轉運動的結果，形成了天王星上非常奇特和十分復雜的四季變化與晝夜交替情況。當其南半球對著太陽時，南半球處于夏季，這時期的太陽總是在南半球上空轉圈子而不會落下，整個夏季南半球始終是白天。此時背向太陽的北半球則處于冬季，始終是黑夜。春秋兩季時情況則不大相同，隨著天王星的自轉，出現了快速的晝夜交替。每隔16.8個小時太陽就升起1次。在赤道附近的低緯度地區，84年中大部分時間處于晝夜交替的春秋季節，冬夏兩季時間較短。而高緯度地區常年卻處于日不墜落的夏季或漫漫長夜的冬季，白天和黑夜分別可持續21年時間。至于兩極附近則沒有春秋，基本上近于42年夏天和42年冬夜的互相交替。

　　天王星也有磁場，其磁軸與自轉軸夾角約為60°。其磁場和迎面吹來的太陽風作用，形成一個遼闊的磁層。1986年1月24日，旅行者2號穿過天王星磁場與太陽風互相作用形成的弓形激波區，測得它的磁層在朝陽面至少達59萬千米，其磁尾則延伸約600萬千米。同時，天王星也有與地球類似的輻射帶，乃是其磁場俘獲太陽風中的帶電粒子而形成的。
　　
　　衛星和光環
　　在航天器探測天王星之前，天文學家通過地面望遠鏡觀測，共發現它有5顆天然衛星。除天衛三和天衛四最早被赫歇爾發現外，天衛一和天衛二于1851年被拉塞爾所發現，而天衛五直到1948年才為柯伊伯所發現。天衛五離天王星最近，相距為13萬千米，然後依次是天衛一、天衛二、天衛三，而天衛四最遠，相距為 58.6萬千米。它們都在近于圓形的軌道上繞天王星運轉，軌道面基本處于天王星赤道面內，因而都是規則衛星。5顆衛星的環繞方向與天王星自轉方向相同，即它們的軌道面與天王星公轉軌道面的交角超過90°，而為97°86′，因此都是逆行衛星。

　　1986年1月，旅行者2號飛掠天王星近處對其探測時，又發現了天王星的12顆衛星。它們位于天衛五的內側，即距離天王星更近一些，加之個兒較小，故在地面上用望遠鏡觀測難以發現。近來有的新聞媒體報道，通過新的觀測又發現了天王星的4顆衛星。
　　1977年3月10日，中國、美國、澳大利亞、印度和南非的天文學家在觀察天王星遮掩1顆恆星的時候，同時意外地發現了天王星的光環。此前人們只知道土星有光環，此後兩年又發現了木星光環。隨後對另兩次天王星光環掩星事件的觀測，共發現天王星有9個光環。1986年1月旅行者2號證實天王星至少有10個光環。光環的總寬度約為7000千米，環間隙很大，各環的寬度是不均勻的，離天王星越近的光環越窄，最寬的光環有80到90千米，最窄的只有20千米。光環是由冰塊、塵埃顆粒等多種小物體構成，因反射太陽光而發亮。
　　由旅行者2號探測得知天王星大氣的主要成分是氫和氦。至于天王星的內部結構，有些天文學家認為，其核心由半個到1個地球質量的岩石物質組成，其中的鐵化合物可能是磁場的基礎。這個核心的溫度約為2300～3300℃。在核心以外，主要是由水冰和氨冰組成的很厚的冰幔。冰幔一直延伸到天王星直徑2/3的地方，其質量約佔總質量的50%。冰幔外面是分子氫層。這種認識還有待于今後的航天探測予以證實和深化。

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文章作者:尹懷勤
責任編輯:skylook

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