УРАН И НЕПТУН

Характеристики Урана и Нептуна определяются дальнейшим развитием физических свойств двух предшествующих планет, вытекающим из их большей удаленности от Солнца. Их тепловое излучение уже настолько ничтожно, что едва поддается измерению в инфракрасном и в радиодиапазоне. Теоретические их температуры порядка 90 — 50 К. Они так низки не только из-за большой удаленности обеих планет от Солнца, но и вследствие их очень высокой отражательной способности (см. таблицу 23). Измерения в сантиметровом радиодиапазоне приводят, однако, к температурам, превышающим 100 К в обоих случаях, что свидетельствует о существовании потока тепла из их недр. В спектрах их наблюдаются еще более сильные, чем у Юпитера и Сатурна, полосы метана, а также водорода. Особенно сильны полосы метана в спектре Нептуна, указывая на количественное содержание его в 250 000 атм•см против 15 000 атм см у Юпитера. Это самая низкая оценка. Существуют другие оценки — до 100 атм•км — как у Урана, так и у Нептуна. Примерно таковы же оценки содержания молекулярного водорода над уровнем облаков: от 18 до 100 атм км.

Запущенная в 1977 г. с целью исследования Юпитера и Сатурна, АМС «Вояджер-2», выполнив свою миссию, оказалась достаточно хорошо сохранившейся, чтобы выполнить еще один эксперимент, с которым она также успешно справилась: спустя 8,5 лет после старта станция достигла Урана и прошла сквозь его систему, проделав много наблюдений с близкого к планете расстояния 80 тыс. км. В это время АМС была удалена от Земли на 2,7 млрд км. Впрочем, самого маленького из крупных спутников Урана — Миранду он наблюдал с расстояния 28 тыс. км, т. е. в 11 раз ближе, чем мы наблюдаем Луну. Радиосигнал от «Вояджера-2» шел на Землю 272 часа!

Методы спектрального анализа и радиопросвечивания позволили исследовать верхнюю атмосферу Урана. Большое содержание водорода и метана подтверждено, но гелия оказалось около 12—15 % — значительно меньше, чем ожидалось. Сильное поглощение метана в желтой и красной области спектра придает Урану зеленоватый цвет (так же, как и Нептуну). Поскольку за последние десятилетия Уран был обращен своим полюсом к Солнцу, а на экваторе Солнце пребывало почти у горизонта, можно было ожидать, что полюс значительно теплее экватора. На самом деле различие невелико, а неглубокий минимум температуры приходится на широту около 30°, где отмечена температура 62 К. Это относится к среднему уровню. На большой высоте в крайне разреженной атмосфере дневная температура достигает 750 К, а ночная около 1000 К. В более глубоких слоях атмосферы при давлении 0,1 бар после минимума 51 К температура растет, что указывает на наличие внутреннего тепла. Но на глубине, где давление равно 1,6 бар, в атмосфере прослеживаются уплотнения предположительно твердого метана. Именно такие неоднородности на, в общем, крайне не выразительно однородном диске Урана позволили с уверенностью проследить вращение планеты.

Его период составляет 161/2 часов с ускорением к полюсу, свидетельствуя о сильных атмосферных перемещениях.

Каково вращение в глубинах — трудно сказать. Как мы видели уже, у Юпитера оно определяется как — вращение магнитного доля. У Урана магнитное поле было зарегистрировано лишь при большом сближении; оно оказалось в 50 раз сильнее земного (хотя на поверхности планеты оно слабее, чем у Земли). Его магнитная ось наклонена на 60° к оси вращения планеты. Надо полагать, что у Урана есть проводящее (металлическое?) ядро, диаметр которого оценивается в 16 000 км. Радионаблюдения указывают на минутные вспышки с периодичностью . В сопоставлении с ранее указанным значением часов это позволяет думать о господствующих в атмосфере Урана ветрах западного направления в направлении вращения планеты.

В 1977 г. при покрытии Ураном звезды разными группами ученых наблюдалось несколько ослаблений ее блеска вне диска планеты симметрично до и после покрытия, что можно интерпретировать, как покрытия звезды тремя узкими кольцами вокруг экватора Урана. Впоследствии анализ наблюдения выявил еще шесть самостоятельных колец.

Ширина колец порядка 10 км! Они находятся на расстоянии от 42,2 до 54,3 тыс. км от центра планеты. Единичное наблюдение позволяет допустить также существование в этом поясе спутника Урана диаметром около 100 км.

Пролет космического корабля «Вояджер-2» подтвердил и расширил наши представления о кольцах Урана. Обнаружено еще одно чрезвычайно слабое десятое кольцо. Кольца фотометр и ровались как в отраженном свете, так и в положении между аппаратом и Солнцем, т. е. как затеняющие объекты, и пока не удалось обе картины привести в полное соответствие. Обнаружились даже кольца рассеяния в проходящем свете, что указывает на наличие в них мелкой пыли, а, с другой стороны, из радиоизмерений обнаружилось сильное затенение, которое могут производить только крупные тела — камни размером до метра. Объекты промежуточных размеров в кольцах не обнаружены. Наконец, некоторые из колец лучше считать не замкнутыми, а ломтями, занимающими лишь дугу окружности.

После пролета «Вояджера-2» через систему спутников Урана нам стало известно геологическое строение поверхностей пяти прежде известных больших спутников, и были открыты еще десять новых диаметром от 10 до 100 км, которые не вызывают интереса, так как имеют вид бесформенных глыб, подобных астероидам. Что касается первых пяти, то их совокупность представляет набор самых разнообразных особенностей планетного мира. Наиболее крупный (диаметром около 1600 км) спутник Титания испещрен цирками не меньше, чем Каллисто у Юпитера, но имеет еще и трещины и разломы длиной в несколько сотен километров.

Наименьший среди них, Миранда (диаметр около 500 км) имеет весьма разнообразную совокупность форм. В связи с этим было высказано предположение о том, что он сперва разломался на несколько кусков, а потом вновь из них беспорядочно собрался. На рис. 228 видно, что кроме умеренного числа кратеров на поверхности Миранды имеются огромные «шрамы» и столь же огромный цирк на периферии, очерченный несколькими концентричными валами.

Рис. 228. Изображение спутника Урана Миранды (мозаика нескольких составных частей), полученное АМС «Вояджер-2» в январе 1986 г. На оригинале линейное разрешение 6 км (см. текст). Фотография из журнала Sky and Telescope. 1986

Спутник Умбриель необычайно темный, его отражательная способность как у древесного угля, но на нем видны немногочисленные яркие детали среди множества кратеров.

Можно думать, что все спутники состоят из смеси водяных льдов (температура около 70 К) и скальных пород, первозданных или изменившихся на протяжении миллиардов лет. Все они лишены атмосферы.

Содержание водорода в атмосфере Нептуна 18 атм. км. Богатые облачные образования, свойственные Юпитеру, здесь отсутствуют, вероятно, потому, что весь аммиак перешел в твердое состояние. По этой же причине для спектральных наблюдений становится доступной вся толща атмосферы, чем и объясняется усиление полос метана.

Нептун и Уран оба находятся на окраинах Солнечной системы и сходны по массе и размерам. Можно ожидать, что и физические условия на них сходны, только усилены те характеристики, которые зависят от расстояния их от Солнца, такие как температура, состояние атмосферы и т. п. Обследование Урана «Вояджером-2» позволяет сделать некоторые оценки свойств Нептуна с учетом того, что отношение квадратов расстояния этих планет от Солнца равно 2,45. Но для оценки температуры Нептуна было бы неосторожным применять при переходе от Урана множитель . На самом деле средняя температура Нептуна составляет 35,5±2,3 К, т. е. мало отличается от температуры поверхностных слоев атмосферы Урана. Это указывает и на значительный поток внутреннего тепла и на весьма различные условия инсоляции обеих планет. У Нептуна плоскость экватора составляет с плоскостью орбиты угол 29°, а у Урана — 97°. В результате 42 года, т. е. половину своего времени обращения вокруг Солнца, Уран обращен к нему одним своим полушарием, а другую — другим. У Нептуна этого нет. Как и у Урана, видимый с Земли диск Нептуна очень невелик — в диаметре (3,4" у Урана) и различить на нем что-либо чрезвычайно трудно. Поэтому период вращения Нептуна нам до сих пор достаточно точно не известен. Разные оценки дают значения, содержащиеся между 16 и часа. Спектральные наблюдения из-за малости диска помогают мало, но позволяют думать, что вращение Нептуна — прямое, так что выход из положения дают только фотометрические наблюдения, свидетельствующие о колебаниях блеска с амплитудой с периодом , а спектральные данные заставляют это время удвоить.

Главный спутник Нептуна Тритон движется вокруг него в обратном направлении. Тритон — один из крупнейших спутников в Солнечной системе (радиус около 2000 км), и такое его движение дает серьезный довод рассматривать Тритон как объект, захваченный Нептуном, а не образовавшийся вместе с планетой. Второй спутник (Нереида) очень мал и движется по очень эксцентрической орбите прямым движением.

В наземных условиях при наблюдении покрытия звезды Нептуном было обнаружено кольцо около него. Но это кольцо — неполное, своего рода ломоть из пылевого вещества.

На рис. 229 показаны некоторые характеристики Земли, Юпитера, Сатурна и Урана.