Атмосфера Урана

Хоча Уран не має твердої поверхні як такої, частину його газової оболонки, найбільш віддалену від центра й доступну для спостереження в оптичні телескопи, називають атмосферою[3]. Для дистанційного дослідження доступні шари газової оболонки аж до глибини 300 км нижче рівня, що відповідає тиску 1 бар. Температура на такій глибині становить 320 K, а тиск — близько 100 бар[4].

Історія спостереження атмосфери Урана повна помилок і розчарувань. Уран — відносно слабкий об'єкт, і його видимий кутовий діаметр ніколи не перевищує 4″. Перші спектри атмосфери Урана були отримані з допомогою спектроскопа в 1869 і 1871 роках Анджело Секкі та Вільямом Гаґґінсом, що виявили ряд широких темних смуг, які вони не змогли ідентифікувати[5]. Їм також не вдалося виявити ніяких спектральних ліній, що відповідають сонячному світлу — факт, який згодом помилково інтерпретований Норманом Лок'єром як свідчення того, що Уран випромінює своє власне світло, а не відбиває сонячне[5][6]. 1889 року це невірне уявлення було спростоване[7]. Природа широких темних смуг у його видимій частині спектру залишалася невідомою до 40-х років ХХ століття[5].

Ключ до розшифрування темних смуг у спектрі Урана було знайдено в 1930-ті роки Рупертом Вільдтом і Весто Слайфером[8], які виявили, що темні смуги на 543, 619, 925, 865 і 890 нм належали газоподібному метану[5][8]. Це означало, що атмосфера Урана була прозора на велику глибину порівняно з газовими оболонками інших планет-гігантів[5]. 1950 року Джерард Койпер помітив ще дифузну темну смугу в спектрі Урана на 827 нм, яку він не зміг визначити[9]. 1952 року Герхард Герцберг, майбутній лауреат Нобелівської премії, показав, що ця лінія була викликана слабким квадрупольним поглинанням молекулярного водню, який, таким чином, став другою сполукою, виявленою на Урані[10]. До 1986 в атмосфері Урана жодних інших речовин не було виявлено[5]. Спектроскопічні спостереження, що виконувалися з 1967 року дозволили скласти наближений тепловий баланс атмосфери. Виявилося, що внутрішні джерела тепла практично не впливають на температуру атмосфери та її нагрівання здійснюється лише за рахунок випромінювання Сонця[11]. Внутрішнє підігрівання атмосфери не виявив і апарат Вояджер-2, що відвідав Уран 1986 року[12].

У січні 1986 року космічний апарат Вояджер-2 пролітав від Урана на мінімальній відстані 107 100 км[13] і вперше отримав зображення спектра атмосфери планети з близької відстані. Ці вимірювання підтвердили, що атмосфера складалася переважно з водню (72 %) і гелію (26 %), і, крім того, містила близько 2 % метану[14]. Атмосфера освітленої сторони планети на момент її вивчення Вояджером-2 була вкрай спокійною та не мала великих атмосферних утворень. Стан атмосфери з іншої сторони Урана вивчити не вдалося через полярну ніч на ній[15].

У 1990-х і 2000-х роках, з допомогою космічного телескопа «Габбл» і наземних телескопів, оснащених адаптивною оптикою вперше спостерігалися дискретні деталі хмарного покриву[16], що дозволило астрономам повторно виміряти швидкість вітру на Урані, відому раніше лише зі спостережень Вояджера-2 і дослідити динаміку атмосфери планети.

Температурний профіль тропосфери та нижньої стратосфери Урана. Вказано також основні шари хмарності.

Склад атмосфери Урана відрізняється від складу планети в цілому, її головними компонентами є молекулярний водень і гелій[17]. Молярна частка гелію була визначена на основі аналізу, виконаного космічним апаратом Вояджер-2[18]. Наразі приймаються значення 0,152 ± 0,033 у верхній тропосфері, що відповідає масовій частці 0,262 ± 0,048[17][19]. Це значення є дуже близьким до масової частки гелію у складі Сонця 0,2741 ± 0,0120[20][21].

Третій за розповсюдженістю газ у складі атмосфери Урана — метан (CH₄), відомості про наявність якого були отримані в результаті наземних спектроскопічних вимірювань[17]. Метан має сильні смуги поглинання видимого та ближнього інфрачервоного світла, цим зумовлене аквамаринове чи блакитне забарвлення Урана[22]. Нижче метанових хмар, на рівні, що відповідає тиску 1,3 бар частка молекул метану становить близько 2,3 %[23], що у 10—30 разів більше від аналогічних показників для Сонця[17][18]. Вміст менш летких сполук, таких, як аміак, вода та сірководень у глибокій атмосфері наразі відомий лише наближено[17]. Вважається, що їхня концентрація в атмосфері Урана перевищує аналогічну для Сонця в десятки[24], чи навіть сотні разів[25]. Відомості про ізотопний склад атмосфери Урана дуже обмежені[26]. Станом на травень 2013 відоме лише кількісне відношення дейтерію до протію. Воно становить 5,5+3,5−1,5×10⁻⁵ та було виміряне з допомогою Інфрачервоної космічної обсерваторії (ISO) у 1990-х роках. Це значення помітно вище, ніж аналогічне для Сонця (2,25 ± 0,35×10⁻⁵)[27][28].

ІЧ-спектроскопія, зокрема вимірювання з допомогою космічного телескопа «Спітцер» (SST)[29][30], дозволила виявити слідові кількості вуглеводнів у стратосфері Урана, які, ймовірно, були синтезовані з метану під дією сонячного УФ-випромінювання[31]. Вони включають етан (C₂H₆), ацетилен (C₂H₂)[30][32], метилацетилен (CH₃C₂H), діацетилен (C₂HC₂H)[33]. З допомогою ІЧ-спектроскопії також були виявлені сліди водяної пари[34], оксиду[35] й діоксиду вуглецю в стратосфері. Ці домішки швидше за все походять із зовнішнього джерела, наприклад, космічного пилу й комет[33].

Атмосферу Урана можна поділити на три основних шари: тропосферу, що охоплює проміжок висот від −300 до 50 км (за 0 прийнято умовну межу, де тиск становить 1 бар), стратосферу, що займає висоти від 50 до 4000 км і екзосферу, що простягається від висоти 4000 км до кількох радіусів планети. На відміну від земної, атмосфера Урана не має мезосфери[36][37].