Реферат: Уран

Уран еле-еле виден на небе простым глазом. Открыт в 1781 г. Вильямом Гершелем (одновременно с первыми двумя спутниками).

Уран отстоит от Солнца на 19,19 а.е. От Солнца до него в среднем - 2 870 990 000 км.

Год на Уране длится 84,02 земного года.

Скорость движения вокруг Солнца - 6,81 км/с. В четыре с лишним раза медленней Земли.

Орбита Урана почти круговая (эксцентриситет - 0,047).

Угол наклона орбиты почти сходен с земным (отличие на 0,8 градуса).

Масса Урана - 14,6 земной массы. Это четвёртая по массе планета Солнечной системы.

Диаметр на экваторе - 3,8 земного. Планета сплюснута не так сильно, как Юпитер и Сатурн: диаметр по экватору - 51 118 км, полярный диаметр - 49 946 км (недавние уточнённые данные). Объём в 64 раза превосходит объём Земли.

Уран тоже во много раз уступает Земле по плотности. Средняя плотность - 1,29 г/см3. Причины этого - изначальный элементный состав (преобладают лёгкие водород и гелий).

Сила тяжести на периферии Урана (в верхней части облачного слоя) составляет всего 0,79 земной, хотя планета почти в 15 раз массивнее Земли. Это происходит из-за удалённости облачного слоя от центра планеты.

Уран, как и другие планеты-гиганты, быстро вращается вокруг своей оси и делает оборот за 10 часов 42 минут.

Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики гораздо больше, чем у Земли - на 82 градуса. Или даже на 97,2 градуса, если учитывать знаки магнитного поля. Уран просто лежит на боку! Поэтому на Уране есть смена времён года, хотя до недавнего времени мы не знали никаких её проявлений.

Освещённость Солнцем - 1/400 земной. Это всё равно в 1000 раз больше, чем в лунную ночь.

В атмосфере Урана давно был известен метан.

Температура на верхушках облаков составляет на Уране минус 210 градусов Цельсия (новые уточнённые данные). О температуре твёрдой поверхности говорить не имеет смысла, так как Уран - газовый шар с небольшим твёрдым ядром.

Какие-либо детали на поверхности Урана до недавнего времени были не видны, да и сейчас мы знаем о них мало.

В середине XX века были известны 5 спутников Урана, с 1986 г. - 15.

Новые сведения

24 января 1986 г. Урана достигла станция "Вояджер-2", запущенная ещё в 1977 г. [Встреча "Вояджера-2" с планетой Уран, 1986]. Она прошла в 81 600 км от планеты.

В 1977 г. с Земли вблизи Урана открыты кольца. В 1986 г. они обследованы станцией "Вояджер-2", обнаружено 11 колец и примерно 100 поясов пыли вокруг Урана, а число известных спутников этой планеты достигло 15 [Встреча "Вояджера-2"..., 1986].

Что же касается самого Урана, то он оказался тихим и однообразно облачным, хотя предполагалось, что это столь же штормистая планета, как другие гиганты. Уран холоден и внутри, и снаружи (минус 210 градусов снаружи). Выяснилось, что он отдаёт в Космос удивительно мало тепла от ядерных реакций в своих недрах, так как в далёком прошлом всё отдал из-за нестабильности [Почему Уран холодный, 1995]. Нестабильность, возможно, связана с резкой сменой времён года из-за необычной направленности оси вращения.

На поверхности Урана были отмечены только единичные облачка из кристаллов замёрзшего метана (никаких различно окрашенных облачных поясов, вихрей и т.п.), по которым определена скорость ветра - 300 км/час. Для планет-гигантов это сравнительно низкая скорость. Глубинные атмосферные течения Урана скрыты голубой метановой дымкой. Уран ещё более голубой, чем наша планета.

В атмосфере найдены ацетилен и метан, а основными её составляющими являются водород и гелий в тех же примерно соотношениях, что и у других гигантских планет (и у звёзд) [Купер, Хенбест, 1998]. Водорода - 85%, гелия - 12%, метана - 3% [Вселенная, 1999].

С колец или метеоритных тел в атмосферу непрерывно падает какое-то количество воды [Вода в атмосферах планет-гигантов, 1998].

Хотя смена времён года на Уране очень чёткая (день и ночь на полюсах длятся по 42 года), летние и зимние температура на планете отличаются всего на 2 градуса из-за большой скорости ветра, перемешивающего атмосферу [Встреча "Вояджера-2"..., 1986].

На Уране обнаружено магнитное поле, которое по величине сравнимо с земным. Интересно, что магнитная ось отклонена от оси вращения на 55 градусов (или 60 градусов по другим данным), а у других планет - не более 20 градусов. Кроме того, выяснено, что источник поля находится в 10 000 км от ядра Урана. Видимо, магнитное поле обусловлено не токами в слое расплавленного железа, а токами в слое воды и аммиака (аммиак растворяется в воде и диссоциирует на ионы аммония и гидроксила: NH3 + H2O -> NH4OH -> NH4+ + OH-).

В центре Урана, исходя из плотности планеты и её магнитного поля, должно находиться ядро из твёрдых веществ (диаметром около 17 000 км и температурой около 7000 градусов Цельсия), над ним - слой сжатых почти до жидкого состояния водяных паров, аммиака и метана, а выше - атмосфера уже описанного состава. Слой металлического водорода отсутствует. Есть предположения, что эти слои должны быть сильно перемешаны, так как уж очень быстро Уран вращается вокруг своей оси [Встреча "Вояджера-2"..., 1986].

На Уране, как и на других планетах-гигантах, бывают полярные сияния и т.п. явления, связанные с наличием магнитного поля.

Недавно разработана математическая модель, подтверждающая возможность возникновения Урана и Нептуна примерно там, где находятся Юпитер и Сатурн. Возникло 4 - 5 протопланетных ядер, но два из них были потом выброшены подальше от Солнца. Возникнуть же в областях, где Уран и Нептун находятся сейчас, они не могли, так как облако пыли и газа было в этом месте разреженным [Как и где родились Уран и Нептун? 2000].

Кольца Урана

Кольца вокруг Урана оказались безусловно самым интересным объектом в системе Урана, так как они даны нам в развитии, они много рассказывают о своей эволюции и вообще об эволюции такого образования как кольца планет-гигантов. Этим кольцам посвящена специальная статья в журнале "В мире науки" [Кузи, Эспозито, 1987].

Кольца Урана были открыты с Земли в 1977 г. во время покрытия Ураном звезды. Звезда, на которую надвигался Уран, должна была исчезнуть за диском планеты хоть и не сразу, так как есть атмосфера, но очень быстро. Звезда же при приближении к диску Урана начала "подмигивать" и менять яркость задолго до диска. Тогда стали пристально наблюдать покрытия Ураном всех и даже слабых звёзд. В результате этого было открыто 9 колец.

"Вояджер-2" открыл ещё кольцо (или даже два, если считать с одним менее чётким объектом). Этой станцией были определены также ширина и другие параметры всех колец.

Обнаружены были также примерно 100 поясов пыли, которые располагались примерно там же, где и настоящие кольца (они видны на единственном снимке с длительной экспозицией, который сделан на просвет против Солнца).

У колец Урана оказались следующие особенности:

не все кольца круговые, некоторые имеют форму эллипса;

все кольца тёмные, как уголь (таковы же и 10 спутников Урана);

все кольца узкие (от 2 до 100 км, а не 60 000 км, как у Сатурна);

ширина колец разная в разных местах (эллиптические кольца менее широки ближе к Урану);

имеются разомкнутые кольца (в какой-то части орбиты нет частиц).

Самое внешнее из колец (эпсилон-кольцо) обладает рядом специфических черт. Во-первых, оно самое яркое. Во-вторых, это кольцо с двух сторон (с внутренней и внешней) ограничено спутниками-"пастухами", которых нет у остальных колец, или же они крайне малы и не зафиксированы. Спутники удерживают частицы кольца за счёт резонанса (кратности периодов обращения этих спутников и частиц кольца). Это кольцо эллиптическое, не круговое. Вблизи Урана оно имеет ширину 20 км и непрозрачное, вдали - 96 км и прозрачное, разреженное.

Предполагается, что система Урана очень многочленна, и есть около миллиона мелких спутников, которые по размеру промежуточны между известными спутниками и частицами колец.

По-видимому, кольца Урана - это не длительно живущие образования, а фрагмент истории спутников. Кольца рассеиваются и вновь возникают при столкновении спутников. Жить долго кольца не могут, так как атмосфера Урана простирается до колец, и частицы должны тормозить и падать на планету.

Спутники Урана

Спутникам Урана посвящена специальная статья в журнале "В мире науки" [Джонсон и др., 1987].

Все 15 до недавнего времени известных спутников Урана имеют ледяную поверхность, но, тем не менее, они темнее и содержат больше скальных пород, чем спутники Сатурна, то есть это не ледяные глыбы.

Позднее были известны 17 спутников, но последние два почти не изучены [Сурдин, 1998в]. Потом сообщалось о 21 спутнике, но один из них вскоре был "разжалован" [Уран лишился одного спутника, 2002].

5 спутников были известны давно. Они значительно крупнее остальных и вращаются дальше от планеты, подчиняясь принципам Боде и другим принципам построения Солнечной системы: каждый следующий примерно в полтора раза дальше предыдущего, размеры по мере удаления сначала возрастают, а потом падают (верно только для последней пары спутников). Все эти спутники в несколько раз меньше Луны (по диаметру в 2-5), но всё-таки это значительные небесные тела. Примерно такая же закономерность в относительных размерах характерна для четырёх крупных спутников Юпитера.

Ещё 10 спутников открыты сравнительно недавно. Они вращаются ближе к планете и гораздо меньше предыдущих. Один из них (самый внешний) имеет диаметр порядка 160 км, а остальные девять - 40 - 80 км. Два ближних к планете спутника "стерегут" внешнее кольцо, а остальные обращаются вне пояса колец. Принципы Боде и т.п. принципы на них не распространяются, если не принимать во внимание, что они, в целом, не велики и близки к планете, как планеты земной группы в сравнении с планетами-гигантами. В остальном же они другие (часть из них "бегает" вокруг планеты почти "кучей", относительные размеры ближних и более далёких не подчиняются каким-либо правилам).

Не исключено, что у Урана есть и более далёкие спутники, которые аналогичны группам далёких спутников Юпитера и Сатурна, но они малы по размеру и потому пока не открыты...

Стоп! Предыдущая фраза уже устарела, так как совсем недавно открыты два дальних спутника. Пока пишется работа, и эта фраза может устареть. Их будет уже не два... А 5 - 6!

КОРДЕЛИЯ. Примерно в 1,8 радиуса планеты от её центра, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром порядка 30 км. Открыт "Вояджером-2" в 1986 г., как и все остальные мелкие спутники Урана. Движение по орбите в обратном направлении, как и вращение Урана вокруг оси. Самый близкий к Урану спутник и единственный, который вращается внутри пояса колец. Внутренний "пастух" внешнего кольца, самого большого и яркого.

ОФЕЛИЯ. В 2,1 радиуса планеты, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром порядка 30 км. Движение по орбите в обратном направлении, как и вращение Урана вокруг оси. Внешний "пастух" внешнего кольца.

БЬЯНКА (БИАНКА). В 2,3 радиуса планеты, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром порядка 40 км.

КРЕССИДА. В 2,4 радиуса планеты, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром порядка 70 км.

ДЕЗДЕМОНА. В 2,45 радиуса планеты, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром порядка 60 км.

ДЖУЛЬЕТТА. В 2,5 радиуса планеты, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром порядка 80 км.

ПОРЦИЯ. В 2,6 радиуса планеты, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром порядка 110 км.

РОЗАЛИНДА. В 2,7 радиуса планеты, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром порядка 60 км.

БЕЛИНДА. В 2,8 радиуса планеты, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром порядка 70 км.

ПУК (ПЭК). В 3,3 радиуса планеты, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром около 150 км. Последний из группы мелких спутников (самый крупный в этой группе), последний из скученно кружащихся спутников и первый, начиная с которого соблюдаются принципы Боде и т.п.

МИРАНДА. Самый близкий к планете крупный и давно известный спутник. В 5,1 радиуса планеты от её центра (в 130 000 км от поверхности планеты), оборот за 1,4 земных суток, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром 472 км (недавние данные). Открыт Койпером (Квипером) в 1948 г. Движение обратное, совпадающее с направлением вращения Урана, как и у всех его спутников. Относительно светлый спутник. Нагромождение гигантских скал и кратеров. Ущелья в 10 раз глубже Большого Каньона на Земле. Видимо, Миранда когда-то разлетелась от столкновения, а потом осколки вновь соединились под действием взаимного притяжения. Видны "швы" на границах блоков [Купер, Хенбест, 1998]. Есть отвесный обрыв высотой 15 км [Энциклопедия для детей, том 8, 1997]. Кратеров на Миранде относительно мало [Океан..., 1987].

АРИЭЛЬ. В 7,5 радиусах планеты (в 192 000 км), оборот за 2,5 земных суток, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром, как считали, около 800 км (по последним данным - 1158 км). Открыт Ласселем в 1851 г. Движение обратное (как и вращение Урана). Самый светлый из спутников Урана (отражает 40% света). Покрыт сетью расщелин глубиной до 30 км, но метеоритных кратеров меньше, чем на следующем спутнике. Видно, что форма и размер кратеров менялись при извержении вулканов (потому кратеров и меньше - разрушены). Большие метеоритные кратеры почти отсутствуют.

УМБРИЭЛЬ. В 10,5 радиуса планеты (в 267 000 км), оборот за 4,1 земных суток, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром 1169 км (недавние данные). Открыт Ласселем в 1851 г. Движение обратное (как и вращение Урана). Самый тёмный из больших спутников Урана (отражает только 19% света). Много метеоритных кратеров, и отсутствуют следы недавней вулканической и т.п. активности. Кратер Вунда диаметром 110 км окружён светлым кольцом.

ТИТАНИЯ. В 17,2 радиуса планеты (в 439 000 км), оборот за 8,7 земных суток, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром около 1600 км (по последним данным - 1578 км). Открыта Гершелем в 1787 г. Движение в обратном направлении (как и вращение Урана). Самый большой спутник Урана, но по диаметру всё-таки в 2 раза уступает Луне. Много метеоритных кратеров. Есть сеть тектонических разломов и признаки древнего вулканизма.

ОБЕРОН. В 23,0 радиусах планеты (в 587 000 км), оборот за 13,5 земных суток, в 98 градусах к орбите планеты, диаметром около 1450 км. Открыт Гершелем в 1787 г. Движение в обратном направлении (как и вращение Урана). Второй по величине спутник Урана, по диаметру примерно в 2 раза уступает Луне. Обладает ледяной и сильно кратерированной поверхностью без признаков геологической активности (трещин, вулканов).

СПУТНИК S/1997 U2 (СИКОРАКСА). Открыт в начале сентября 1997 г. с помощью пятиметрового телескопа Паломарской обсерватории в США. Названия этого и следующего спутников придуманы только что - Сикоракса (из "Бури" Шекспира) [Калибан и Сикоракса..., 1999]. Большая полуось орбиты имеет радиус в 253 радиуса Урана (6 470 000 км), оборот совершается за 495 земных суток, орбита наклонена на 153 градуса к эклиптике [Сурдин, 1998б]. Звёздная величина - 20,4 [Калибан и Сикоракса ..., 1999]. Предполагаемый радиус - 60 км. Типичный "неправильный" далёкий спутник планеты-гиганта с вытянутой орбитой, который из-за солнечной гравитации тяготеет углом наклона орбиты не к экватору планеты, а к плоскости её орбиты [Сурдин, 1998в].

СПУТНИК S/1997 U1 (КАЛИБАН). Тоже открыт в начале сентября 1997 г. с помощью того же телескопа. Большая полуось орбиты имеет радиус в 305 радиусов Урана (7 800 000 км), оборот совершается за 654 земных суток, орбита наклонена на 146 градусов к эклиптике. Звёздная величина - 21,9. Предполагаемый радиус - 30 км. Такой же типичный "неправильный" далёкий спутник планеты-гиганта [Сурдин, 1998; Калибан и Сикоракса..., 1999].

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.seminarium.narod.ru