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了解科学 爱上科学 欢迎收听科学时评话咱们书接上文呢上文书讲到了旅行者一号和二号分别拜访了木星和土星而且旅行者一号还拜访了土星最大的卫星叫土卫六名字叫做泰坦
因为要拜访这个泰坦呢这个探测器的飞行方向就改变了就朝着黄道面以外飞出去了所以旅行者一号也就失去了拜访天王星和海王星的机会这个任务就只能让旅行者二号去完成了
只不过因为土维 6 的大气层实在太浓密了因此在照片上是看不到土维 6 的表面的它只能用无线电衍星的办法来测量大气的成分等等一系列的参数当时的科学家就猜想这个土维 6 上应该是存在碳氢化合物组成的湖泊所谓的碳氢化合物就是氢类最简单的就是甲烷
但也不能说全是甲烷啊那背不住有乙烷之类的烷厅存在嘛所以咱们就笼统的叫做碳氢化合物当然了这个土维六大气层主色调呢它是黄色但是在边缘大气啊它略略显出蓝绿色所以呢其中甲烷肯定很多但是大家往往忽略了一个隐形冠军的存在那就是氮气
咱们总说呀这个地球的大气层啊它富含氧气啊其实氧气根本就不占大头人家氮气才是主要成分
所以我们经常就把这个氮气给忘了这个土微六大气层之中氮气占了 97%甲烷只占了 2.7%但是土微六表面的大气压力居然是地球表面的 1.5 倍对这一颗直径只有地球 40%的卫星来讲它有点过于浓密了
按理说呀在阳光的照耀之下这个甲烷它是会被逐渐分解的土为六上这点甲烷呢顶多顶上三千万年就会全部流失但是这么多年过去了这个土为六上的甲烷依然很多一点也没有流失的迹象这说明啥呢这甲烷它一定是有补充来源的呀
据推测土微六上是有大量有机物的这些有机物在受热分解的时候会产生大量的氮气和甲烷这就恰好和土微六的大气成分对上茬了这是相符的科学家们就在地面上模拟土微六的压力环境进行了试验当有机物被加热到了 250 到 500 度的时候
有机物的确是会被大量分解成氮气和顽氢的而且可以源源不断的补充到大气层之中土 V6 在咱们太阳系之中算是一颗非常大的卫星了正因为它比较大所以它的内部也会积攒不少的放射性物质所以它的内部也是会持续发热的另外土星也在时时刻刻拿捏这颗卫星
潮汐作用也会导致泰坦的内部产生热量所以土微六的内部应该温度还是比较高的它表面温度又特别低
你想啊这个碳氢化合物它都变成液体了都形成江河湖海了那温度得多低啊所以啊在这种环境条件之下啊那个内部稍微有点压力就很容易形成什么冰喷泉啦什么冰火山啦这个甲烷啦氮气啊就从地下咕嘟咕嘟的就给喷出来了这就是土为六上的大气层的来源
这个旅行者一号在拜访完了土围六之后直接一拐弯绕过土星奔着黄刀面以外就去了正因为这次任务还是比较成功的那么好了这个旅行者二号就不用再当替我队员了在拜访完土星以后就可以继续去拜访天王星和海王星了
我们所在的这个太阳系啊它是极其广袤的而且是越往外侧这个行星轨道的间距也就越大大家可能听说过这个提丢斯波德定则啊这是一个描述太阳系行星轨道半径的经验公式我们现代人总结的呢大约就是 0.4 加 0.3 乘 2 的 n 次方
N 是整数对于地球呢 N 等于 1 最后计算下来这个地球的轨道半径就是一个天文单位但是对于金星 N 就等于 0 算出来呢金星的轨道是 0.7 个天文单位对于水星来讲这个 N 就得取负无穷那么 0.3 乘 2 的 N 次方这一项就忽略不计了那么这个半径就是 0.4 个天文单位这些数字都是能对得上的但是大家也看出来了
这个 n 取的都是整数那这个火星是 2 小行星带呢就是 3 木星就是 4 土星就是 5 天王星是 6 海王星是 7 但是您别忘了呀这个公式是 0.4 加 0.3 乘 2 的 n 次方这 n 呢它是在肩膀头上扛着这个 n 越大呢前面这 0.4 就越不做数了
这就导致后边的几颗行星的轨道半径啊几乎都是前一颗的两倍大所以呢这个旅行者号探测器去拜访的时间呢就一个比一个长
1979 年 7 月份距离木星是最近的略过木星 1981 年 8 月底距离土星最近等到下一站天王星它就足足飞 4 年多才能飞到也就是说 1986 年的 1 月底这个旅行者 2 号终于到达了距离天王星最近的位置上这也是人类的探测器唯一一次拜访天王星
我们有关这颗冰巨星的知识几乎都来自于这一次拜访天王星绕着太阳转一圈的时间差不多要 84 年自转一圈下来平均是 17 个小时左右因为天王星也有非常浓密的大气层我们只能看到这个大气层在自转下边全是雾霾既然它是气体它吃到和两极的转速就不太一样我们只能取个平均值了
靠近太阳的四颗行星全都是岩石行星这个好理解啊咱们地球啊什么火星啊金星啊全是岩石行星啊这个土星和木星又是另外一类它叫做巨行星这些巨行星内核的占比很小它主要是由外边的流体构成的
估计木星的内核直径大概是地球的两三倍但是你可别忘了这个质量跟尺寸它可是个立方关系你别看那个直径大了两三倍那个质量就是十几个地球质量了可是木星的总质量大概是 318 个地球质量由此可见木星的固体内核占比非常小
相比之下呢这个土星就比较虚胖看着不小其实挺轻它的总质量大概是 95 个地球质量但是土星内核它就非常大了它这个内核有 55 个地球质量它内核占了总质量的一半还多呢到了天王星和海王星这儿吧它又不一样了这个天王星和海王星的内核占比更大
海王星直径呢比天王星稍微小了那么一点点但是质量呢比天王星还要大不少它的内核大概是 17 个地球质量海王星的大气层加起来只有一个地球质量那天王星内核呢大概是 10 个地球质量那大气层呢大约是一个地球质量也就这么多了这样一比较啊这个海王星和天王星啊它的内核占比特别大
这个大气层反倒不那么大所以他们也被单独的划分为一类叫做冰巨星
它俩和大哥二哥木星古星不太一样啊这巨行星在浓密的大气层之下呢它应该还是存在一个金属氢内核但是冰巨星它是没有金属氢内核的在大气层之下可能存在液态水啦什么氨水啦甲烷啦混合在一起构成的海洋也可能啊这个液态海洋里面还有点冰块儿
但这种冰它不是水冰啊有可能是甲烷水和物了之类的或者是甲烷直接冻成冰坨子也可能诸如此类它都被称作冰所以呢天王星和海王星被称为冰巨星其实呢不管巨行星也好冰巨星也罢它们都没有固体的表面
如果没有一个固体表面的话你计算直径它就不好办了你以什么地方为基准线来算直径呢一般来讲是取大气压恰好等于地球表面大气压为基准从这开始算半径那么以天王星为例这个气压达到地球表面标准大气压的地方其实它还是在半空中它脚底下还有 300 多公里厚的大气层呢
这个大气层的下部它逐渐过渡为液态海洋因为那个压力太大呀这大气密度也非常高啊所以你也分不清楚到底是液体还是气体反正就是这么个混合流体吧
脚底下这个海洋深达 8000 公里而且海洋深处的温度也非常高但是在巨大的压力之下这些超高温的液体依然不会沸腾这个天王星还有一个特殊之处它是一颗彻底躺平的星星这一点跟我倒是挺像的这个自转轴和轨道面的夹角居然达到了 97.77 度
他老先生一直是横着自转的大家也是百思不得其解为啥这个天王星就如此之懒惰他天天躺着就不起了呢科学家们做了两种解释有可能当年呢
天王星小时候那时候还没长得这么巨大呢结果呢就让人家路上给撞了一下直接给撞横过来了这算是一种解释另外一种解释呢就是在周围那么多大行星和大卫星的引力共同射动作用下它逐渐就给掰躺起来了不过这话呢就说来太长了啊咱们就得从太阳系的早期讲起
在这儿呢我们就先按下不表了以后我们统一总结天王星横躺着自转这个特点对天王星的大气环流影响就非常大了
它公转一周不是 84 年吗那公转半圈就是 42 年了你别忘了这个天王星它躺着它北半球就这么对着太阳足足晒了 42 年等北半球晒完了接着换到南半球接力咱继续再晒 42 年这颗星球上温度要能正常了那才叫奇了怪了
旅行者二号前前后后一共近距离观测了天王星 46 天当时正好是天王星的南极正对着太阳南极的高层大气温度达到了 1800 度北极高层大气的温度达到了 2400 度这话怎么说的怎么背一面反到温度高了呢
好在这是高层大气有异常因为温度高代表空气分子的运动特别剧烈但是如果大气太稀薄了单位体积内的分子总数不足那么携带的热量也就不怎么多天王星的大气它也是分层的那上面它也晒得非常热那下边它就不这样了最下边的是对流层对流层几乎就是天王星大气层之中最冷的地方
而且全球各处同高度的温度大致都是相同的都是大约是零下 208 摄氏度但是在纬度 30 度的地方有一个神秘的冷圈它要更冷一点这就使得科学家们不得不重新建立天王星的大气模型了
旅行者二号发回去很多很多的照片科学家们就通过电子处理这个探测器发回的照片就发现这个天王星上它还有云层呢可以通过云层来计算一下这个风的流动速度这些云层就沿着行星的旋转方向流动风速可以达到 161 公里每小时
而且天王星上有十个条状的云带但是风向和木星土星这种巨行星它恰好是拧着的它恰好相反这倒是蛮奇怪的一件事这个天王星的大气环流主要是靠太阳的热量驱动的这个天王星几乎就是太阳系里边最冷的大行星了它比海王星还要再冷一点儿
探测到的最低气温是 49K 也就是零下 242 摄氏度按理说吧这个天王星晒太阳还是比海王星要赚点便宜它毕竟离太阳还稍微近一点呢但是无奈啊天王星自己内部产生的热量太少了难怪它叫冰巨星这个天王星的内核啊相对来讲它不算特别热
可能呢就跟那个天王星小时候被人撞了一下有关系啊他一撞那自转轴就歪了他不但自转轴歪了他内核也被撞散了架子了这内部热量呢就全部都流失了啊这散热散的快就导致现在呢他热量不足天王星的外观呢比较干净啊这表面蓝色呢也比较单纯他就是个淡蓝色
而且呢有不太显眼的那种条纹因为大气层里面甲烷呢会吸收红光所以它呈现出淡蓝色但是天王星大气之中主要成分呢是氢和氦氢占了 83%氦占了 15%这甲烷呢只占了 2%
但是无奈吧这个甲烷这东西到哪都是个显眼包别人都显不出事儿来就它能显出事儿来旅行者二号拜访的时候这个天王星恰好南极对着太阳吗这南极部分明显看着就发白这颜色稍微要浅一点儿
当然了最浅的地方它不是在正南极而是在纬度 45 度到 50 度之间这一圈的颜色显得特别浅所以这就被称为天王星的极冠和伊犁那极冠可不是冰旅行者二号这次近距离观测还发现了天王星的十颗新卫星而且对其中的五颗主要卫星进行了详细的调查
天王星的卫星上那个火山活动还挺频繁的距离天王星越近它地质活动就越厉害
道理很简单嘛它距离近嘛承受天王星的引力潮汐就越剧烈嘛它内部热量就越多嘛热量越多它地质活动就越频繁嘛而且它表面一茬心因为天天火山爆发嘛这个旧地表都被压到下边去了当然了这些卫星的轨道面基本上也都在天王星的赤道平面上也就是说天王星不但自己躺下来了是连带着它的整个卫星系统跟着它一块都竖起来了
所以这些卫星的表面也和天王星一样半边脸要持续晒 42 年天卫一是天王星中最亮的一颗卫星上面有一条巨大的峡谷天卫二是天王星中最暗的一颗卫星上面有两块白斑而且天卫二的地质活动也相对比较少天卫三上就有白色的覆盖物可能上面下雪了或者是有冰块儿
这个家伙的地形地貌他是以断层和裂骨为主的
天卫四上有一片星螺起步的陨石坑和一座高 6400 米的高峰天卫五呢是天王星最有趣的卫星之一因为啊它的表面是凑齐了太阳系中许多卫星的特征它既有高山也有峡谷还有很多陨石坑还有很多环形山这个天卫五上还存在着非常独特的免撞地形这种地形是金星上也有这玩意它也凑齐了
当然了天王星的这几颗大卫星吧长得都比较黑主要是反照率太低这个天卫二的反照率呢是 0.2 天卫五呢是 0.35 这些卫星估计啊都是一半石头一半冰块的混合物都混合起来的有些卫星上呢有积雪那么反射率就会高一点
不过咱也别笑话人家咱们家那个月球啊它反照率只有 0.12 那什么因素会影响到反照率呢那就是卫星表面的老化程度这些天体表面的物质啊其实在高能粒子的轰击之下它是会被晒黑的呀那哪来这么多高能粒子隔三差五的就轰击天王星的这些卫星呢而且这还是个普遍现象啊因为天王星的卫星它是一个比一个黑呀
主要是因为天王星的磁层不太正常它无法凭借强大的磁场来屏蔽来自太阳风的高能粒子这下就出麻烦了天王星的磁场强度非常非常弱只有地球磁场强度的十分之一而且它的磁场方向和自转轴相差也比较大
磁轴偏离它的自转轴 55 度从而导致了一个非常不对称的磁层这种扭曲的无规则的磁场可能是由它巨大的海洋和岩芯缓慢搅动所引起的海王星的情况跟这个也差不多它那个磁场也是歪的所以有人就认为这是冰巨星的共同特点咱们地球的这个磁场是一个非常标准的欧几场
所谓偶极场就是条形磁铁那样南北极分明的磁场而且这个磁轴和自转轴相差不大要相差大了那指南针就不好使了你要产生这么一个标准的偶极场这个地球内部就必须有一个全局性的大发电机也就是说它必须有个全局性的大对流
但是冰巨星内部似乎就没有这么强的全球对流所以磁场呢就比较乱现在呢科学家们就利用计算机模拟发现了一种特殊现象那就是天王星内核里面下边那个海洋啊它是分上下层的上层啊是比较轻的水下层呢是比较重的那些碳氢化合物压缩以后的产物啦还有什么液氮啦反正就是混合物吧
它这上下两层啊就像油和水一样它是分层的而且呢彼此搅和都搅和不到一块去你都出分层啊你怎么对流啊这难怪磁场很弱啊而且还不规则
1977 年科学家们利用科伊博积载天文台观测到了天王星遮挡一颗普通恒星的过程这个科伊博积载天文台就是利用一架 C141 运输机改装了一个飞在空中的天文台它那个舱盖一打开能够架起一个望远镜本来科学家们是打算利用天王星挡住一颗普通恒星的机会来研究一下天王星的大气层
但是最后在记录的观测数据上他发现了蹊跷在天王星遮挡恒星之前他先来了几个脉冲那个闪了几次等到天王星遮挡结束他这个天王星已经都离开了然后他又记录到几个脉冲他又闪了几次仔细一看这两组脉冲还是轴向对称的
那么这个现象说明什么呢那就是天王星是存在光环的但在衍星的时候这个光环也在里边插了一脚它也参与了遮挡过程所以才会产生一前一后两组脉冲只是呢这个光环太弱了它难以观测你不可能用望远镜直接看见科学家们就从这些微弱的信号里面前前后后找到了天王星的九条光环
这些光环都被旅行者二号给拍到了而且数着数好像还有的多啊这旅行者二号又发现了两条新光环这天方星的光环呢就增加到了 11 条此后呢从哈勃望远镜拍摄的照片里面又找到了新光环反正前前后后从各种望远镜里面搜出来的天方星光环至少有 20 条了
这些光环主要是由冰和石块组成的它比较窄你跟土星那个又宽大又明亮的环就形成了鲜明对比了
人家土星光环里边全是冰颗粒它反光率高而且时不时那冰颗粒互相磕碰一下吧它表面脏东西都掉下去了所以土星环始终保持着非常高的反射率这个旅行者二号前前后后给天王星拍了七千多张照片然后就结束了对天王星的考察
想不走也不行啊他最后呢就留下了无数的未解之谜啊这到底是咋回事呢科学家一时还晕头转向的搞不清楚然后这个旅行者二号奔着海王星就过来了他路上慢慢把照片全都传回去他距离太远了通信速度太低传的很慢但是走到海王星啊还得好几年呢他足够这照片慢慢传回去了
一直到 1989 年的 8 月底这旅行者二号才抵达了海王星这也是旅行者号任务拜访的最后一颗大行星了既然是最后一锤子买卖了所以他也就不需要照顾什么未来的轨道了所以呢这个旅行者二号就特别靠近海王星它距离只有 4000 多公里
当初路过天王星的时候最近的距离也有八万多公里所以拍照片啊这个海王星要比天王星更清楚一点这个海王星啊是太阳系之中距离太阳最远的行星之一了它的体积和天王星差不多但是质量更大海王星大气主要也是由氢氦和甲烷组成的
甲烷含量说来呢是比其他地方高一点但也没高哪去总之跟天王星也是差不多吧所以呢海王星它也是蓝的但是目前我们看到的海王星照片啊蓝的比较过分那主要是当初那个照片颜色处理有问题
真实的海王星的颜色应该是跟天王星差不多的淡蓝色既然大家都是冰巨星内部结构应该也是差不多的这个海王星内部啊也可能存在着一个液态的海洋啊它深度也能达到好几千公里这个海洋从海王星的内核一直延伸到大气层的底部啊它也是混混合在一起了说不太清楚到底是液体还是气体然后呢它是覆盖整个海王星的它
海王星的海洋和大气之间的相互作用有可能对气候对磁场都产生重要的影响这个旅行者二号探测器发现这海王星上存在着太阳系中最强烈的风暴风速高达 2100 公里每小时
海王星的云顶温度大概是零下 200 度也是太阳系中最冷的地区之一跟这个天王星是伯仲之间吧尽管距离太阳很遥远这个海王星接收到的阳光光照啊比地球上微弱了 1000 倍但是海王星上却有着整个太阳系最强烈的风暴这很可能是因为海王星上的风暴能量来源不仅仅是太阳能
很可能还有内部的能量释放海王星内部释放出的能量是天王星的 2.6 倍而且海王星的内核很大比天王星的还要大另外呢因为海王星上的温度非常低流体的粘度会下降因此流动起来就更加顺畅而且湍流也会减少你看那个木星表面那叫一个花里胡哨啊其实全都是湍流在那打卷呢
所以你看那木星长得就跟那个木头纹特别像你再看海王星和天王星上它就没这么花瘦主要就是因为湍流少它纹路就显得特别的平滑平直海王星的大气层之内啊也存在着大量的气旋和反气旋因为海王星这个轴啊它还是长得比较正常的不像天王星横躺着啊
这些气旋和反气旋的形成呢与海王星内部的能量释放呢就关系比较密切了因为太阳不太给力海王星大气层中还存在着大量的甲烷冰云这些冰云在强风作用下就形成了各种复杂的天气现象海王星的风暴活动非常频繁科学家们通过观测发现呢这个海王星大气层之中存在着许多短命的风暴系统 AD
突然一刮然后又没了这些风暴系统的寿命只有几天到几周海王星上面最引人注目的一个特征就是一个大黑斑这也是一个巨大的风暴系统这个尺寸跟地球都差不多了这个大黑斑沿着中心轴是逆时针方向旋转
每转一圈需要十天然而呢 1994 年哈勃空间望远镜的观测显示这大黑斑呢没了啊这大黑斑竟然消失了几个月以后科学家们在海王星的北半球发现了一个新的黑斑这表明啊海王星的大气层变化非常的频繁这个大黑斑的寿命啊比较短它真的比不过木星上那个大红斑人家持续 300 年以上了是吧
本来科学家们也曾经想利用海王星衍星的机会探测一下海王星有没有光环但是最后没探测出来没什么结果现在旅行者二号千里迢迢亲自跑过来跑一趟终于确定了海王星的确也是有光环的只是太暗弱地面上看不见旅行者二号探测器发现了五条光环其中有三条比较暗两条比较亮
这些光环主要是由冰和尘埃组成的而且结构非常复杂可能跟附近轨道上的小行星的引力相互作用有关系海王星的光环系统啊比天王星的光环系统更复杂因为这些环居然是断断续续的比如说啊最外层的那个圆环叫亚当斯环这亚当斯也是海王星的发现者之一嘛用它来命名很顺理成章
这个环吧它分三节这三段分别叫做自由平等不爱你看把法国人的口号都怼上去了那么到底是什么原因导致这个光环分了段呢这还有待于科学家们去继续研究了这旅行者二号呢还发现了不少海王星的新卫星但大多数这个海王星的卫星体积都比较小而且长的都是那歪瓜裂枣它明显是被捕获的
比较大的只有海卫一、海卫二和海卫八海卫一是海王星最大的卫星其他的卫星加一块都没太大它也是太阳系中唯一一颗沿着行星自转方向逆行的大卫星而且海卫一表面温度极低为零下 240 度部分地区被水冰和雪覆盖了
而且他这个海维医生还经常下雪道理很简单因为这个海维医生啊存在着冰火山的活动这个冰火山呢时不时他就喷两口喷射出的那个冰冻的甲烷啦或者是氮冰颗粒啦他喷射高度可以达到 32 公里
而且海卫一的地质活动也非常的活跃表面有断层有高山有峡谷有冰川回头遇上个地震这些地方就全塌了海卫一上来经常闹地震
所以呢这个海卫一表面的特征就显得非常独特了它那有许多许多的陨石坑还有熔岩流形成的圆形坑还有什么冰丘还有平坦的火山平原以及大大小小的土石堆这些特征都表明啊海卫一的地质活动非常活跃可能存在着液态水和液态氮的海洋液氮好像很冷的样子
海卫一的发现为科学家们研究海王星的卫星系统提供了非常重要的线索旅行者二号拜访海卫一的过程就跟旅行者一号拜访泰坦是差不多的反正没有什么后续计划了咱们尽量能多绕一绕就多绕一绕咱能近一点就近一点反正未来的方向已经不需要去管它了
所以呢旅行者号就这么贴着皮的绕了一下海维伊然后就飞向更加遥远的星际空间了在未来几十年里这两颗探测器的传奇啊依然还在继续他们俩不在江湖但江湖上到处都是他俩的传说有关这档子事儿咱们下回再说科学声音