6.天王星的大气层

虽然在天王星的内部，没有明确的固体表面，天王星最外面的气体包壳，也就是被称为大气层的部分，却很容易以遥传感量。遥传感量的能力，可以从1帕之处为起点向下深入至300千米，相当于100帕的大气压力和320开的温度。稀薄的晕，从大气压力1帕的表面向外延伸扩展至半径两倍之处。天王星的大气层，可以分为三层：对流层，从高度1300～50千米，大气压100～0.1帕；平流层（同温层），高度50～4000 千米，大气压力0.1～10 帕；增温层/晕，从4000 千米向上延伸至距离表面50000千米处。天王星没有中气层（散逸层）。

天王星

（1）天王星的成分

天王星大气层的成分和天王星整体的成分不同，主要是氢分子和氦。氦的摩尔分数，这是每摩尔中所含有的氦原子数量，是0.15±0.03；在对流层的上层，相当于0.26± 0.05质量百分比。这个数值很接近0.275±0.01的原恒星质量百分比。在天王星的大气层中，含量占第三位的是甲烷。甲烷在可见和近红外的吸收带，为天王星制造了明显的蓝绿或深蓝的颜色。在大气压力1.3帕的甲烷云顶之下，甲烷在大气层中的摩尔分数是2.3%，大约是太阳的20～30倍。混合的比率在大气层的上层，由于极端的低温，降低了饱和的水平并且造成多余的甲烷结冰。对低挥发性物质的丰富度，像是氨、水和硫化氢，在大气层深处的含量人们所知有限，但是大概也会高于太阳内的含量。除甲烷之外，在天王星的上层大气层中，可以追踪到各种各样微量的碳氢化合物。它们被认为是太阳的紫外线辐射，导致甲烷光解产生的，包括乙烷、乙炔、甲基乙炔、联乙炔。光谱也揭露了水蒸气的踪影，一氧化碳和二氧化碳在大气层的上层，但可能只是来自于彗星和其他外部天体的落尘。

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（2）天王星的对流层

对流层是大气层最低和密度最高的部分，温度随着高度的增加而降低，温度从有名无实的底部大约320K降低至53 K，高度从300千米降低至50千米。但对流层顶实际的最低温度，在49～57K，依在行星上的高度来决定。对流层顶是行星的上升暖气流辐射远红外线最主要的区域，由此处测量到的有效温度是59.1±0.3K。

对流层应该还有高度复杂的云系结构，水云被假设在大气压力50～100帕，氨氢硫化物云在20～40帕，氨或氢硫化物云在3～10帕，最后是直接侦测到的甲烷云在1～2 帕。对流层是大气层内动态非常充分的部分，展现出强风、明亮的云彩和季节性的变化。

（3）上层大气层

天王星大气层的中层是平流层，此处的温度逐渐增加，从对流层顶的53K上升至增温层底的800～850K。平流层的加热，来自于甲烷和其他碳氢化合物吸收的太阳紫外线和红外线辐射，大气层的这种形式是甲烷的光解造成的。来自增温层的热，也许也值得注意。碳氢化合物相对来说，只是很窄的一层，高度在100～280千米，相对于气压是10～0.1微帕，温度在75～170K。含量最多的碳氢化合物是乙炔和乙烷，与甲烷和一氧化碳的混合比率相似。更重的碳氢化合物、二氧化碳和水蒸气，在混合的比率上还要低三个数量级。乙烷和乙炔在平流层内，温度和高度较低处与对流层顶，倾向于凝聚而形成数层阴霾的云层，那些也可能被视为出现在天王星上的云带。然而，碳氢化合物集中在天王星平流层阴霾之上的高度，比其他类木行星的高度要低，是值得注意的。

天王星大气层的最外层，是增温层或晕，有着均匀一致的温度，在800～850 K。目前科学家仍不了解是何种热源支撑着如此的高温，虽然低效率的冷却作用和平流层上层的碳氢化合物也能贡献一些能源，但即使是太阳的远紫外线和超紫外线辐射，或是极光活动都不足以提供所需的能量。此外，氢分子和增温层与晕，拥有大比例的自由氢原子，它们的低分子量和高温，可以解释为何晕可以从行星扩展至50000千米，是天王星半径的两倍远。这个延伸的晕，是天王星的一个独有的特点。它的作用，包括阻挠环绕天王星的小颗粒，导致一些天王星环中尘粒的耗损。天王星的增温层和平流层的上层，对应着天王星的电离层。观测显示，电离层占据2000～10000千米的高度。天王星电离层的密度比土星或海王星高，这可能肇因于碳氢化合物在平流层低处的集中。电离层是承受太阳紫外线辐射的主要区域，它的密度也依据太阳活动而改变。极光活动，不如木星和土星的明显和重大。

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