諸緣來去何增減？笑擁斜陽照海天。。。 短暫人生幾番風雨情。 匆匆走過幾度回眸戀。 心坎鑲著足痕淚光影。 誰悟得無生法忍行去。 *幻羽*捻題一*悟行* 2023/01/03/18:34:58

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            (續1)科技版~超遜偵探~UOD之41~太陽系之天王星

 

天王星是火星和太陽符號的綜合，因為天王星是希臘神話的天空之神，被認為是由太陽和火星聯合的力量所控制的。在給赫歇爾的一封信中，拉朗德描述它是「un globe surmonté par la première lettre de votre nom」（圓球的上方放置著您名字的首字母）由於Uranus是希臘神話中的天神，在漢字文化圈（中國、日本、韓國和越南）中，人們就將這個星名譯做「天王星」。

 

天王星每84個地球年環繞太陽公轉一週，與太陽的平均距離大約30億公里，行星上陽光的強度只有地球的1/400。它的軌道參數在1783年首度被拉普拉斯計算出來，但隨著時間，預測和觀測的位置開始出現誤差。在1841年約翰·柯西·亞當斯首先提出誤差也許可以歸結於一顆尚未被看見的行星的引力作用的結果。在1845年，勒維耶開始獨立地進行天王星軌道的研究；1846年9月23日，迦雷在勒維耶預測位置的附近發現了一顆新行星，稍後被命名為海王星。

 

天王星內部的自轉週期是17小時又14分，但和所有巨行星一樣，其上部的大氣層朝自轉的方向可以產生非常強的風。實際上，在有些緯度，像是從赤道到南極的2/3路徑上，可以看見移動得非常迅速的大氣，靠近南極地區的風速高達720公里/小時，只要14個小時就能完整的環繞行星一週。

 

天王星的自轉軸可以說是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達97.77°，這使它的季節變化完全不同於其他的行星。其他行星的自轉軸相對於太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉動則像傾倒滾動的球。當天王星在至點附近時，一個極點會持續的指向太陽，另一個極點則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區域內可以體會到迅速的日夜交替，但太陽的位置非常的低，有如在地球的極區。運行到軌道的另一側時，換成軸的另一極指向太陽；每一個極都會有被太陽持續的照射42年的極晝，而在另外42年則處於極夜。在接近分點時，太陽正對著天王星的赤道，天王星的日夜交替會和其他的行星相似。在2007年12月7日，天王星經過了晝夜平分點。

 

這種軸的指向帶來的一個結果是，在一年之中，天王星的極區得到來自於太陽的能量多於赤道，不過，天王星的赤道依然比極區熱。導致這種結果的機制仍然未知；天王星異常的轉軸傾斜原因也不知道，但是通常的猜想是在太陽系形成的時候，一顆地球大小的原行星撞擊到天王星，造成的指向的歪斜。在1986年，航海家2號飛掠時，天王星的南極幾乎正對著太陽。標記這個極是南極是基於國際天文聯合會的定義：行星或衛星的北極，是指向太陽系不變平面的上方（不是由自轉的方向來決定）。但是，仍然有不同的協定被使用著：一個天體依據右手定則所定義的自轉方向來決定北極和南極。根據後者的座標系，1986年在陽光下的極則是北極。

 

從1995至2006年，天王星的視星等在＋5.6至＋5.9等之間，勉強在肉眼可見的＋6.0等之上，它的角直徑在3.4至3.7弧秒；比較土星是16至20弧秒，木星則是32至45弧秒。在衝的時候，天王星可以用肉眼在黑暗、無光污染的天空直接看見，即使在城市中也能輕易的使用雙筒望遠鏡看見。使用物鏡的口徑在15至25公分的大型業餘天文望遠鏡，天王星將呈現蒼白的深藍色盤狀與明顯的周邊昏暗；口徑25公分或更大的，雲的型態和一些大的衛星，像是天衛三和天衛四，都有可能看見。

 

天王星主要是由岩石與各種成分不同的水冰物質所組成，其組成主要元素為氫（83%），其次為氦（15%）。在許多方面天王星（海王星也是）與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同，其性質比較接近木星與土星的地核部份，而沒有類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面（主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成）。天王星並沒有土星與木星那樣的岩石內核，它的金屬成分是以一種比較平均的狀態分佈在整個地殼之內。直接以肉眼觀察，天王星的表面呈現洋藍色，這是因為它的甲烷大氣吸收了大部分的紅色光譜所導致。

 

天王星的質量大約是地球的14.5倍，是類木行星中質量最小的，它的密度是1.29公克/公分³ 只比土星高一些。直徑雖然與海王星相似（大約是地球的4倍），但質量較低。這些數值顯示它主要由各種各樣揮發性物質，例如水、氨和甲烷組成。天王星內部冰的總含量還無法精確的知道，根據選擇模型的不同而有不同的結果，但是總是在地球質量的9.3至13.5倍之間。氫和氦在全體中只佔很小的部份，大約在0.5至1.5地球質量。剩餘的質量（0.5至3.7地球質量）才是岩石物質。

 

天王星的標準模型結構包括三個層面：在中心是岩石的核，中間是冰的地函，最外面是氫/氦組成的外殼。相較之下核非常的小，只有0.55地球質量，半徑不到天王星的20%；地函則是個龐然大物，質量大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對不明確，大約佔有剩餘20%的半徑，但質量大約只有地球的0.5倍。天王星核的密度大約是9公克/公分³，在核和地函交界處的壓力是8百萬巴和大約5,000K的溫度。冰的地函實際上並不是由一般意義上所謂的冰組成，而是由水、氨和其他揮發性物質組成的熱且稠密的流體。這些流體有高導電性，有時被稱為水-氨的海洋。天王星和海王星的大塊結構與木星和土星相當的不同，冰的成分超越氣體，因此有理由將它們分開另成一類為冰巨星。

 

上面所考慮的模型或多或少都是標準的，但不是唯一的，其他的模型也能滿足觀測的結果。例如，如果大量的氫和岩石混合在地函中，則冰的總量就會減少，並且相對的岩石和氫的總量就會提高；目前可利用的數據還不足以讓人們確認哪一種模型才是正確的。天王星內部的流體結構意味著沒有固體表面，氣體的大氣層是逐漸轉變成內部的液體層內。但是，為便於扁球體的轉動，在大氣壓力達到1巴之處被定義和考慮為行星的表面時，它的赤道和極的半徑分別是25,559±4和24,973±20公里。這樣的表面將做為這篇文章中高度的零點。

 

天王星的內熱看上去明顯的比其他的類木行星為低，在天文的項目中，它是低熱流量。目前仍不瞭解天王星內部的溫度為何會如此低，大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星，放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍；相反的，天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠紅外線（也就是熱輻射）的部份釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。事實上，天王星的熱流量只有0.042±0.047瓦/米2，遠低於地球內的熱流量0.075瓦/米2。天王星對流層頂的溫度最低溫度紀錄只有49K，使天王星成為太陽系溫度最低的行星，比海王星還要冷。

 

在天王星被超重質量的鎚碎機敲擊而造成轉軸極度傾斜的假說中，也包含了內熱的流失，因此留給天王星一個內熱被耗盡的核心溫度。另一種假說認為在天王星的內部上層有阻止內熱傳達到表面的障礙層存在，例如，對流也許僅發生在一組不同的結構之間，也許禁止熱能向上傳遞。

 

雖然在天王星的內部沒有明確的固體表面，天王星最外面的氣體包殼，也就是被稱為大氣層的部分，卻很容易以遙感測量。遙感測量的能力可以從 1 巴(100 千帕)之處為起點向下深入至300公里，相當於 100 巴( 10 百萬帕)的大氣壓力和320K的溫度。稀薄的暈從大氣壓力 1 巴的表面向外延伸擴展至半徑兩倍之處，天王星的大氣層可以分為三層：對流層，從高度-300至50公里，大氣壓 100 巴至 0.1 巴；( 10 百萬帕到 10 千帕)平流層（同溫層），高度50至4000公里，大氣壓力 0.1 帕至10–10巴( 10 千帕到 10 µ帕)；和增溫層/暈，從4000公里向上延伸至距離表面50,000公里處。沒有中氣層（散逸層）。

 

天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同，主要是氫和氦。氦的摩爾分數，例如每摩爾中所含有的氦原子數量，在對流層的上層是0.15±0.03，相當於0.26±0.05質量百分比。這個數值很接近0.275±0.01的原恆星質量百分比。顯示在氣體的巨星中，氦在行星中是不穩定的。在天王星的大氣層中，含量佔第三位的是甲烷 (CH4)。甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星製造了明顯的藍綠或青色的顏色。在大氣壓力 1.3 巴( 130 千帕)的甲烷雲頂之下，甲烷在大氣層中的摩爾分數是2.3%，這個量大約是太陽的20至30倍。混合的比率在大氣層的上層由於極端的低溫，降低了飽合的水準並且造成多餘的甲烷結冰。對低揮發性物質的豐富度，像是氨、水和硫化氫，在大氣層深處的含量所知有限，但是大概也會高於太陽內的含量。除甲烷之外，在天王星的上層大氣層中可以追蹤到各種各樣微量的碳氫化合物，被認為是太陽的紫外線輻射導致甲烷光解產生的。包括乙烷(C2H6), 乙炔 (C2H2), 甲基乙炔 (CH3C2H), 聯乙炔 (C2HC2H)。光譜研究也揭露了水蒸氣的蹤影，一氧化碳和二氧化碳在大氣層的上層，但可能只是來自於彗星和其他外部天體的落塵。

 

對流層是大氣層最低和密度最高的部份，溫度隨著高度增加而降低， 溫度從有名無實的底部大約320K，−300公里，降低至53K，高度50公里。在對流層頂實際的最低溫度在49至57K，依在行星上的高度來決定。對流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠紅外線最主要的區域，由此處測量到的有效溫度是59.1±0.3K。

 

對流層應該還有高度複雜的雲系結構，水雲被假設在大氣壓力50 至 100 巴(5 到 10 百萬帕)，氨氫硫化物雲在20 至 40 巴(2 到 4 百萬帕)的壓力範圍內，氨或氫硫化物雲在 3 和 10 巴 (0.3 到 1 百萬帕)，最後是直接偵測到的甲烷雲在1 至 2 巴(0.1 到 0.2 百萬帕)。對流層是大氣層內非常生氣蓬勃的部份，展現出強風、明亮的雲彩和季節性的變化，將會在下麵討論。

 

天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度逐漸增加，從對流層頂的53K上升至增溫層底的800至850K。平流層的加熱來自於甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射，甲烷光解的結果形成這部分的大氣層。熱也來自增溫層的傳導。碳氫化合物相對來說只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對於氣壓是 10 至 0.1 毫巴 (1000 到 10 千帕)，溫度在75K和170K之間。含量最多的碳氫化合物是乙炔、乙烷、與甲烷，相對於氫的混合比率是×10−7。ㄧ氧化碳在這個高度上的混合比率相似。更重的碳氫化合物、二氧化碳和水蒸氣，在混合的比率上還要低三個數量級。水的豐度7×10−9。乙烷和乙炔在平流層內溫度和高度較低處與對流層頂 (低於10毫巴) 傾向於凝聚而形成數層陰霾的雲層，這可能是天王星上的雲帶出現的部分原因。然而，碳氫化合物集中在天王星平流層陰霾之上的高度比其他類木行星的高度要顯著的低。

 

天王星大氣層的最外層是增溫層或暈，有著均勻一致的溫度，大約在800至850K。目前仍不瞭解是何種熱源支撐著如此的高溫，雖然低效率的冷卻作用和平流層上層的碳氫化合物也能貢獻一些能源，但即使是太陽的遠紫外線和超紫外線輻射，或是極光活動都不足以提供所需的能量。在平流層0.1毫巴氣壓等級以上缺乏碳氫化合物造成微弱的降溫效率可能無可否認地對此有所貢獻。除此之外，氫分子和增溫層與暈擁有大比例的自由氫原子，她們的低分子量和高溫可以解釋為何暈可以從行星擴展至50,000公里，天王星半徑的兩倍遠。這個延伸的暈是天王星的一個獨特的特點。他的作用包括阻尼環繞天王星的小顆粒，導致一些天王星環中塵粒的耗損。天王星的增溫層和平流層的上層對應著天王星的電離層。觀測顯示電離層佔據2,000至10,000公里的高度。天王星電離層的密度比土星或海王星高，這可能肇因於碳氫化合物在平流層低處的集中。電離層是承受太陽紫外線幅射的主要區域，它的密度也依據太陽活動而改變。極光活動不如木星和土星的明顯。(續)