Уран. Самая холодная и самая голубая планета Солнечной системы

Прежние наблюдатели, замечая иногда в небе тусклый объект, принимали его за звезду. Этот далекий холодный мир открыт при помощи телескопа в 1781 году английским астрономом Уильямом Гершелем.

Ученый предлагал назвать планету в честь английского короля Георга, но впоследствии традиция давать планетам имена в честь античных богов победила — и новый член Солнечной системы был назван в честь греческого бога неба Урана.

Уран отброшен от Солнца в среднем на 2,8 млрд км: чтобы более-менее представить это расстояние, обратимся к сравнениям. Свету на путь от Солнца до планеты требуется 2 часа 39 мин, «Вояджеру-2» понадобилось 8,5 лет, а если вообразить, что до Урана можно было бы долететь на самолете, то полет занял бы 320 лет!

В 60-е годы считали, что эти ледяные гиганты – Уран и Нептун – никогда не удастся исследовать. Слишком уж они далеко от Земли. Однако американский ученый Гарри Фландра, занимаясь теоретическими исследованиями, обнаружил, что в конце 70-х годов все газовые планеты Солнечной системы выстраиваются почти что в одну линию. Такое происходит примерно раз в 176 лет. Поняв, что вскоре появится уникальная возможность облететь далекие планеты на одном космическом аппарате, ученые и ракетостроители принялись за дело: за 12 лет были созданы два аппарата-близнеца, знаменитые «Вояджеры»:

«Вояджер-2» приблизился к Урану в январе 1986 года на расстояние около 81 500 км и в течение 5,5 часов производил измерения и передавал на Землю фотографии:

Снимок Урана с «Вояджера-2» 23 января 1986 г. Источник: NASA.

Снимки Урана 7 января 1986 года в истинных и ложных цветах: ложный цвет справа подчеркивает контраст, чтобы указать на детали в полярной области: видна темная полярная шапка, вокруг которой сконцентрированы более светлые полосы. Возможно, там коричневый смог.

Что же нам сегодня известно об Уране?

Самая холодная планета

Уран получает в 400 раз меньше тепла и света от Солнца, чем Земля. Несмотря на то, что он не является самой далекой от Солнца планетой, именно на нем зафиксирована самая низкая температура – минус 224°С.

Средняя температура Урана оценивается в минус 197°С. Интересно, что, когда «Вояджер» производил измерения, оказалось, что несмотря на крайне неравномерное распределение солнечного тепла на планете (Уран вращается, «лежа на боку»), температурные значения и на обоих полюсах, и на экваторе – практически одинаковы. Это указывает на наличие какого-то механизма переноса тепла в атмосфере Урана от более нагретых районов к менее нагретым, и наоборот.

Почти полвека длится день

Уран наклонен к эклиптике своей орбиты на 98 градусов, то есть вращается вокруг Солнца в положении «лежа», напоминая не вращающийся волчек, как другие планеты, а катящийся шар:

Поэтому смена времен года на Уране происходит совсем не так, как на других планетах. Поскольку полный оборот вокруг Солнца Уран совершает за 84 земных года, то в одном полушарии целых 42 земных года длится непрерывный день, который сменяется потом 42-летней ночью. Их разделяет период сплошных сумерек. Перед тем, как скрыться на долгую зиму, солнце несколько раз обходит уранианское небо, скользя по самому горизонту. Весной точно так же светило возвращается: едва появившись, делает круги через всё небо, постепенно поднимаясь к зениту по спиральной линии. Рассвет на Уране – синоним слова «весна», а закат означает «осень». Причем рассвет на Уране происходит на западе, а не на востоке, так как планета вращается в обратном направлении.

Возможно, такое необычное положение Урана и является причиной низкой температуры планеты по сравнению даже с более далеким от Солнца Нептуном: пока на одном из полушарий Урана царит столь суровая зима, оно сильно остывает. А поскольку измерения показали, что экваториальные области ледяного гиганта прогреты даже чуть больше, чем полярные — то, возможно, атмосферные течения постоянно передают тепло от более нагретого полушария к более холодному и таким образом понижают температуру на всей планете.

Атмосфера

Поскольку на Уране нет твердой поверхности, атмосферой условно считается всё, что выше области с давлением в 1 бар (земное давление на уровне моря). Основной газ атмосферы Урана – это водород (83%), 15% составляет гелий, остальное делят между собой метан и ацетилен. Светло-голубой цвет планете придает метан: этот газ поглощает лучи красного спектра, отражая зелено-голубые лучи. Он содержится не только в атмосфере, но и в мантии планеты – в жидком виде.

Атмосфера Урана разбита на слои, которые отличаются по составу, температуре и давлению. В самом нижнем и плотном из них – тропосфере — находятся водяные облака с самым низким давлением, а над ними — облака гидросульфида аммония. Затем идут облака аммиака и сероводорода, дальше – тонкие метановые облака. Они – самые холодные, здесь была зафиксирована температура в минус 224°С.

В стратосфере температура повыше – минус 153°С, этот слой содержит этановый смог: эта дымка придает планете спокойный и скучный вид. Так говорили об Уране ученые NASA еще в 1980-х годах: «Там ничего не происходит». Однако в 90-е годы представления об Уране изменились: наблюдения с космического телескопа «Хаббл» обнаружили там сильные штормы и активные погодные пятна.

Как видно по снимку, на Уране тоже имеются полосы ветров – правда, они далеко не такие четкие и яркие, как на Юпитере. На экваторы дуют ветры с запада на восток со скоростью 50-100 м/с. Дальше, до 20-й широты, ветры стихают до минимума, еще выше – начинают дуют с востока на запад, а их скорость опять растет, достигая на 50-й — 60-й широте 240 м/с. К полюсам скорость ветра снова падает до нуля.

В 2014 году «Хаббл» запечатлел множественные штормы с ледяными метановыми облаками, а в 2022-м — густую дымку на северном полюсе:

«Хаббл» отслеживает размер и яркость северной полярной шапки. Шапка становится всё ярче с каждым годом после весеннего равноденствия на Уране в 2007 году, когда солнце светило прямо на экватор. Во время летнего солнцестояния, когда освещение полюса достигнет максимума, эта шапка может стать еще ярче — это будет в 2028 году. К тому же северный полюс планеты будет смотреть прямо на Землю — это даст астрономам прекрасную возможность его изучить, а также рассмотреть кольца Урана с других ракурсов.

Если вспомнить, сколько нового открыли «Галилео» и «Юнона» на Юпитере и «Кассини» на Сатурне, то, вполне вероятно, что исследование Урана с помощью зондов могло бы быть весьма интересным. В частности, одна из главных загадок ледяного гиганта – высокая температура верхних слоев его атмосферы, доходящая до 577°С – возможно, была бы разгадана. Пока неясно, как на такой холодной планете, получающей в 400 раз меньше солнечного света, чем Земля, термосфера и корона прогреваются до столь высоких температур.

На Уране, считают ученые, могут идти алмазные дожди. Правда, не в атмосфере, а в более низких слоях, где давление достигает экстремальных значений – 1,5 млн бар, а температура повышается до 4 тысяч и более градусов по Цельсию. Метан в таких условиях распадается на водород и углерод, которые, в свою очередь, превращаются в алмазные кристаллы и выпадают на ядро в виде дождя. Есть гипотеза, что в недрах Урана (как и Нептуна) содержится целый океан алмазной жидкости.

Теория основана на эксперименте, где ученые использовали энергию лазера, генерирующего жесткое рентгеновское излучение, и воссоздали в закрытой камере условия внутри планеты: алмазный дождь действительно выпал.

Происхождение алмазного дождя на Уране

Строение

В центре Урана находится маленькое скалистое ядро – его масса вдвое меньше массы Земли, а по размеру ядро составляет 20% от диаметра планеты. Оно окружено ледяной мантией из аммиака и воды, а 2,3% состава мантии – метановый лед, влияющий на голубой окрас Урана. В отличие от Сатурна и Юпитера, недра Урана не содержат металлического водорода.

Здесь важно понимать, что мантия Урана называется ледяной не в смысле её холода. Мы привыкли использовать слова «ледяной» и «холодный» как синонимы, но у астрономов эти слова часто имеют разное значение: в частности, мантию Урана называют ледяной из-за её плотности. Это — плотная жидкость, и она очень горячая, в тысячи градусов по Цельсию – температура возрастает при приближении к ядру.

Мантия характеризуется высокой электропроводностью – она и формирует магнитное поле Урана.

Магнитное поле

Магнитосфера Урана своеобразна и не похожа на магнитные поля других планет. Её основными особенностями являются три фактора:

1. Магнитная ось планеты сдвинута с центра оси планеты на треть её радиуса и наклонена на 60 градусов;

2. Напряженность магнитных полей меняется;

3. Кроме основных магнитных полюсов есть еще пара более слабых.

Картина силовых линий выглядит перекошенной,

поскольку со стороны Солнца на магнитный поток планеты давит солнечный ветер и препятствует широкому движению силовых линий, а с другой стороны — их распространению в космическом пространстве мешает необычный наклон оси вращения Урана. В результате, когда ледяной гигант вращается, его силовые линии накручиваются друг на друга спиралевидным хвостом в длину до 10 млн км в обратную от Солнца сторону.

Еще одна необычная особенность: магнитосфера Урана вращается вместе с планетой, меняя свою полюса каждые 17 часов — столько занимает оборот Урана вокруг своей оси. То, что у нас на Земле обернулось бы катастрофой, на ледяном гиганте происходит каждые новые сутки.

В 2011 году «Хабблу» удалось запечатлеть полярные сияния на Уране:

Полярные сияния на ледяном гиганте. Источник: NASA.

Кольца Урана

Еще в 1789 году Гершель, наблюдая открытую им планету, записал, что обнаружил вокруг Урана кольцо — «короткое, не такое, как у Сатурна», и сделал зарисовку: Уран окружен кольцом. Но тогда на его записи не обратили внимания, решив, что это был дефект оптики, поскольку больше никто не видел вокруг Урана никаких колец.

Только через два столетия, в 1977 году, при изучении Урана, когда он проходил по небосводу на фоне далекой звезды, астрономы заметили симметричные перекрытия её света, девять кратковременных «миганий». Анализ движения спутников показал, что ни один из них не мог быть тем небесным телом, которое затмило свет звезды. К тому же симметричность световых затмений наводила на мысль, что явление связано с самой планетой.

Так были открыты девять колец Урана: плотных, узких, очень темных и далеко отстоящих друг от друга. Потому их и не было видно: они отражают всего 3% света – значит, они чернее, чем уголь! В 1986 году кольца сфотографировал «Вояджер»:

Фото колец Урана с «Вояджера», 1986 год, Короткие светлые полоски — следы движения звезд за время 96-секундой экспозиции. Снимок сделан с расстояния 236 000 км с разрешением 33 км. Источник: NASA.

А это фото Урана с его системой колец в инфракрасном спектре, с космического телескопа Джеймс Уэбб, где они выглядят весьма ярко:

Кольца назвали буквами греческого алфавита по порядку, сейчас уже известно 13 колец, самое яркое из которых – эпсилон. Они начинаются с расстояния 38 000 км и простираются до 98 000 км. Состоят не из пыли и мелких осколков, а скорее из более крупных валунов от 0,2 до 20 м в ширину.

Кольца Урана куда более узкие, чем у Сатурна: их ширина составляет всего лишь от 1 до 10 км, только самое внешнее кольцо достигает ширины в 96 км. Но они такие же тонкие: всего по несколько метров в толщину.

Считают, что кольца ледяного гиганта произошли от крушения одного крупного или нескольких мелких спутников. Возраст обломков оценивают в 600 млн лет.

Очень странно, что Гершель смог увидеть кольца Урана в телескоп (хоть и принял за одно кольцо), а после – никто их не видел, и только благодаря появлению точных приборов астрономы обнаружили их существование. Выходит, в XVIII веке кольца были более яркими? Что же с ними случилось, почему они стали угольно-черными? Вот еще одна загадка Урана, которую, может быть, разрешит миссия к этой планете.

Планируемые исследования

Ближайшее «окно» для отправки аппаратов к ледяным гигантам будет в 2029 – 2034 годах. Старт новой экспедиции планируется в 2031 году на ракете Falcon Heavy. В космическое путешествие, помимо ракеты, отправится орбитальный аппарат, который сможет сохранять работоспособность на протяжении нескольких лет, делая снимки и подробно изучая Уран, его кольца и спутники.

Планируется отправить и зонд, который должен будет погрузиться в атмосферу Урана, как когда-то «Галилео» — в атмосферу Юпитера, и изучить её состав, слои, течения, штормы, найти ответы на вопросы о необычно высокой температуре термосферы и короны и о механизме распределения тепла между полушариями планеты, когда на одной половине царит суровая зима и ночь, а на другой – лето и сплошной день.

Орбитальный зонд мог бы подробнее исследовать и сделать с близкого расстояния качественные снимки атмосферы планеты и системы колец. Как и «Кассини» о Сатурне, аппарат мог бы открыть нам много нового и интересного об Уране и его кольцах.

Остается надеяться, что экспедиция состоится.