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Urano (astronomía)

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Urano
Urano2.jpg
Fotografía de Urano feita pola sonda Voyager 2 en 1986
Estrela nai Sol
Descubrimento 13 de marzo de 1781 [1]
Descubridor William Herschel [1]
Clasificación Xigante gasoso
Parámetros orbitais
(no momento J2000.0 )
Eixo semi-maior 2 872,46 × 10 6 km
19.2012 au [1]
Perihelio 2 741,3 × 10 6 km
18.324 au [1]
[2]
Afelión 3 003,62 × 10 6 km
20.0780 au [2]
Circum. orbital 18 029 000 000 km
120,52 au [2]
Período orbital 84.011 anos [1]
Período sinódico 369,66 días [1]
Velocidade orbital 6,49 km / s [1] (min)
6,80 km / s [1] (media)
7,11 km / s [1] (máximo)
Inclinación
na eclíptica
0,76986 ° [1]
Excentricidade 0,0457 [1]
Lonxitude de
nodo ascendente
74.22988 ° [1]
Argom. do perihelio 96,541 ° [3]
Satélites 27 [1]
Aneis 13 [4]
Datos físicos
Diámetro igual 51 118 km [1]
Diámetro polar 49 946 km [1]
Esmagadora 0,02293 [1]
Superficie 8.1156 × 10 9 km² [3]
Volume 6 833 × 10 10 km³ [1]
Misa
86,813 × 10 24 kg [1]
Densidade media 1.271 × 10 3 kg / m³ [1]
Aceleración de gravidade na superficie 8,69 m / s² [1]
(0,889 g) [1]
Velocidade de escape 21,3 km / s [1]
Período de rotación 0,71833 días
(17 h 14 min 24 s)
(retrógrado)
Velocidade de rotación
(no ecuador)
2 590 m / s
Inclinación axial 97,77 °
Polo norte AR 77,31 ° (5 h 9 min 15 s)
Declinación 15.175 °
Temperatura a
cima das nubes
55 K (−218,2 ° C) (media)
Temperatura
superficial
59 K (−214,2 ° C ) (min)
68 K (−205,2 ° C) (media)
Presión atmosférica 1 200 hPa
(a nivel de nube)
Albedo 0,65
Datos observacionais
Aplicación Magnitude. 5,32 - 5,5 [1]

Urano é o sétimo planeta do sistema solar por orde de distancia ao Sol , o terceiro por diámetro e o cuarto por masa . O seu símbolo astronómico Unicode é U + 26E2 [5] ( Símbolo de Urano.svg ) (ocasionalmente ♅ [6] , estilización da H inicial de William Herschel ). Leva o nome do deus grego do ceo Urano (Οὐρανός en grego antigo ), pai de Cronos ( Saturno ), á súa vez pai de Zeus ( Xúpiter ).

Aínda que tamén é visible a simple vista , como os outros cinco planetas coñecidos desde a antigüidade , ata o século XVIII non foi recoñecida como tal e considerada unha estrela debido ao seu baixo brillo e á súa órbita especialmente lenta [7] e foi identificada como algo distinto dunha estrela só o 13 de marzo de 1781 por William Herschel . Unha curiosidade sobre o seu descubrimento é que chegou completamente inesperado: os planetas visibles a simple vista (ata Saturno ) eran coñecidos desde hai milenios e ninguén sospeitaba a existencia doutros planetas, ata o descubrimento de Herschel, que notou que un parecía moverse unha estrela tenue. A partir de entón, ninguén estivo máis seguro do verdadeiro número de planetas do noso sistema solar.

A composición química de Urano é similar á de Neptuno pero diferente á dos xigantes gasosos máis grandes ( Xúpiter e Saturno). Por esta razón, os astrónomos ás veces prefiren referirse a Urano e Neptuno como unha clase separada, os " xigantes conxelados ". A atmosfera do planeta , aínda que semellante á de Xúpiter e Saturno debido á abundante presenza de hidróxeno e helio , contén unha elevada proporción de " xeados ", como auga , amoníaco e metano , xunto con restos de hidrocarburos . [8] Urano tamén é a atmosfera máis fría do sistema solar, cunha temperatura mínima que pode baixar ata 49 K (−224,2 ° C). Ten unha estrutura complexa de nubes ben estratificadas, onde se pensa que a auga está nas capas inferiores e o metano nesas altitudes máis altas. [8] O interior do planeta, por outra banda, estaría composto principalmente por xeo e rochas . [9]

Unha das características máis inusuales do planeta é a orientación do seu eixo de rotación . Todos os demais planetas teñen o seu propio eixe case perpendicular ao plano da órbita, mentres que o de Urano é case paralelo. Despois xira expoñendo un dos seus polos ao Sol durante a metade do período de revolución , o que resulta en fases estacionais extremas. [10] Ademais, dado que o eixe está inclinado algo máis de 90 °, a rotación é técnicamente retrógrada : Urano xira na dirección oposta á de todos os demais planetas do sistema solar (excepto Venus ) aínda que, dada a excepcionalidade do inclinación, a rotación retrógrada é só unha nota menor. O período da súa revolución ao redor do Sol é de aproximadamente 84 anos terrestres. A órbita de Urano difire moi pouco da eclíptica (ten unha inclinación de 0,7 °).

Como os outros planetas xigantes, Urano posúe un sistema de aneis planetarios , unha magnetosfera e numerosos satélites ; vista desde a Terra , debido á inclinación do planeta, os seus aneis ás veces poden aparecer como un sistema concéntrico que rodea o planeta ou, como en 2007 e 2008 , poden aparecer como bordo. En 1986, a sonda Voyager 2 mostrou a Urano como un planeta sen marcas distintivas na súa superficie, sen as bandas e as tormentas propias doutros xigantes gaseosos. [10] Non obstante, as observacións posteriores da Terra mostraron evidencias de cambios estacionais e aumento da actividade climática cando o planeta se achegaba ao equinoccio .

Observación

Icona de lupa mgx2.svg Mesmo tema en detalle: observación de Urano .
Tránsito de Ariel no disco do planeta, en 2007 . Imaxe tomada polo telescopio espacial Hubble

O planeta presenta flutuacións ben documentadas no brillo causadas tanto por cambios físicos na atmosfera como por factores xeométricos e de perspectiva. O brillo de Urano está influído pola súa distancia ao Sol, a súa distancia á Terra e a particular visión que ofrece ao noso planeta: Urano aparece lixeiramente máis grande [11] e máis brillante cando mostra as rexións polares á Terra. Ademais, identificouse unha correlación entre a actividade solar e o brillo do planeta: durante os períodos de intensa actividade solar, as flutuacións do brillo do planeta son máis pronunciadas. [12]

Entre 1995 e 2006 a magnitude aparente de Urano variou fluctuando entre +5,5 e +6,0, situándoo xusto por riba do límite de visibilidade a simple vista , ao redor de +6,5. [13] En oposición , é visible como unha estrela tenue cando o ceo está escuro e tamén se pode observar nun ambiente urbano mediante binoculares ; os prismáticos son máis adecuados que o telescopio para a observación afeccionada, xa que permiten recoñecer máis facilmente os patróns das estrelas próximas para a situación do planeta. [14] Dende a Terra ten un diámetro angular entre 3,4 e 3,7 segundos de arco . Cun telescopio a 100 aumentos é posible albiscar a forma dun disco, ata 500 × onde alcanza as dimensións angulares da Lúa . Mesmo usando telescopios grandes non é posible ver ningún detalle do seu disco. En calquera caso, infravermellos observacións da súa atmosfera , mediante a utilización de óptica adaptativa eo telescopio Hubble informaron datos interesantes nos varios anos tras o paso da Voyager 2 sonda . [15]

Observar os satélites do planeta é difícil. Oberon e Titania pódense detectar cun telescopio de 8 " , nun ceo especialmente escuro. As aberturas de 12-14" e 16 "deberían permitir a detección de Ariel e Umbriel respectivamente. Miranda só se pode observar con telescopios grandes. [12]

Historia das observacións

Descubrimento e elección do nome

Urano é o primeiro planeta descuberto nos tempos modernos; xa fora observado en moitas ocasións, pero sempre foi confundido cunha estrela . A primeira observación documentada é a de 1690 de John Flamsteed , que a catalogou como a estrela 34 da constelación de Tauro . Flamsteed observou a Urano dúas veces máis, en 1712 e 1715 . James Bradley observouno en 1748 , 1750 e 1753 , Tobias Mayer en 1756 . Pierre Charles Le Monnier observouno catro veces en 1750 , dúas en 1768 , seis en 1769 e unha última vez en 1771 . [16] Este último, se elaborase minuciosamente as súas observacións, podería recoñecer o movemento do obxecto, pero foi vítima do seu propio desorde: unha das súas observacións atopouse marcada nun papel de embalaxe usado para gardar o po facial para pelo. [17] Estes astrónomos non sospeitaban da existencia doutros planetas ademais de Saturno , simplemente porque ninguén o considerara.

Urano foi descuberto por accidente por Sir William Herschel o 13 de marzo de 1781 , [18] cando notou que unha estrela anónima parecía moverse polo ceo. Herschel, con todo, inicialmente non recoñeceu un planeta no obxecto que observara: fixo pública a noticia só o 26 de abril de 1781 , gravándoa como un cometa [19] ( Conta dun cometa do señor Herschel, FRS; comunicado polo doutor Watson, xuño de Bath, FRS, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, volume 71, pp. 492-501).

Herschel deulle orixinalmente o nome de Georgium Sidus (estrela de George) en honra do rei de Gran Bretaña George III . En 1783, cando se demostrou que era un planeta, [20] Herschel cambiouno como Planeta xeorxiano (planeta de Xurxo). Non obstante, o nome non foi aceptado fóra de Gran Bretaña. Jérôme Lalande propuxo, en 1784 , chamalo Herschel e tamén creou o símbolo do planeta (un globo terrestre superado pola H inicial); a súa proposta foi facilmente aceptada polos astrónomos franceses. Erik Prosperin , de Uppsala , propuxo os nomes de Astrea , Cibeles e Neptuno (agora son asteroides e un planeta, respectivamente: 5 Astraea , 65 Cibeles e Neptuno ). Anders Johan Lexell , de San Petersburgo , propuxo o nome de Neptuno de Xurxo III e Neptuno de Gran Bretaña como un compromiso. Daniel Bernoulli , de Berlín , suxeriu a Hypercronius e Transaturnis . Georg Christoph Lichtenberg , de Gotinga , apoiou a Astrea, a deusa mencionada por Ovidio ( Metamorfose I: 150 ) que deixou a Terra por última vez (tradicionalmente asociada á Virxe ). Tamén se propuxo o nome de Minerva . [21] Finalmente, Johann Elert Bode , como editor do Berliner Astronomisches Jahrbuch , optou por Urano . Maximilian Hell usou este nome na primeira efeméride publicada en Viena . Vendo as publicacións dos Avisos mensuais da Royal Astronomical Society desde 1827 nótase que o nome Urano xa era o máis utilizado polos astrónomos británicos. O nome asignado polo descubridor foi usado ocasionalmente e só por algúns británicos. O último en incorporar o nome de Urano foi o HM Nautical Almanac Office en 1850 .

Despois do recoñecemento de Urano como planeta, fíxose posible a hipótese da existencia doutros planetas no sistema solar que nunca antes foran buscados. En particular, este descubrimento parecía unha confirmación máis da lei de Titius-Bode , unha fórmula empírica para determinar os eixes semi-maiores dos planetas que orbitan ao redor do Sol, e levou accidentalmente aos astrónomos vinte anos despois a buscar e atopar un novo corpo celeste entre o órbitas de Xúpiter e Marte: Ceres . [22]

Séculos XX e XXI

As observacións de Urano con telescopios da Terra e en órbita vense dificultadas pola distancia do planeta á Terra; non permiten revelar moitos detalles, como sucede no canto dos planetas máis próximos. Despois do descubrimento inicial, houbo poucas observacións que levaron a descubrimentos significativos.

En 1948 Kuiper descubriu a Miranda, a máis pequena e última das cinco grandes lúas esféricas de Urano, [23] usando un telescopio óptico de dous metros. [24] En 1977 Elliot e Mink descubriron un sistema de aneis a través dun observatorio voador. [25] Desde 2003, as observacións do telescopio espacial Hubble permitiron identificar elementos adicionais, como máis detalles sobre os aneis, [26] novas lúas pequenas [27] e elementos da atmosfera. [28] A observación por infravermellos dos telescopios Keck en 2014 permitiu detectar tormentas grandes e duradeiras na atmosfera. [29]

Misións espaciais

Icona de lupa mgx2.svg O mesmo tema en detalle: exploración de Urano .
Última imaxe de Urano tomada polo Voyager 2 cando pasou o planeta para continuar cara a Neptuno

A explotación de Urano ocorreu só por medio da Voyager 2 sonda e non máis misións de exploración no lugar está planeado. Para superar a falta de información directa, as variacións na atmosfera do planeta estúdanse a través de campañas de observación telescópicas, en particular usando a cámara planetaria de campo amplo a bordo do telescopio espacial Hubble . [30] [31]

A exploración de Urano, así como a de Neptuno , vense dificultada polas grandes distancias que separan o planeta da Terra e do Sol. Cada misión debe estar equipada cun sistema de enerxía capaz de subministrar enerxía á sonda sen a posibilidade de conversión de enerxía solar mediante o uso de paneis fotovoltaicos . Actualmente, a única fonte de enerxía viable é un xerador termoeléctrico de radioisótopos .

Despois da misión Voyager, as principais axencias espaciais concentraron os seus recursos durante décadas na exploración dos sistemas de Xúpiter e Saturno , [32] , mentres que o estudo de Urano e Neptuno non se considerou unha prioridade. As propostas de misións a Urano están en fase de avaliación científica e non comezarán antes de 2020; entre as principais en estudo están a misión europea MUSE [33] e a misión estadounidense OCEANUS ; [34] para o futuro afastado, por outra banda, estase propoñendo unha misión europea con dúas sondas xemelgas para Urano e Neptuno, ODINUS , [35] para 2034, e unha en colaboración coa NASA-ESA para 2037, Uranus Pathfinder. . [36]

O sobrevoo de Voyager 2

A sonda Voyager 2 alcanzou o seu achegamento máis próximo ao planeta o 24 de xaneiro de 1986 , a unha distancia aproximada 81 500 km . As observacións duraron só seis horas, pero permitiron aos astrónomos aprender moito máis sobre Urano do que aprenderan en máis de 200 anos observando desde a Terra. [37]

Non obstante, as primeiras análises realizadas sobre os datos foron unha enorme decepción: non se atoparon bandas nin nubes paralelas, ao contrario do observado desde a Terra. A atmosfera azul-verde era uniforme e completamente desprovista de detalles. Só grazas a un tratamento das imaxes apareceron tanto as nubes como as outras formacións.

A sonda descubriu novas lúas, enviou as primeiras imaxes dos aneis á Terra e tamén descubriu a actividade xeolóxica nas principais lúas: os depósitos escuros no fondo dos cráteres de xeo indicaban a presenza de auga sucia debido á actividade volcánica. [10]

Parámetros orbitais e de rotación

Urano xira arredor do Sol en 84 anos terrestres. A súa distancia media ao Sol é de aproximadamente 3.000 millóns de quilómetros (uns 19 UA). A intensidade da luz solar en Urano é polo tanto aproximadamente 1/400 que na Terra. Os elementos orbitais foron calculados por primeira vez en 1783 por Pierre Simon Laplace . As discrepancias entre a órbita prevista e a observada levaron a John Couch Adams en 1841 a crer que se debía á influencia gravitacional doutro planeta máis aló de Urano. [38] [39] En 1845 Urbain Le Verrier comezou a súa busca doutro planeta nas proximidades da órbita de Urano. O 23 de setembro de 1846 Johann Galle descubriu un novo planeta, máis tarde chamado Neptuno, na posición predita por Le Verrier. [40]

O período de rotación de Urano é de 17 horas e 14 minutos, nun sentido retrógrado . Como en todos os planetas xigantes de gas , a súa atmosfera superior está suxeita a fortes ventos que teñen o mesmo sentido de xiro. Nalgunhas latitudes, como uns 60 graos ao sur, a atmosfera visible xira moito máis rápido que o planeta, completando unha rotación en menos de 14 horas. [41]

Inclinación axial

Urano con aneis e satélites
Inclinación axial dos xigantes gasosos

A principal peculiaridade de Urano reside na inclinación do seu eixe , que mide 97,77 ° con respecto ao plano da órbita; polo tanto o eixo de rotación de Urano atópase case no seu plano orbital. En consecuencia, cada un dos dous polos está dirixido cara ao Sol durante a metade da órbita e para a seguinte metade da órbita cae na zona de sombra. No treito intermedio á inversión dos dous polos con respecto ao Sol, este sobe e ponse ao redor do ecuador , como sucede na maioría dos outros planetas. [42]

O polo sur de Urano dirixiuse cara ao Sol no momento do voo do Voyager 2 en 1986, resultando totalmente iluminado. Ese polo defínese como "sur" segundo as convencións da Unión Astronómica Internacional que define o polo norte dun planeta ou satélite como o polo que apunta "por encima" do plano do sistema solar, independentemente do sentido de xiro do planeta. [43] [44] O resultado desta estraña orientación é que as rexións polares de Urano reciben máis enerxía do Sol que as rexións próximas ao ecuador. Non obstante, Urano é máis cálido no ecuador que nos polos debido a algún factor actualmente descoñecido. [45]

Parece tamén que a inclinación extrema do eixo de rotación de Urano ten importantes consecuencias meteorolóxicas como a extremización das estacións. Durante a viaxe do Voyager 2 as nubes de Urano eran extremadamente débiles e suaves, mentres que observacións máis recentes realizadas a través do telescopio espacial Hubble, que se remontan a 2005 , cando a inclinación do eixe estaba a levar o ecuador na dirección perpendicular ao Sol, detectaron unha presenza moito máis pronunciada e turbulenta que entón. [46]

Non se sabe con certeza a razón da insólita inclinación axial de Urano. No pasado pensouse que durante a formación do sistema solar un protoplaneta cunha masa dúas veces maior que a da Terra chocou co planeta facendo que o seu eixo "xirase". Non obstante, esta hipótese non explicaría por que as principais lúas de Urano tamén teñen un eixo de rotación de 98 ° como o planeta e non conservaron as súas órbitas orixinais. Máis tarde pensouse nunha serie de impactos, máis que nun só, para xustificar a orientación dos satélites, pero isto resultou incompatible co modelo de Niza . [47] Unha simulación máis recente e complexa [48] apoiaría a teoría do impacto cun protoplaneta. O obxecto, co dobre da masa da Terra, golpearía a Urano o suficientemente violentamente como para cambiar a súa inclinación pero non de xeito que comprometese a súa atmosfera. [49] Tamén se fai a hipótese de que, tras a colisión, este material, que precipitaba no interior do planeta, perturbaría o seu campo magnético descentralizándoo e que os restos en órbita, agrupados en grumos de xeo e rocha derretidos, formarían posteriormente algúns. das vinte e sete lúas de Urano. A colisión tamén puido alterar a rotación de todas as lúas que xa existían no momento do impacto. [50]

Características físico-químicas

Composición

O modelo estándar da estrutura de Urano prevé a división en tres capas: a capa rochosa (silicatos, ferro, níquel) no centro, un manto xeado no medio e unha capa gasosa composta de hidróxeno e helio no exterior. [51] O núcleo é relativamente pequeno, cunha masa xusta 0,55 M e un radio inferior ao 20% do radio total, mentres que o manto ten unha masa 13,4 veces a da terra. A atmosfera externa ten unha masa de apenas 0,5 M pero constitúe o 20% do raio de Urano. [51] A densidade do núcleo de Urano é de aproximadamente 9 g / cm³, cunha presión no centro de 8 millóns de barras e unha temperatura de aproximadamente 5.000 K. O manto non está feito de xeo no sentido convencional do termo, senón máis ben dun fluído que contén auga, amoníaco e outras substancias volátiles. [52] As composicións de Urano e Neptuno son bastante diferentes ás de Xúpiter e Saturno , cunha prevalencia de materiais conxelados sobre os gases, [53] e por iso ás veces clasifícanse como " xigantes de xeo ". [54]

Aínda que o modelo citado anteriormente é o que se considera estándar, hai outros modelos posibles, non obstante, os datos dispoñibles actualmente non permiten aos científicos determinar que modelo é o correcto. [55]

Masa e dimensións

O tamaño de Urano en comparación co da Terra

A masa de Urano é aproximadamente 14,5 veces a da Terra , o que o converte no menos masivo dos planetas xigantes, a pesar do seu diámetro, aproximadamente catro veces o da Terra, sendo lixeiramente maior que o de Neptuno. Cunha densidade de 1,27 g / cm³ Urano é o segundo planeta menos denso do sistema solar, despois de Saturno. [56] A súa densidade indica que Urano está composto principalmente por auga conxelada, amoníaco e metano . [51] A masa total de xeo interno de Urano non se coñece con precisión, porque xorden algunhas diferenzas dependendo do modelo elixido; debería estar entre 9,3 e 13,5 masas terrestres. O hidróxeno e o helio constitúen só unha pequena parte da masa total, 0,5 e 1,5 masas terrestres respectivamente. O resto da masa non conxelada (0,5 a 3,7 masas terrestres) está formada por material rocoso. [51]

Estrutura interna

Icona de lupa mgx2.svg Mesmo tema en detalle: Estrutura interna de Urano .

Urano non ten unha cortiza sólida: o gas atmosférico faise cada vez máis denso a medida que avanza cara a dentro e convértese gradualmente en líquido. [51] Nestes casos adóptase a convención de considerar como a superficie do corpo o punto onde a presión atmosférica é igual a 1 bar. Ao adoptar esta convención, o raio ecuatorial e o raio polar de Urano son respectivamente iguais a 25 559 ± 4 e 24 973 ± 20 km. Polo tanto ten a forma dun esferoide oblato . [57]

Urano (como Neptuno ) ten unha estrutura interna só parcialmente similar á de Xúpiter e Saturno porque non ten un manto de hidróxeno metálico líquido que está presente nos dous xigantes gasosos grazas ás enormes presións que exercen sobre as súas partes internas. Urano, de menor masa, non exerce a presión suficiente para formar unha capa composta desta materia dexenerada . [58] O núcleo rochoso de Urano é relativamente pequeno e pouco masivo; ademais difiere do de Neptuno e dos outros planetas xigantes porque dispersa pouca calor: en termos astronómicos ten un baixo fluxo térmico . O fluxo de calor de Urano é de só 0,042 ± 0,047 W / m², que é inferior ao fluxo de calor interno da Terra de aproximadamente 0,075 W / m². [59] . En consecuencia, a calor irradiada por Urano na banda infravermella do espectro é só 1,06 ± 0,08 veces a enerxía solar absorbida na súa atmosfera. [59] [60] En comparación, Neptuno irradia 2,61 veces máis enerxía ao espazo do que recibe do Sol. [61] A baixa radiación de calor desde dentro converte a Urano no planeta máis frío do sistema solar: a temperatura máis baixa rexistrada na súa tropopausa é 49 K (-224 ° C). [59] [60]

Non está claro exactamente por que Urano irradia tan pouca enerxía cara ao exterior. Unha das hipóteses presentadas para explicar esta diferenza respecto doutros xigantes gasosos é que, cando Urano foi golpeado no impacto co corpo que causou a súa peculiar inclinación axial, a maior parte da calor interna orixinal foi expulsada, reducindo significativamente a temperatura do núcleo. [62] Outra hipótese é que hai algún tipo de barreira nas capas superiores que impide que a calor do núcleo chegue á superficie. [51] Por exemplo, pode haber convección entre capas de diferentes composicións, o que inhibe o transporte de calor ao exterior. [59] [60]

Atmosfera

Icona de lupa mgx2.svg O mesmo tema en detalle: Atmosfera de Urano .

A atmosfera está composta por hidróxeno (83%), helio (15%), metano (2%) e con trazas de auga e amoníaco . [63] As capacidades dos instrumentos de detección permiten alcanzar unha profundidade duns 300 km por baixo da superficie convencional de Urano (é dicir, o punto onde a presión mide 1 bar ) asumida como cero altimétrica. A esa profundidade hai unha presión de 100 bar e unha temperatura de 320 K. [64] A atmosfera pódese dividir en tres capas: a troposfera , a unha altitude entre -300 km baixo cero e 50 km, con presións que oscilan entre 100 e 0,1 bar (10 MPa a 10 kPa), a estratosfera , a altitudes entre 50 e 4 000 km e presións entre 0,1 e 10 −10 bar (10 kPa a 10 Pa), e a termosfera / coroa, que se estende desde 4 000 km 50 000 km sobre a superficie. [60]

A cor cian do planeta débese á presenza de metano na atmosfera , que absorbe a luz vermella e reflicte o azul . [65] A temperatura superficial das nubes que cubren Urano é aproximadamente 55 K ( −218 ° C ). Urano está tan afastado do Sol que o rango de temperatura entre o verán e o inverno é case nulo. [66]

Troposfera

Perfil de temperatura da troposfera de Urano e da estratosfera inferior. Tamén se amosan capas de nubes e bruma

A troposfera é a rexión máis baixa e máis densa da atmosfera e caracterízase por diminuír a temperatura coa altura. [60] A nave Voyager 2 durante o voo do planeta detectou a presenza de nubes de metano a través de medicións de radio durante unha ocultación, [67] pero a estrutura exacta das outras capas de nubes de Urano non é ben coñecida. È stato ipotizzato che nuvole d'acqua giacciano entro i 50-100 bar di pressione, nuvole di idrosolfuro di ammonio (NH 4 HS) entro i 20-40 bar , nuvole di ammoniaca o acido solfidrico entro i 3-10 bar e infine nuvole di metano entro 1-2 bar . [60] [64] La troposfera è una regione molto dinamica dell'atmosfera, manifestando forti venti, moti convettivi, nubi altamente brillanti e cambiamenti stagionali. [68]

Atmosfera superiore

Profilo della temperatura nella stratosfera e nella termosfera di Urano. L'area ombreggiata corrisponde allo strato caratterizzato da un'elevata abbondanza di idrocarburi

Lo strato intermedio dell'atmosfera di Urano è la stratosfera, dove le temperature generalmente variano con l'altezza a partire da 53 K, in corrispondenza della tropopausa , fino a valori compresi tra gli 800 e gli 850 K alla base della termosfera. [66] Il riscaldamento che si verifica nella stratosfera è dovuto all'assorbimento di radiazione solare, nell' ultravioletto e nell' infrarosso , da parte del metano e di altri idrocarburi, che si formano in questa regione dell'atmosfera in conseguenza della fotolisi del metano. [69] [70] [71] Gli idrocarburi più abbondanti sono l' acetilene e l' etano con un'abbondanza circa 10 7 minore a quella dell'idrogeno. Il metano e il monossido di carbonio alle stesse altitudini presentano abbondanze simili, [69] [72] [73] mentre idrocarburi più pesanti e l'anidride carbonica sono presenti con abbondanze di tre ordini di grandezza più piccole. [74]

L'etano e l'acetilene tendono a condensare nella parte inferiore (e più fredda) della stratosfera e nella tropopausa formando strati di foschia , [70] che potrebbero essere parzialmente responsabili dell'aspetto mite di Urano. La concentrazione degli idrocarburi nella stratosfera del pianeta è significativamente inferiore rispetto a quanto riscontrato nelle stratosfere degli altri pianeti giganti. [69] [75]

Lo strato più esterno dell'atmosfera di Urano è la termosfera /corona, che presenta una temperatura uniforme compresa tra 800 e 850 K. [8] La fonte di calore responsabile di un valore così alto della temperatura non è stata ancora identificata, perché né le radiazioni solari ultraviolette né l'attività delle aurore polari, peraltro insignificanti rispetto alle aurore di Giove e Saturno, possono fornire la necessaria energia. Oltre all'idrogeno molecolare, la termosfera-corona contiene una notevole quantità di atomi di idrogeno libero. La loro piccola massa insieme con le alte temperature spiega il perché la corona si estende fino a 50 000 km di altitudine dalla superficie, equivalenti a due raggi di Urano. [66] Questa corona tanto estesa è una caratteristica che rende Urano unico tra i pianeti. I suoi effetti includono una forza di resistenza fluidodinamica sulle piccole particelle in orbita attorno al pianeta, determinando l'impoverimento degli anelli dalla polvere. [75]

La termosfera uraniana, nella parte superiore della stratosfera, corrisponde alla ionosfera di Urano. Le osservazioni mostrano che la ionosfera si trova ad altitudini comprese tra i 2 000 e 10 000 km. [76] La ionosfera di Urano è più densa di quella di Saturno e Nettuno; ciò potrebbe derivare dalla minore concentrazione di idrocarburi nella stratosfera. [75] [77] La ionosfera è sostenuta principalmente dalla radiazione solare ultravioletta e la sua densità dipende dall' attività solare . [78]

Bande, nubi e venti

La Grande Macchia Scura di Urano, scoperta dal telescopio spaziale Hubble nel 2006

Nel 1986, la Voyager 2 scoprì che l'emisfero meridionale visibile di Urano può essere suddiviso in due regioni: una luminosa calotta polare e bande equatoriali scure. Il loro confine si trova a circa 45°S di latitudine. [79] Una banda brillante tra le latitudini da 45°S a 50°S era la caratteristica più visibile dell'atmosfera esterna. [80] Si pensa che questa struttura, chiamata il "collare del sud", sia una regione densa di nubi di metano situate all'interno del campo di pressione compreso tra 1,3 e 2 bar. [81] Oltre alla struttura a bande su larga scala, la Voyager 2 osservò dieci piccole nuvole luminose, parecchi gradi a nord del collare, [79] mentre per il resto Urano appariva come un pianeta privo di dinamica. La Voyager 2 giunse durante la piena estate australe di Urano e non riuscì a osservare l'emisfero settentrionale. [80] All'inizio del XXI secolo , quando la regione polare settentrionale cominciava a rendersi visibile dalla Terra, il telescopio spaziale Hubble ei telescopi Keck inizialmente non osservarono nessun collare o calotta polare nell'emisfero nord. Tuttavia, quando Urano passò oltre il suo equinozio, il collare meridionale era quasi scomparso, mentre un debole collare settentrionale iniziava a formarsi vicino alla latitudine 45°N. [82]

Nel 1990, grazie al miglioramento delle tecniche osservative dalla Terra, si osservarono le nubi dell'emisfero settentrionale, che iniziavano a divenire visibili. [61] Vennero trovate molte nubi luminose, più di quelle che erano state osservate nell'emisfero meridionale, anche perché nell'emisfero sud il collare luminoso tendeva a mascherarne diverse, togliendo contrasto alle immagini. La differenza principale tra i due emisferi pare sia l'altitudine più elevata alla quale si trovano le nubi dell'emisfero nord, che sembrano più piccole ma più nitide e brillanti. [83] Molte piccole nuvole osservate avevano una durata di poche ore; tuttavia furono osservate formazioni più persistenti, come una "Macchia Scura" (Uranus Dark Spot) che mai era stata osservata prima del 2006. Questa scoperta ha evidenziato come Urano, nella sua fase equinoziale, pare molto più simile a Nettuno di quanto si pensasse in precedenza. [84] Negli anni ottanta infatti, quando passò la sonda Voyager, Urano pareva completamente privo di dettagli, a differenza di Nettuno che mostrava diversi fenomeni atmosferici. [85]

La velocità massima dei venti è stata rilevata nell'emisfero settentrionale nei pressi della latitudine 60°N, dove essi possono raggiungere facilmente la velocità di 850 km/h, [61] con punte fino a 900 km/h. [86] [87] [88] I venti all'equatore spirano in direzione retrograda, ossia in direzione opposta alla rotazione del pianeta, con velocità comprese tra 180 e 360 km/h. [80] Allontanandosi dall'equatore la velocità del vento diminuisce fino a raggiungere valori vicino allo zero a ± 20° di latitudine, dove si registra la temperatura minima della troposfera. Da quella latitudine e avvicinandosi ai poli i venti si muovono in moto diretto , nello stesso senso della rotazione di Urano, con la velocità del vento che continua ad aumentare raggiungendo i massimi a ± 60°N di latitudine. Nell'emisfero nord è stato osservato che la velocità dei venti torna a scendere a zero nei pressi del polo nord, mentre nell'emisfero sud, il collare oscura le dinamiche atmosferiche nelle vicinanze del polo sud, impedendo la misurazione della velocità dei venti oltre la latitudine 40°S. [61]

Clima

L'atmosfera di Urano è piuttosto regolare rispetto agli altri giganti gassosi, anche rispetto a Nettuno, il più simile per altri aspetti. [61] Quando la Voyager 2 si avvicinò a Urano nel 1986, furono osservate solo una decina di formazioni nuvolose su tutto il pianeta. [79] [89] Una spiegazione proposta per questo fenomeno è il basso calore interno di Urano rispetto a quella degli altri pianeti giganti. [59] [60] [90]

Cambiamenti stagionali

Un'immagine di Urano ripresa nel 2005 da Hubble: sono visibili gli anelli, il Collare Sud e una brillante nube bianca nell'emisfero nord

Per un breve periodo, da marzo a maggio del 2004, grandi nubi e una tempesta persistente sono apparse nell'atmosfera di Urano, mentre sono stati misurati venti spirare a oltre 800 km/h, rendendo Urano simile nell'aspetto a Nettuno. [91] Il 23 agosto 2006, ricercatori dello Space Science Institute e dell' Università del Wisconsin hanno osservato una macchia scura sulla superficie di Urano, consentendo agli astronomi di reperire maggiori informazioni sull'attività atmosferica del pianeta. Non è completamente nota la ragione di questi cambiamenti, ma sembrano essere legati all' inclinazione assiale di Urano che causa delle variazioni stagionali del clima di lunga durata, a seconda della posizione del pianeta nella sua orbita attorno al Sole. [92] [93] Determinare la natura di questa variazione stagionale non è semplice in quanto i dati atmosferici del pianeta sono noti da meno di 84 anni, durata dell'anno uraniano. Dal 1950 si sono osservate variazioni di luminosità con massimi durante i solstizi e minimi durante gli equinozi . [94] Anche le misure della temperatura stratosferica , a partire dal 1970, hanno mostrato cambiamenti più significativi in prossimità del solstizio del 1986. [95]

Ci sono quindi ragioni per ritenere che Urano sia soggetto a cambiamenti fisici stagionali. Negli ultimi decenni l'emisfero sud è stato nettamente più brillante dopo che durante il precedente solstizio era stato l'emisfero nord a essere più luminoso. Tuttavia, dopo il solstizio del 1986 la calotta polare sud si è notevolmente oscurata (tranne il collare sud), [81] confermando l'ipotesi che il polo che si avvicina al solstizio si illumina per un determinando periodo, e si oscura passato l'equinozio. [93] Nel 2007, dopo l'equinozio, è apparsa una debole calotta polare nord, mentre quella meridionale è diventata quasi invisibile, anche se il profilo dei venti è comunque leggermente asimmetrico , con i venti dell'emisfero nord generalmente ancora un po' più deboli di quelli dell'emisfero sud. [82]

Il meccanismo dei cambiamenti di Urano non è del tutto chiaro. [93] Si pensa che la variazione della luminosità dell'emisfero illuminato dal Sole derivi dal locale ispessimento delle nubi di metano e degli strati di foschia che si trovano nella troposfera. [81] Il collare luminoso a 45°S di latitudine è anch'esso collegato alle nubi di metano. Altre variazioni nella regione polare si possono spiegare con cambiamenti negli strati più bassi delle nubi. [81] Le nubi polari spesse e la foschia possono inibire la convezione , che tuttavia può riattivarsi durante gli equinozi. [96]

Campo magnetico

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Magnetosfera di Urano .
La complessità del campo magnetico di Urano, causata dalla forte inclinazione dei suoi poli magnetici rispetto all'asse di rotazione

Prima dell'arrivo della Voyager 2 nel 1986, non era stata effettuata nessuna misurazione della magnetosfera di Urano, quindi la sua natura rimaneva sconosciuta, anche se si riteneva che il campo magnetico fosse allineato ai venti solari e che quindi avesse un asse vicino a quello di rotazione. Fu quindi una sorpresa quando i dati della Voyager permisero di rivelare un campo magnetico inclinato di 59° rispetto all'asse di rotazione del pianeta, con i poli magnetici che si trovano in pratica all'equatore e non nei pressi dei poli . Inoltre, il campo magnetico non si origina dal centro del pianeta, in quanto il suo dipolo magnetico è spostato verso l'emisfero sud di circa un terzo del raggio. [97] La magnetosfera di Urano risulta pertanto fortemente asimmetrica, con l'intensità del campo magnetico sulla superficie che va da 0,1 gauss (10 microtesla) dell'emisfero meridionale e può arrivare a 1,1 gauss (110 microtesla) nell'emisfero nord. La sua media in superficie è di 0,23 gauss. [97]

Il momento del dipolo di Urano è cinquanta volte quello della Terra. Anche Nettuno possiede un campo magnetico fortemente inclinato e con un dipolo magnetico spostato, contrariamente al campo magnetico terrestre ea quello degli altri giganti gassosi che risulta più o meno allineato con l'asse di rotazione, suggerendo che questa caratteristica potrebbe essere comune nei giganti di ghiaccio. Una possibile spiegazione di questa peculiarità è che, mentre la Terra e gli altri pianeti hanno campi magnetici generati nel loro nucleo, i campi magnetici dei giganti di ghiaccio sono generati dal movimento di materia a profondità relativamente basse, come ad esempio in un oceano di acqua e ammoniaca. [98]

Nonostante lo strano allineamento, per altri versi la magnetosfera di Urano è simile a quella degli altri pianeti, con un limite esterno che si trova a circa ventitré raggi in direzione del Sole e una magnetopausa a diciotto raggi di Urano. La struttura della magnetosfera uraniana è diversa da quella di Giove e più simile a quella di Saturno. La "coda" della magnetosfera di Urano si estende dietro il pianeta, in direzione opposta al Sole, fino a una decina di milioni di chilometri, prendendo una forma a spirale a causa della rotazione del pianeta. [99] [100] Il flusso di particelle è abbastanza alto da causare un' erosione dei satelliti in un intervallo di tempo molto rapido in termini astronomici, di 100 000 anni. [101] Questa potrebbe essere la causa della colorazione uniformemente scura dei satelliti e degli anelli. [102] Il fascio di particelle del campo magnetico causa aurore visibili come archi luminosi attorno ai due poli magnetici, anche se, a differenza di Giove, le aurore di Urano sono poco significative, brevi e dall'aspetto puntiforme. [103]

Anelli

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Anelli di Urano .
Schema degli anelli di Urano; sono mostrati alcuni satelliti e le loro orbite

Urano possiede un sistema di anelli appena percettibile, composto da materia scura e polverizzata fino a 10 km di diametro. Il sistema di anelli fu scoperto il 10 marzo 1977 da James Elliot , Edward W. Dunham e Douglas J. Mink grazie all'osservatorio volante Kuiper Airborne Observatory . La scoperta fu inaspettata: gli astronomi avevano predisposto l'aereo appositamente per studiare un fenomeno molto raro, ovvero l'occultazione di una stella ( SAO 158687 ) da parte di Urano, con l'intento di poter studiare la sua atmosfera , che avrebbe filtrato i raggi della stella, prima che questa scomparisse dietro il pianeta. Il C141 trasportava un telescopio di 90 cm e un fotometro fotoelettrico molto sensibile, capace di misurare le più piccole variazioni di luminosità. Quando i ricercatori analizzarono le loro osservazioni scoprirono che la stella era scomparsa brevemente dalla vista cinque volte prima e dopo l'occultamento da parte del pianeta. Dopo ripetuti controlli, per escludere difetti nello strumento, conclusero che intorno a Urano doveva esserci un sistema di anelli analoghi a quelli di Saturno , almeno cinque. Successivamente vennero scoperti quattro ulteriori anelli. [104] Tale sistema venne rilevato direttamente quando la sonda spaziale Voyager 2 passò nei pressi di Urano nel 1986 . La Voyager scoprì anche altri due anelli, portando il numero totale degli anelli a undici. [10]

Nel dicembre 2005 il telescopio spaziale Hubble fotografò due nuovi anelli, il più largo dei quali ha un diametro due volte più grande degli anelli precedentemente conosciuti. Data la lontananza da Urano, i nuovi anelli sono stati definiti "sistema di anelli esterno". [105] I due anelli sono così lontani dal pianeta che sono stati chiamati il "secondo sistema di anelli" di Urano. Gli scienziati che hanno effettuato lo studio ipotizzano che l'anello più esterno venga continuamente alimentato dal satellite Mab , scoperto nel 2005 e avente un diametro di circa 20 km, che orbita all'interno di tale anello. [106]

Nell'aprile del 2006, le immagini dei nuovi anelli ottenute tramite l' Osservatorio Keck hanno rivelato i colori degli anelli esterni: il più esterno è blu mentre l'altro è rosso. Una ipotesi che spiegherebbe il colore blu dell'anello esterno è che esso sia composto da minuscole particelle di ghiaccio d'acqua rilasciato dalla superficie di Mab, sufficientemente piccole da diffondere la luce blu. [106]

Satelliti naturali

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Satelliti naturali di Urano .
I cinque satelliti principali di Urano in un fotomontaggio; in ordine crescente di distanza dal pianeta (da sinistra a destra): Miranda, Ariel, Umbriel, Titania e Oberon

I satelliti naturali di Urano conosciuti sono ventisette. [107] I cinque più massicci sono Ariel , Umbriel , Titania , Oberon , Miranda . [108] I nomi dei satelliti derivano da personaggi delle opere di William Shakespeare e Alexander Pope . I primi a essere scoperti, da parte di William Herschel nel 1787, furono Titania e Oberon, [109] mentre nel 1840 William Lassell scoprì Ariel e Umbriel. Passò poi quasi un secolo senza nessuna scoperta, fino a quando, nel 1948, Gerard Kuiper scoprì Miranda, il più piccolo dei satelliti principali di Urano. [110] L'ultimo satellite ufficialmente scoperto è stato Margherita nel 2003, ma nel 2016, grazie all'analisi di alcune foto della sonda Voyager vecchie di trent'anni, si sono aggiunti altri due satelliti non confermati. [111] Il sistema satellitare di Urano è il meno massiccio tra quelli dei pianeti giganti; infatti, la massa combinata dei cinque maggiori satelliti è meno della metà di quella del solo Tritone , la maggiore delle lune di Nettuno. [56] Il più grande dei satelliti di Urano, Titania, ha un diametro di 1 578 km, meno della metà della Luna , ma poco più grande di Rea , la seconda più grande luna di Saturno, il che rende Titania l' ottavo satellite più grande del sistema solare . [109]

Tra i satelliti di Urano, Ariel sembra avere la superficie più giovane, con il minor numero di crateri da impatto, mentre la superficie di Umbriel appare la più antica. [10] La superficie di Miranda appare caotica e pare sia stata interessata in passato da un'intensa attività geologica. Sono evidenti vari strati sovrapposti, alcuni recenti e altri più antichi, solcati dai canyon più profondi del sistema solare, che raggiungono anche i 20 km di profondità. Si pensa che la sua superficie abbia sofferto intense forze mareali nel passato, in un momento in cui la sua orbita era più eccentrica di quella odierna. [10] [112]

Almeno un oggetto è legato a Urano in un' orbita a ferro di cavallo , che occupa il punto lagrangiano Sole-Urano L 3 , 83982 Crantor , che si muove in un'orbita temporanea all'interno della regione orbitale di Urano. [113] Un altro candidato oggetto in orbita a ferro di cavallo è 2010 EU 65 . [114]

Possibilità di sostenere la vita

È altamente improbabile che Urano possa ospitare forme di vita: data la sua natura di gigante gassoso , esso non possiede infatti una superficie solida definita. Anche l' atmosfera è inadatta: al di là della sua composizione ( idrogeno , metano e ammoniaca sono composti troppo semplici per generare vita), possiede pressioni e temperature proibitive. Nella parte alta dell'atmosfera, le temperature sono bassissime, intorno ai 50 K (−223 °C), e dove queste diventano favorevoli, è la pressione assieme alla mancanza di luce solare, e quindi di una fonte di energia, a impedire processi chimici avanzati che sono alla base di qualsiasi forma di vita.

Sui satelliti la questione è diversa: se i maggiori di essi possedessero oceani di acqua liquida sotto la crosta ghiacciata, come accade su Europa , Ganimede o Titano , allora potrebbero formarsi colonie di organismi molto semplici nei pressi degli hotspot termali sui fondali. [115]

Urano nella cultura

Significato mitologico e astrologico

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Urano (divinità) .

Urano prende il nome dall'omonimo dio greco , figlio e sposo di Gea , la Madre Terra, e personificazione del cielo , come descritto da Esiodo nella sua opera Teogonia . Secondo Esiodo Urano fecondò Gea gettandole addosso gocce d'acqua, dando origine alle prime generazioni di Titani . [116] Non esistono ovviamente riferimenti al pianeta nelle antiche popolazioni, essendo Urano stato scoperto solo alla fine del XVIII secolo .

In astrologia Urano rappresenta l'intuizione, l'inventiva, la forza decisionale, ei rinnovamenti ei cambiamenti in genere. Urano è domiciliato nell' Aquario , in esaltazione nello Scorpione , in esilio nel Leone e in caduta nel Toro . [117]

Nell'astrologia medica Urano regola il sistema nervoso , l' ipofisi , le meningi , il midollo spinale . [118]

Urano nella fantascienza

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Urano nella fantascienza .

Il pianeta Urano, così come Nettuno, non è stato molto citato nelle opere fantascientifiche; le scarse conoscenze e il fatto di essere così distanti dal Sole e freddi, non ha stimolato particolarmente gli autori di fantascienza , che hanno preferito scenari più noti e vicini alla Terra. [119]

Mr. Vivenair (uno pseudonimo ) di un autore anonimo, pubblicò nel 1784 A Journey Lately Performed Through the Air in an Aerostatic Globe, Commonly Called an Air Balloon, From This Terraquaeous Globe to the Newly Discovered Planet, Georgium Sidus , un resoconto di un viaggio in pallone sul pianeta da poco scoperto. [119]
Nel racconto del 1935 The Planet of Doubt di Stanley G. Weinbaum , Urano viene descritto come meta di viaggi raggiungibile da una base americana su Titano e raggiungibile solo ogni quaranta anni quando si verificava una congiunzione Saturno-Urano. [120] In The Insects from Shaggai di Ramsey Campbell del 1964 , racconto che riprende il Ciclo di Cthulhu di HP Lovecraft , Urano è conosciuto come L'gy'hx ei suoi abitanti sono creature metalliche di forma cubica e con molti piedi che adorano Lrogg . Questi esseri sono in conflitto religioso con gli insetti Shan . [121] [122]

Al cinema Urano è lo scenario del film Viaggio al 7º pianeta , del 1962 ) di Sidney W. Pink . Gli astronauti incontrano su Urano delle strane intelligenze che creano illusioni nella mente degli astronauti. [123] Nelle serie TV Urano è citato nella serie di Buck Rogers (1928-) come pianeta popolato da robot , mentre nel telefilm Doctor Who (1963-), nell'episodio The Daleks' Master Plan , il pianeta è l'unico luogo dell' universo dove può essere rinvenuto il minerale Taranium . Nell' anime Bishoujo Senshi Sailor Moon invece, Sailor Uranus è la settima soldatessa guardiana ad apparire nella serie e rappresenta il pianeta; i suoi attacchi sono associati con la forza della natura. Nella serie animata Futurama (1999-2003), nel 2620 il nome di Urano è stato cambiato in "Uretto" ( Urectum in originale) per evitare il gioco di parole fra "Ur-anus" e "Your anus".

Talvolta le lune uraniane sono state citate, come da Kim Stanley Robinson , che ne Il blu di Marte ( Blue Mars ), parte della Trilogia di Marte , scrive di Titania come luogo dove era situata una prigione militare, e, sempre nella stessa opera, menziona Miranda come un luogo preservato dai coloni come "deserto primordiale". [124]

Note

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  11. ^ A causa dello schiacciamento derivante dalla rapida rotazione del pianeta il diametro equatoriale, che viene mostrato quando il pianeta punta le regioni polari alla Terra, è 1,03 volte il diametro polare.
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