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Urano (astronomía)

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Urano
Urano2.jpg
Fotografía de Urano hecha por la sonda Voyager 2 en 1986
Estrella madre sol
Descubrimiento 13 de marzo de 1781 [1]
Descubridor William Herschel [1]
Clasificación Gas gigante
Parámetros orbitales
(en el momento J2000.0 )
Semieje mayor 2872,46 × 10 6 kilometros
19,2012 au [1]
Perihelio 2741,3 × 10 6 kilometros
18.324 au [1]
[2]
Afelio 3 003,62 × 10 6 kilometros
20.0780 au [2]
Circum. orbital 18 029 000 000 km
120,52 au [2]
Periodo orbital 84.011 años [1]
Período sinódico 369,66 días [1]
Velocidad orbital 6,49 km / s [1] (min)
6,80 km / s [1] (promedio)
7,11 km / s [1] (máx.)
Inclinación
en la eclíptica		 0,76986 ° [1]
Excentricidad 0.0457 [1]
Longitud de
nodo ascendente		 74,22988 ° [1]
Argom. del perihelio 96,541 ° [3]
Satélites 27 [1]
Anillos 13 [4]
Datos físicos
Equat. Diámetro 51 118 km [1]
Diámetro polar 49 946 kilometros [1]
Aplastante 0.02293 [1]
Superficie 8.1156 × 10 9 km² [3]
Volumen 6833 × 10 10 km³ [1]
Masa
86,813 × 10 24 kg [1]
Densidad media 1.271 × 10 3 kg / m³ [1]
Aceleración de gravedad en la superficie 8,69 m / s² [1]
(0,889 g) [1]
Velocidad de escape 21,3 km / s [1]
Período de rotación 0,71833 días
(17 h 14 min 24 s)
(retrógrado)
Velocidad de rotacion
(en el ecuador)		 2590 m / s
Inclinación axial 97,77 °
AR polo norte 77,31 ° (5 h 9 min 15 s)
Declinación 15.175 °
Temperatura a
cima de las nubes		 55 K (−218,2 ° C) (promedio)
Temperatura
superficial		 59 K (−214,2 ° C ) (mínimo)
68 K (−205,2 ° C) (promedio)
Presión atm 1200 hPa
(a nivel de nube)
Albedo 0,65
Datos de observación
Aplicación Magnitude. 5.32 - 5.5 [1]
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Urano es el séptimo planeta del sistema solar en orden de distancia al Sol , el tercero por diámetro y el cuarto por masa . Su símbolo astronómico Unicode es U + 26E2 [5] ( Símbolo de Urano.svg ) (ocasionalmente ♅ [6] , estilización de la inicial H de William Herschel ). Lleva el nombre del dios griego del cielo Urano (Οὐρανός en griego antiguo ), padre de Cronos ( Saturno ), a su vez padre de Zeus ( Júpiter ).

Aunque también es visible a simple vista , como los otros cinco planetas conocidos desde la antigüedad , hasta el siglo XVIII no fue reconocida como tal y considerada una estrella debido a su bajo brillo y su órbita particularmente lenta [7] y fue identificada como algo más que una estrella recién el 13 de marzo de 1781 por William Herschel . Una curiosidad de su descubrimiento es que llegó completamente inesperado: los planetas visibles a simple vista (hasta Saturno ) se conocían desde hacía milenios y nadie sospechaba de la existencia de otros planetas, hasta el descubrimiento de Herschel, quien advirtió que un particular la tenue estrella parecía moverse. A partir de entonces, nadie estuvo más seguro del verdadero número de planetas de nuestro sistema solar.

La composición química de Urano es similar a la de Neptuno pero diferente a la de los gigantes gaseosos más grandes ( Júpiter y Saturno). Por esta razón, los astrónomos a veces prefieren referirse a Urano y Neptuno como una clase separada, los " gigantes congelados ". La atmósfera del planeta , aunque similar a la de Júpiter y Saturno debido a la abundante presencia de hidrógeno y helio , contiene una alta proporción de " hielos ", como agua , amoniaco y metano , junto con trazas de hidrocarburos . [8] Urano es también la atmósfera más fría del sistema solar, con una temperatura mínima que puede descender hasta 49 K (-224,2 ° C). Tiene una estructura compleja de nubes bien estratificadas, donde se piensa que el ' agua se encuentra en las capas inferiores y el metano en las de mayor altitud. [8] El interior del planeta, por otro lado, estaría compuesto principalmente por hielo y rocas . [9]

Una de las características más inusuales del planeta es la orientación de su eje de rotación . Todos los demás planetas tienen su propio eje casi perpendicular al plano de la órbita, mientras que el de Urano es casi paralelo. Luego gira exponiendo uno de sus polos al Sol durante la mitad del período de revolución , lo que resulta en fases estacionales extremas. [10] Además, dado que el eje está inclinado un poco más de 90 °, la rotación es técnicamente retrógrada : Urano gira en la dirección opuesta a la de todos los demás planetas del sistema solar (excepto Venus ) aunque, dada la excepcionalidad del inclinación, la rotación retrógrada es sólo una nota menor. El período de su revolución alrededor del Sol es de unos 84 años terrestres. La órbita de Urano se diferencia muy poco de la eclíptica (tiene una inclinación de 0,7 °).

Como los otros planetas gigantes, Urano posee un sistema de anillos planetarios , una magnetosfera y numerosos satélites ; visto desde la Tierra , debido a la inclinación del planeta, sus anillos a veces pueden aparecer como un sistema concéntrico que rodea al planeta, o, como en 2007 y 2008 , aparecer como borde. En 1986, la sonda Voyager 2 mostró a Urano como un planeta sin marcas distintivas en su superficie, sin las bandas y tormentas típicas de otros gigantes gaseosos. [10] Sin embargo, observaciones posteriores desde la Tierra han mostrado evidencia de cambios estacionales y una mayor actividad climática a medida que el planeta se acercaba al equinoccio .

Observación

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: observación de Urano .
Tránsito de Ariel en el disco del planeta, en 2007 . Imagen tomada por el telescopio espacial Hubble

El planeta exhibe fluctuaciones de brillo bien documentadas causadas tanto por cambios físicos en la atmósfera como por factores geométricos y de perspectiva. El brillo de Urano está influenciado por su distancia al Sol, su distancia a la Tierra y la vista particular que ofrece a nuestro planeta: Urano aparece un poco más grande [11] y más brillante cuando muestra las regiones polares a la Tierra. Además, se ha identificado una correlación entre la actividad solar y el brillo del planeta: durante los períodos de intensa actividad solar, las fluctuaciones en el brillo del planeta son más pronunciadas. [12]

Entre 1995 y 2006 la magnitud aparente de Urano varió al fluctuar entre +5,5 y +6,0, situándolo justo por encima del límite de visibilidad a simple vista , alrededor de +6,5. [13] Por el contrario , es visible como una estrella tenue cuando el cielo está oscuro y también se puede observar en un entorno urbano utilizando binoculares ; Los binoculares son más apropiados que los telescopios para la observación de aficionados, ya que permiten reconocer más fácilmente los patrones de las estrellas cercanas para la ubicación del planeta. [14] Desde la Tierra tiene un diámetro angular de entre 3,4 y 3,7 segundos de arco . Con un telescopio de 100 aumentos es posible vislumbrar la forma de un disco, hasta 500 × donde alcanza las dimensiones angulares de la Luna . Incluso usando grandes telescopios no es posible ver ningún detalle de su disco. En cualquier caso, infrarrojos observaciones de su ambiente mediante el uso de óptica adaptativa y el telescopio espacial Hubble han notificado datos interesante en los diversos años después del paso de la Voyager 2 sonda . [15]

Observar los satélites del planeta es difícil. Oberon y Titania se pueden detectar con un telescopio de 8 " , en un cielo particularmente oscuro. Las aperturas de 12-14" y 16 "deberían permitir la detección de Ariel y Umbriel respectivamente. Miranda solo se puede observar con telescopios grandes. [12]

Historia de observaciones

Descubrimiento y elección de nombre

Urano es el primer planeta descubierto en los tiempos modernos; se había observado en muchas ocasiones antes, pero siempre se confundía con una estrella . La primera observación documentada es la de 1690 de John Flamsteed , quien la catalogó como la estrella 34 de la constelación de Tauro . Flamsteed observó a Urano dos veces más, en 1712 y 1715 . James Bradley lo observó en 1748 , 1750 y 1753 , Tobias Mayer en 1756 . Pierre Charles Le Monnier lo observó cuatro veces en 1750 , dos en 1768 , seis en 1769 y una última vez en 1771 . [16] Este último, si hubiera elaborado meticulosamente sus observaciones, podría haber reconocido el propio movimiento del objeto, pero fue víctima de su propio trastorno: una de sus observaciones se encontró marcada en un papel de envolver utilizado para almacenar el polvo facial para cabello. [17] Estos astrónomos no sospechaban la existencia de otros planetas además de Saturno , simplemente porque nadie lo había considerado nunca.

William Herschel

Urano fue descubierto por accidente por Sir William Herschel el 13 de marzo de 1781 , [18] cuando notó que una estrella anónima parecía moverse por el cielo. Herschel, sin embargo, inicialmente no reconoció un planeta en el objeto que había observado: no hizo pública la noticia hasta el 26 de abril de 1781 , registrándolo como un cometa [19] ( Relato de un cometa por el Sr. Herschel, FRS; comunicado por el Dr. Watson, junio de Bath, FRS, Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres, volumen 71, págs. 492-501).

Herschel originalmente le dio el nombre de Georgium Sidus (estrella de George) en honor al rey de Gran Bretaña George III . En 1783, cuando se demostró que era un planeta, [20] Herschel lo rebautizó como Planeta Georgiano (planeta de George). Sin embargo, el nombre no fue aceptado fuera de Gran Bretaña. Jérôme Lalande propuso, en 1784 , llamarlo Herschel y también creó el símbolo del planeta (un globo coronado por la inicial H ); su propuesta fue fácilmente aceptada por los astrónomos franceses. Erik Prosperin , de Uppsala , propuso los nombres de Astrea , Cybele y Neptune (ahora en manos de dos asteroides y un planeta, respectivamente: 5 Astraea , 65 Cybele y Neptune ). Anders Johan Lexell , de San Petersburgo , propuso el nombre de Neptuno de Jorge III y Neptuno de Gran Bretaña como compromiso. Daniel Bernoulli , de Berlín , sugirió Hypercronius y Transaturnis . Georg Christoph Lichtenberg , de Gotinga , apoyó a Astrea, la diosa mencionada por Ovidio ( Metamorfosis I: 150 ) que dejó la Tierra por última vez (tradicionalmente asociada con la Virgen ). También se propuso el nombre de Minerva . [21] Finalmente, Johann Elert Bode , como editor del Berliner Astronomisches Jahrbuch , optó por Urano . Maximilian Hell utilizó este nombre en las primeras efemérides publicadas en Viena . Al observar las publicaciones de los Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society desde 1827, se observa que el nombre Urano ya era el más utilizado por los astrónomos británicos. El nombre asignado por el descubridor fue utilizado ocasionalmente y solo por algunos británicos. La última en incorporar el nombre de Urano fue la Oficina de Almanaque Náutico de Su Majestad en 1850 .

Después del reconocimiento de Urano como planeta, se hizo posible la hipótesis de la existencia de otros planetas en el sistema solar que nunca antes se habían buscado. En particular, este descubrimiento parecía una confirmación más de la ley de Titius-Bode , una fórmula empírica para determinar los ejes semi-mayores de los planetas que orbitan alrededor del Sol, y provocó accidentalmente a los astrónomos veinte años más tarde a buscar y encontrar un nuevo cuerpo celeste entre los dos planetas. órbitas de Júpiter y Marte: Ceres . [22]

Siglo XX y XXI

Las observaciones de Urano con telescopios desde la Tierra y en órbita se ven dificultadas por la distancia del planeta a la Tierra; no permiten revelar muchos detalles, como ocurre en cambio con los planetas más cercanos. Después del descubrimiento inicial, hubo pocas observaciones que llevaron a descubrimientos importantes.

En 1948, Kuiper descubrió Miranda, la última y más pequeña de las cinco grandes lunas esféricas de Urano, [23] utilizando un telescopio óptico de dos metros. [24] En 1977, Elliot y Mink descubrieron un sistema de anillos a través de un observatorio volador. [25] Desde 2003, las observaciones del Telescopio Espacial Hubble han hecho posible identificar elementos adicionales, como más detalles sobre los anillos, [26] nuevas lunas pequeñas [27] y elementos de la atmósfera. [28] La observación infrarroja de los telescopios Keck en 2014 permitió detectar tormentas grandes y duraderas en la atmósfera. [29]

Misiones espaciales

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: exploración de Urano .
Última imagen de Urano tomada por la Voyager 2 cuando pasó el planeta para continuar hacia Neptuno

La exploración de Urano se llevó a cabo únicamente por medio de la Voyager 2 de la sonda y no hay misiones de exploración adicionales en el sitio Actualmente se están planificando. Para superar la falta de información directa, las variaciones en la atmósfera del planeta se estudian a través de campañas de observación telescópica, en particular utilizando la Cámara Planetaria de Campo Amplio a bordo del Telescopio Espacial Hubble . [30] [31]

La exploración de Urano, así como la de Neptuno , se ve dificultada por las grandes distancias que separan al planeta de la Tierra y el Sol. Cada misión debe estar equipada con un sistema de energía capaz de suministrar energía a la sonda sin la posibilidad de conversión de energía solar mediante el uso de paneles fotovoltaicos . Actualmente, la única fuente de energía viable es un generador termoeléctrico de radioisótopos .

Después de la misión Voyager, las principales agencias espaciales han concentrado sus recursos durante décadas en la exploración de los sistemas de Júpiter y Saturno , [32] , mientras que el estudio de Urano y Neptuno no se consideró una prioridad. Las propuestas de misiones a Urano se encuentran en fase de evaluación científica y no comenzarán antes de 2020; entre las principales en estudio se encuentran la misión europea MUSE [33] y la misión estadounidense OCEANUS ; [34] para un futuro lejano, por otro lado, se propone una misión europea con dos sondas gemelas para Urano y Neptuno, ODINUS , [35] para 2034, y una en colaboración con NASA-ESA para 2037, Uranus Pathfinder . . [36]

El sobrevuelo de la Voyager 2

La sonda Voyager 2 alcanzó su aproximación más cercana al planeta el 24 de enero de 1986 , a una distancia de aproximadamente 81 500 km . Las observaciones duraron solo seis horas, pero permitieron a los astrónomos aprender mucho más sobre Urano de lo que habían aprendido en más de 200 años de observación desde la Tierra. [37]

Sin embargo, los primeros análisis realizados sobre los datos fueron una gran decepción: no se encontraron bandas paralelas ni nubes, al contrario de lo que se había observado desde la Tierra. La atmósfera azul verdosa era uniforme y carecía por completo de detalles. Fue solo gracias a un tratamiento de las imágenes que aparecieron tanto las nubes como las demás formaciones.

La sonda descubrió lunas nuevas, envió las primeras imágenes de los anillos a la Tierra y también descubrió actividad geológica en las lunas principales: depósitos oscuros en el fondo de los cráteres de hielo indicaban la presencia de agua sucia debido a la actividad volcánica. [10]

Parámetros orbitales y de rotación

Urano gira alrededor del Sol en 84 años terrestres. Su distancia media del Sol es de unos 3.000 millones de kilómetros (unas 19 UA). La intensidad de la luz solar en Urano es, por tanto, aproximadamente 1/400 de la de la Tierra. Los elementos orbitales fueron calculados por primera vez en 1783 por Pierre Simon Laplace . Las discrepancias entre la órbita predicha y la observada llevaron a John Couch Adams en 1841 a creer que se debía a la influencia gravitacional de otro planeta más allá de Urano. [38] [39] En 1845 Urbain Le Verrier comenzó su búsqueda de otro planeta en las proximidades de la órbita de Urano. El 23 de septiembre de 1846, Johann Galle descubrió un nuevo planeta, más tarde llamado Neptuno, en la posición predicha por Le Verrier. [40]

El período de rotación de Urano es de 17 horas y 14 minutos, en sentido retrógrado . Como en todos los planetas gigantes gaseosos , su atmósfera superior está sujeta a fuertes vientos que tienen la misma dirección de rotación. En algunas latitudes, como unos 60 grados al sur, la atmósfera visible gira mucho más rápido que el planeta, completando una rotación en menos de 14 horas. [41]

Inclinación axial

Urano con anillos y satélites
Inclinación axial de gigantes gaseosos

La principal peculiaridad de Urano radica en la inclinación de su eje , que mide 97,77 ° con respecto al plano de la órbita; por lo tanto, el eje de rotación de Urano se encuentra casi en su plano orbital. En consecuencia, cada uno de los dos polos se dirige hacia el Sol durante la mitad de la órbita, y durante la siguiente mitad de la órbita cae en la zona de sombra. En el tramo intermedio en la inversión de los dos polos con respecto al Sol, este asciende y se pone alrededor del ecuador , como sucede en la mayoría de los otros planetas. [42]

El polo sur de Urano fue dirigida hacia el Sol en el momento de la Voyager 2 fly-by en 1986, resultando totalmente iluminada. Ese polo se define como "sur" según las convenciones de la Unión Astronómica Internacional que define el polo norte de un planeta o satélite como el polo que apunta "por encima" del plano del sistema solar, independientemente de la dirección de rotación del planeta. planeta. [43] [44] Un resultado de esta extraña orientación es que las regiones polares de Urano reciben más energía del Sol que las regiones cercanas al ecuador. No obstante, Urano es más cálido en el ecuador que en los polos debido a algún factor actualmente desconocido. [45]

También parece que la extrema inclinación del eje de rotación de Urano tiene importantes consecuencias meteorológicas como la extremeización de las estaciones. Durante el viaje de la Voyager 2, las nubes de Urano eran extremadamente débiles y suaves, mientras que las observaciones más recientes realizadas a través del Telescopio Espacial Hubble, que datan de 2005 , cuando la inclinación del eje estaba llevando el ecuador en dirección perpendicular al Sol, han detectado una presencia mucho más pronunciada y turbulenta que entonces. [46]

La razón de la inusual inclinación axial de Urano no se conoce con certeza. En el pasado se pensaba que durante la formación del sistema solar un protoplaneta con el doble de masa que la de la Tierra colisionó con el planeta haciendo que su eje "girara". Sin embargo, esta hipótesis no explicaría por qué las lunas principales de Urano también tienen un eje de rotación de 98 ° como el planeta y, en cambio, no han conservado sus órbitas originales. Posteriormente se pensó en una serie de impactos, en lugar de uno solo, para justificar la orientación de los satélites, pero esto resultó ser incompatible con el modelo de Niza . [47] Una simulación más reciente y compleja [48] apoyaría la teoría del impacto con un protoplaneta. El objeto, con el doble de masa que la de la Tierra, habría golpeado a Urano con la suficiente violencia como para cambiar su inclinación, pero no de tal manera que comprometiera su atmósfera. [49] También se plantea la hipótesis de que, tras la colisión, este material, precipitándose en el interior del planeta, habría perturbado su campo magnético descentralizándolo y que los escombros en órbita, agrupados en trozos de hielo y roca derretidos, habrían formado posteriormente algunos de las veintisiete lunas de Urano. La colisión también pudo haber alterado la rotación de todas las lunas que ya existían en el momento del impacto. [50]

Características físico-químicas

Composición

El modelo estándar de la estructura de Urano prevé la división en tres capas: la capa rocosa (silicatos, hierro, níquel) en el centro, un manto helado en el medio y una capa gaseosa compuesta de hidrógeno y helio en el exterior. [51] El núcleo es relativamente pequeño, con una masa de apenas 0,55 M ⊕ y un radio de menos del 20% del radio total, mientras que el manto tiene una masa 13,4 veces mayor que la de la Tierra. La atmósfera exterior tiene una masa de apenas 0,5 M ⊕ pero constituye el 20% del radio de Urano. [51] La densidad del núcleo de Urano es de unos 9 g / cm³, con una presión en el centro de 8 millones de bares y una temperatura de unos 5.000 K. El manto no está hecho de hielo en el sentido convencional del término, sino más bien de un líquido que contiene agua, amoníaco y otras sustancias volátiles. [52] Las composiciones de Urano y Neptuno son bastante diferentes de las de Júpiter y Saturno , con una prevalencia de materiales congelados sobre gases, [53] y por esta razón a veces se clasifican como " gigantes de hielo ". [54]

Aunque el modelo citado anteriormente es el que se considera estándar, existen otros modelos posibles, sin embargo, los datos actualmente disponibles no permiten a los científicos determinar qué modelo es el correcto. [55]

Masa y dimensiones

El tamaño de Urano en comparación con el de la Tierra.

La masa de Urano es aproximadamente 14,5 veces mayor que la de la Tierra , lo que lo convierte en el menos masivo de los planetas gigantes, a pesar de que su diámetro, unas cuatro veces el de la Tierra, es un poco más grande que el de Neptuno. Con una densidad de 1,27 g / cm³, Urano es el segundo planeta menos denso del sistema solar, después de Saturno. [56] Su densidad indica que Urano está compuesto principalmente de agua congelada, amoníaco y metano . [51] La masa total de hielo interno de Urano no se conoce con precisión, porque surgen algunas diferencias según el modelo elegido; debe estar entre 9,3 y 13,5 masas terrestres. El hidrógeno y el helio constituyen solo una pequeña parte de la masa total, 0,5 y 1,5 masas terrestres respectivamente. El resto de la masa no congelada (0,5 a 3,7 masas terrestres) está formada por material rocoso. [51]

Estructura interna

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Estructura interna de Urano .

Urano no tiene una corteza sólida: el gas atmosférico se vuelve más y más denso a medida que avanza hacia el interior y se convierte gradualmente en líquido. [51] En estos casos se adopta la convención de considerar como superficie del cuerpo el punto donde la presión atmosférica es igual a 1 bar. Al adoptar esta convención, el radio ecuatorial y el radio polar de Urano son respectivamente iguales a 25 559 ± 4 y 24 973 ± 20 km. Por tanto, tiene la forma de un esferoide achatado . [57]

Urano (como Neptuno ) tiene una estructura interna solo parcialmente similar a la de Júpiter y Saturno porque no tiene un manto de hidrógeno metálico líquido que, en cambio, está presente en los dos gigantes gaseosos gracias a las enormes presiones que ejercen sobre sus partes internas. Urano, de menor masa, no ejerce suficiente presión para formar una capa compuesta de esta materia degenerada . [58] El núcleo rocoso de Urano es relativamente pequeño y no muy masivo; además, se diferencia del de Neptuno y de los demás planetas gigantes porque dispersa poco calor: en términos astronómicos tiene un flujo térmico bajo . El flujo de calor de Urano es de solo 0.042 ± 0.047 W / m², que es menor que el flujo de calor interno de la Tierra de aproximadamente 0.075 W / m². [59] . En consecuencia, el calor irradiado por Urano en la banda del infrarrojo lejano del espectro es solo 1.06 ± 0.08 veces la energía solar absorbida en su atmósfera. [59] [60] A modo de comparación, Neptuno irradia 2,61 veces más energía al espacio de la que recibe del Sol. [61] La baja radiación térmica del interior convierte a Urano en el planeta más frío del sistema solar: la temperatura más baja registrada en su tropopausa es 49 K (-224 ° C). [59] [60]

No está claro exactamente por qué Urano irradia tan poca energía hacia el exterior. Una de las hipótesis planteadas para explicar esta diferencia con otros gigantes gaseosos es que, cuando Urano fue golpeado en el impacto con el cuerpo que provocó su peculiar inclinación axial, se expulsó la mayor parte del calor interno original, reduciendo significativamente la temperatura central. [62] Otra hipótesis es que existe algún tipo de barrera en las capas superiores que evita que el calor del núcleo llegue a la superficie. [51] Por ejemplo, puede haber convección entre capas de diferentes composiciones, lo que inhibe el transporte de calor al exterior. [59] [60]

Atmósfera

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Atmósfera de Urano .

La atmósfera está compuesta por hidrógeno (83%), helio (15%), metano (2%) y con trazas de agua y amoniaco . [63] Las capacidades de los instrumentos de detección permiten alcanzar una profundidad de unos 300 km por debajo de la superficie convencional de Urano (es decir, el punto donde la presión mide 1 bar ) asumido como altimétrico cero. A esa profundidad hay una presión de 100 bar y una temperatura de 320 K. [64] La atmósfera se puede dividir en tres capas: la troposfera , a una altitud entre -300 km bajo cero y 50 km, con presiones que oscilan entre 100 y 0,1 bar (10 MPa a 10 kPa), la estratosfera , en altitudes entre 50 y 4 000 km y presiones entre 0,1 y 10-10 bar (10 kPa a 10 Pa), y la termosfera / corona, que se extiende desde 4 000 km 50 000 km sobre la superficie. [60]

El color cian del planeta se debe a la presencia de metano en la atmósfera , que absorbe la luz roja y refleja el azul . [65] La temperatura de la superficie de las nubes que cubren Urano es aproximadamente 55 K ( −218 ° C ). Urano está tan lejos del Sol que el rango de temperatura entre el verano y el invierno es casi nulo. [66]

Troposfera

Perfil de temperatura de la troposfera de Urano y la estratosfera inferior. También se muestran las capas de nubes y neblina.

La troposfera es la región más baja y más densa de la atmósfera y se caracteriza por una temperatura decreciente con la altura. [60] La nave espacial Voyager 2 durante el sobrevuelo del planeta detectó la presencia de nubes de metano a través de mediciones de radio durante una ocultación, [67] pero la estructura exacta de las otras capas de nubes de Urano no se conoce bien. 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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