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太阳系探索——躺着打滚的天王星

（2006年02月10日 18:22） 来源：《太空探索》

□作者: 尹怀勤

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　　按照距离太阳由近及远的次序排列，天王星居于9大行星中的第七位。它是1781年由旅居于英国的德国著名天文学家赫歇尔偶然发现的。6年后，赫歇尔还发现了天王星的两颗天然卫星天卫三和天卫四。天王星的发现，使人类对太阳系的认识大大向前推进了一步。
　　
　　第三大行星
　　天王星直径51113千米，为地球的4.007倍，体积为地球的64.2倍，平均密度为1.29克/厘米3，质量为地球的14.53倍。其质量在9大行星中仅次于木星、土星和海王星而占第四位，而如果按个儿大小来说则是排在木星和土星之后名列第三的大行星。其表面重力加速度为7.77米/秒2，仅比地球的9.8米/秒2略小一点，但其赤道逃逸速度却高达21.3千米/秒，比地球的11.2千米/秒几乎大1倍。
　　由于天王星距离太阳较远，人们在地球上用肉眼难以看到，故而发现较晚。它绕日运行的轨道半长径为19.19个天文单位，即相当于19.19倍的日地平均距离。它到太阳的平均距离为2870.99百万千米，绕日公转1周为84.01个地球年。这是因为不仅它的公转周长更大，而且它的环绕速度更小。天王星绕太阳公转的平均速度仅为6.81千米/秒，比在它内侧的水星、金星、地球、火星、木星、土星均要慢得多，只比在它外侧的海王星、冥王星稍快一些。

　　奇怪的是，天王星与其它8大行星不同，它几乎是横卧在轨道平面上运行的。其自转轴与公转轴倾角为97°86′，接近于垂直状态。也就是说它的赤道面与公转轨道面的倾角为97°86′，其自转方式就像躺倒在轨道面上打滚似的。它一边这样自转，一边绕太阳公转。天王星公转轨道面与黄道面即地球公转轨道面之间的夹角仅为0°46′25″，可见它的南北两极是落在黄道面附近的，而赤道平面却垂直地竖立起来。它的卫星也都在直立的赤道平面上运行。其自转轴这种奇特的倾倒现象，尚是太阳系起源学说中一个难以解决的问题。
　　地面观测表明，天王星周围被浓密的大气层所包围，但是气温十分寒冷。由于它接受的太阳能仅为地球的千分之三，故而其表面的有效温度只有－211℃。天王星上的气候变化可能比地球上小得多，因为太阳离它很远，引起和促使气候变化的能量是非常小的。
　　
　　自转速度和方向
　　直到目前，只有旅行者2号航天器探测过天王星，人们对它的了解还较有限。尽管如此，该次探测还是获得了重要信息，使人们对天王星有了一些新的认识。

　　原来的地面观测认为天王星的自转速度接近地球，约24小时自转1周。这是由于分辨不清其表面特征难以精确测量的结果。待到1986年旅行者2号飞经天王星近处时，才准确测出其自转周期为16.8个小时。同时，天王星的自转方向也与绝大多数行星不同，是顺时针转动的，与公转方向恰恰相反。从这一点上看，它和金星一样，两者都是太阳系家族的逆子。
　　这样的公转和自转运动的结果，形成了天王星上非常奇特和十分复杂的四季变化与昼夜交替情况。当其南半球对着太阳时，南半球处于夏季，这时期的太阳总是在南半球上空转圈子而不会落下，整个夏季南半球始终是白天。此时背向太阳的北半球则处于冬季，始终是黑夜。春秋两季时情况则不大相同，随着天王星的自转，出现了快速的昼夜交替。每隔16.8个小时太阳就升起1次。在赤道附近的低纬度地区，84年中大部分时间处于昼夜交替的春秋季节，冬夏两季时间较短。而高纬度地区常年却处于日不坠落的夏季或漫漫长夜的冬季，白天和黑夜分别可持续21年时间。至于两极附近则没有春秋，基本上近于42年夏天和42年冬夜的互相交替。

　　天王星也有磁场，其磁轴与自转轴夹角约为60°。其磁场和迎面吹来的太阳风作用，形成一个辽阔的磁层。1986年1月24日，旅行者2号穿过天王星磁场与太阳风互相作用形成的弓形激波区，测得它的磁层在朝阳面至少达59万千米，其磁尾则延伸约600万千米。同时，天王星也有与地球类似的辐射带，乃是其磁场俘获太阳风中的带电粒子而形成的。
　　
　　卫星和光环
　　在航天器探测天王星之前，天文学家通过地面望远镜观测，共发现它有5颗天然卫星。除天卫三和天卫四最早被赫歇尔发现外，天卫一和天卫二于1851年被拉塞尔所发现，而天卫五直到1948年才为柯伊伯所发现。天卫五离天王星最近，相距为13万千米，然后依次是天卫一、天卫二、天卫三，而天卫四最远，相距为 58.6万千米。它们都在近于圆形的轨道上绕天王星运转，轨道面基本处于天王星赤道面内，因而都是规则卫星。5颗卫星的环绕方向与天王星自转方向相同，即它们的轨道面与天王星公转轨道面的交角超过90°，而为97°86′，因此都是逆行卫星。

　　1986年1月，旅行者2号飞掠天王星近处对其探测时，又发现了天王星的12颗卫星。它们位于天卫五的内侧，即距离天王星更近一些，加之个儿较小，故在地面上用望远镜观测难以发现。近来有的新闻媒体报道，通过新的观测又发现了天王星的4颗卫星。
　　1977年3月10日，中国、美国、澳大利亚、印度和南非的天文学家在观察天王星遮掩1颗恒星的时候，同时意外地发现了天王星的光环。此前人们只知道土星有光环，此后两年又发现了木星光环。随后对另两次天王星光环掩星事件的观测，共发现天王星有9个光环。1986年1月旅行者2号证实天王星至少有10个光环。光环的总宽度约为7000千米，环间隙很大，各环的宽度是不均匀的，离天王星越近的光环越窄，最宽的光环有80到90千米，最窄的只有20千米。光环是由冰块、尘埃颗粒等多种小物体构成，因反射太阳光而发亮。
　　由旅行者2号探测得知天王星大气的主要成分是氢和氦。至于天王星的内部结构，有些天文学家认为，其核心由半个到1个地球质量的岩石物质组成，其中的铁化合物可能是磁场的基础。这个核心的温度约为2300～3300℃。在核心以外，主要是由水冰和氨冰组成的很厚的冰幔。冰幔一直延伸到天王星直径2/3的地方，其质量约占总质量的50%。冰幔外面是分子氢层。这种认识还有待于今后的航天探测予以证实和深化。　

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文章作者:尹怀勤
责任编辑:skylook

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