第十五章 太阳系的成员（10）
十、天王星
天王星体积巨大，是类木行星的一员。天王星的大气似乎含有大量的甲烷。可能正是由于存在这种气体，才使天王星呈现出它特有的淡绿色。
天王星在太阳系中独特的一点是，它的自转轴对黄道面的倾角是8度。这意谓着天王星实际上是躺在其轨道面上滚动的。另外，天王星也是自西向东自转，这一点是和金星唯一的共同之处。
1.偶然建立的功勋
1781年，威廉·赫歇尔发现了太阳系的第七颗大行星——天王星。因为发现天王星有功，他成了英国的贵族，并扬名于全世界，成为世界著名的天文学家。
其实，赫歇尔并不是一直从事天文工作的。他出生在德意志的汉诺威，最初是一个音乐家，17岁去英国，当富庭歌会的双簧管吹奏者。他一方面以音乐为生，一方面用功学习数学和物理。1774年，他亲手制成了一架望远镜，并且用它来观测星空。
天王星是他偶然发现的。这确是一项巨大的发现，为哥白尼学说提供了新的证据，是继哥白尼之后在太阳系研究上又一个新的里程碑。因为这一发现，他于1782年被选为英国国王手下的天文官。
2.躺着走路的星
在八大行星队伍里，天王星是第三号“巨人”。它的赤道半径26000公里，体积约是地球的65倍，质量和15个地球质量相当，仅次于木星和土星。
天王星的轨道位于土星轨道外面，到太阳的平均距离是29亿公里，约等于19个天文距离单位。由于离太阳远，接收太阳的光和热不到地球的3‰，因此，它的表面温度很低，平均温度是零下200摄氏度左右。
天王星自转的速度也很快，只要10小时49分钟就自转一周。可是，在围绕太阳公转的轨道上走得却很慢(每秒大约6．8公里)。因此，围着太阳转一圈需要84个地球年。
天王星也有一层稠密的大气，光谱分析证明，它的主要成分是氢、氮和甲烷。今天我们的观测还只限于大气的外层。这层大气的性状和其他更多的细节，都还很不清楚。至于大气的下面还隐藏着一些什么东西，甚至这个星球有没有一个固体的表面，都还一无所知。
天王星的自转与众不同，非常有趣。太阳系其它行星的赤道面和轨道面，都有不大的夹角，也就是说，它们是互相倾斜的，用句形象的话来说，它们是侧着身子转的。天王星却不同，天王星的自转轴和轨道面只有8度的夹角，好像躺着转动似的。
这样一种运动形式，使得天王星在一年当中，太阳轮流照射着它的南极和北极。这就使天王星上的昼夜和四季出现有趣的现象：当太阳照射到北极时，北半球是夏季，南半球是冬季。在夏季的时候，太阳永不落山，全是白天，没有黑夜。相反，在冬天的南半球，整天见不到阳光，全是黑夜，没有白天。当太阳照射到南极时，南半球是夏季，北半球是冬季。南半球整天被阳光照射，没有黑夜；北半球整天照不到阳光，没有白天。
不过，即使在阳光整天照射的夏天，天王星的表面温度也是很低的，一般在零下211摄氏度左右。
当太阳照射在它的赤道上时，天王星上也有昼夜的变化，不过这个昼夜出现的区域是相当狭小的，只出现在赤道南北各8度的区域。其他区域，要么是茫茫长夜，要么是漫长的白天，见不到昼夜替换。
天王星的自转周期，长期以来一直确定不下来。近年来，用光谱方法定出其自转周期为24小时，但“旅行者一2号”探测结果和这个数值又有不同。
天王星有浓密的大气，其主要成份是氢。据理论推测，氢的含量约是地球中氢含量的50倍。除了氢以外，还含有少量的甲烷、氨、氦和氖等气体。在大气层深处，覆盖着厚厚的云层。
在天王星表面有一层厚冰，冰层内部是个含金属铁的岩石核。人们把天王星表面的冰层称为天王星幔，它的主要成份是水冰和氨水。
3.光环和卫星
天王星也有光环，这是1977年3月10日中、美等国5个天文台在观测天王星掩星时发现的。它位于赤道面附近。起初，认为这个光环由5个同心环组成，由里向外的顺序是α环、β环、γ环、δ环和ε环。其中ε环最宽，是主环，宽度达100公里。其余4个环宽度在lO公里左右．而且彼此距离很远。后来又发现，在口环以内还有3个环，在β环和γ环之间还有1个环。1986年“旅行者一1号”初次访问天王星时，又发现了2个新环，至此，天王星周围已发现11个光环了，数量已经超过以光环闻名的土星。由于天王星环的宽度不大，所以在地球上从望远镜里无法直接看到它们的形状。1978年，美国天文学家用红外光拍下的天王星环照片表明，天王星环是由许多小固体块组成的，大概含有石块。
目前，天王星拥有27颗已知的天然卫星。天王星的卫星被分作三群：13颗内圈卫星、5颗主群卫星和9颗不规则卫星。内圈卫星为暗黑色的小天体，并和天王星环有着相同的属性和来源。5颗主群卫星的质量足够大，能使自身坍缩成近球体；其中4颗显示出内部的活动的痕迹，如形成峡谷和火山喷发。天卫三是当中最大的，其直径有1578公里，为太阳系第8大卫星，质量比地球的卫星月球小20倍。天王星不规则卫星的轨道离心率和轨道倾角都很高（大部分为逆行），并且距离天王星很远。
天卫三和天卫四是1787年由赫歇耳发现的；天卫一和天卫二是1851年由拉塞尔发现的。天卫五迟迟不肯露面，直到1948年才被凯珀发现。另外有10颗小卫星，则是1986年由“旅行者一2号”访问天王星时在空间观测到的。天卫五、天卫一、天卫二、天卫三和天卫四到天王星中心的距离分别是130000公里、192000公里、267000公里、438000公里和586000公里，公转周期分别是1．414天、2．520天、4．144天、8．706天和13.463天。它们都在近圆形轨道上绕天王星运行，轨道面和天王星赤道面交角很小。它们是规则卫星。
关于天王星光环和卫星的成因众说纷纭，至今还没有明确的定论。
4.“旅行者2号”的发现
1986年l月，“旅行者2号”飞船初次访问天王星。从1月10日至2月25日，先后对天王星观测了46天。考察的内容有大气层、磁层、卫星和光环。它依次进入天王星磁层，飞临天卫三、天卫一、天卫五、天卫二，穿过光环平面。旅行者2号在天王星上空取得了一系列新发现，除上面叙述的光环和卫星外，还发现了天王星有类似木星和土星的磁层和辐射带，其磁轴与自转轴夹角为55度；测量了天王星大气的温度轮廓、压力随温度的变化以及赤道到两极的温度分布；探测了天王星电离层的射电变化，测出天王星有极光，而且电辉光与气辉光之比为7：3；重新测定了天王星的自转周期，新测定的自转周期值是16．8小时；探测出天王星本体由大气、海洋和熔岩核心组成，其中大气占半径的二分之一，海洋和核心各占半径的四分之一；考察了5个大卫星的地形，发现天卫五表面具有极其复杂的地貌。
知识点：甲烷
甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用作燃料及制造氢气、碳黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。化学符号为CH4。
甲烷是无色、无味、可燃和微毒的气体。甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。甲烷溶解度很小，在20℃、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷。同时甲烷燃烧产生明亮的蓝色火焰，然而有可能会偏绿，因为燃甲烷要用玻璃导管，玻璃在制的时候含有钠元素，所以呈现黄色的焰色，甲烷烧起来是蓝色，所以混合看来是绿色。
天然气的主要成分是甲烷，可直接用作气体燃料
甲烷高温分解可得炭黑，用作颜料、油墨、油漆以及橡胶的添加剂等;氯仿和CCl4都是重要的溶剂。
甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。
甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时远离，可致窒息死亡。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。
延伸阅读
旅行者2号（Voyager 2）是一艘于1977年8月20日发射的美国国家航空航天局无人宇宙飞船。它与其姊妹船旅行者1号基本上设计相同。不同的是旅行者2号循一个较慢的飞行轨迹，使它能够保持在黄道（即太阳系众行星的轨道水平面）之中，藉此在1981年的时候透过土星的引力加速飞往天王星和海王星。正因如此，它并没有像它的姊妹旅行者1号一样能够如此靠近土卫六。但它因此而成为了第一艘造访天王星和海王星的宇宙飞船，完成了藉这个176年一遇的行星几何排阵而造访四颗行星的机会。
旅行者2号被认为是从地球发射的太空船中最多产的一艘宇宙飞船。皆因在美国国家航空航天局对其后的伽利略号和卡西尼-惠更斯号等的计划上收紧花费之下，它仍能以强大的摄影机及大量的科学仪器造访四颗行星及其卫星。
旅行者2号在1979年7月9日最接近木星，在距离木星云顶570,000公里（350,000英里）处略过。这次拜访多发现了几个环绕木星的环，并拍摄了一些木卫一的照片，显示其火山活动。
旅行者2号在1981年8月25日最接近土星。当太空船处于土星后方时（相对地球而言），它以雷达对土星的大气层上部进行探测，并量度了气温及密度等资料。旅行者2号发现高层位置（气压相当于7百帕时）的气温为70K（三3°C），而在低层位置（气压相当于120百帕）则量度出143K（ㄢ30°C）。北极会多冷10K，但仍会出现季节性变化。
略过土星后，船上的拍摄平台有点卡住了，使前往天王星和海王星的任务产生变量。幸好，地面的工作人员最终把问题解决，那是因为过度使用而令润滑油暂时耗尽。最终太空船仍是接到继续前进的指令，前往天王星。
旅行者2号在1986年1月24日最接近天王星，并旋即发现了10个之前未知的天然卫星。另外太空船亦探测了天王星由其自转轴倾斜97.77°原故而独特的大气层，并观察了他的行星环系统。在这首次的略过之中，最接近天王星时只距离天王星的云层顶部81,500公里（50,600英里）而已。
旅行者2号在1989年8月25日最接近海王星。由于这是旅行者2号最后一颗能够造访的行星，所以决定将它的航道调校至靠近一点海卫一，不再理会飞行轨迹，就像旅行者1号完成造访土星后不理飞行轨迹靠近一点土卫六进行研究一样。
在2006年9月5日，旅行者2号正处于距离太阳80.5个天文单位（太约相等于12太米）左右，深入于黄道离散天体之中，并正以每年3.3天文单位的速度前进。在这个距离是太阳与冥王星之间的距离两倍，并比塞德娜的近日点较远，但仍未超越厄里斯的轨道最远处。
旅行者2号将会继续传送讯号直至2020年代为止。