История наблюдения атмосферы Урана полна ошибок и разочарований. Уран - относительно слабый объект, и его видимый угловой диаметр никогда не превышает 4''. Первые спектры атмосферы Урана были получены с помощью спектроскопа в 1869 и 1871 годах Анджело Секки и Уильямом Хаггинсом, которые обнаружили ряд широких темных полос, которые они не смогли идентифицировать. Им также не удалось обнаружить никаких спектральных линий, соответствующих солнечному свету - факт, впоследствии ошибочно истолкованный Норманом Локером как свидетельство того, что Уран испускает свой собственный свет, а не отражает солнечный. В 1889 году это неверное представление было опровергнуто. Природа же широких темных полос в его видимой части спектра оставалась неизвестной до 40-х годов ХХ века.
    Ключ к расшифровке темных полос в спектре Урана был обнаружен в 1930-е годы Рупертом Вилдтом и Весто Слайфер, которые обнаружили, что темные полосы на 543, 619, 925, 865 и 890 нм принадлежал газообразному метану. Это означало, что атмосфера Урана была прозрачна на большую глубину по сравнению с газовыми оболочками других планет - гигантов. В 1950 году, Джерард Койпер заметил ещё диффузную темную полосу в спектре урана на 827 нм, которую он не смог определить. В 1952 году Герхард Херцберг, в будущем лауреат Нобелевской Премии, показал, что эта линия была вызвана слабыми поглощения молекулярного водорода, который, таким образом, стал вторым соединением, обнаруженным на Уране. До 1986 метан и водород оставались единственными веществами, которые были обнаружены в атмосфере Урана. Спектроскопические наблюдений, проводившиеся с 1967 года позволили составить приблизительный тепловой баланс атмосферы. Оказалось, что внутренние источники тепла практически не влияют на температуру атмосферы и её нагревание осуществляется только за счет излучения Солнца.

Отсутствие облаков во время пролета "Вояджера-2"     "Вояджер-2", пролетев мимо Урана в 1986 году, не нашел на его диске никаких контрастных деталей, атмосфера планеты была очень чистой и прозрачной. Эффективная температура Урана составляет всего около 60К (-213 °С). При такой температуре на уровне давления около 1,2 атмосферы мог бы сконденсироваться метан, образуя яркие белые облака.     Однако в тот момент в южном полушарии Урана стояло полярное лето, и давление паров метана в тропосфере ("метановая влажность") составило лишь около 50% от необходимого для образования метановых облаков. Более поздние снимки, сделанные телескопом им. Хаббла (в 1994 и 1997 годах), показали наличие отдельных ярких облаков в низких широтах. По всей видимости, "Вояджеру-2" просто "не повезло", и он пролетел мимо Урана не в самое удачное для изучения атмосферной динамики время.

ПЛАНЕТА УРАН

    В январе 1986 года космический аппарат Вояджер-2 пролетал от Уран на минимальном расстоянии 107100 км и впервые получил изображения спектра атмосферы планеты с близкого расстояния. Эти измерения подтвердили, что атмосфера состояла в основном из водорода (72%) и гелия (26%), и, кроме того, содержала около 2% метана. Атмосфера освещенной стороны планеты на момент её изучения Вояджер-2 была крайне спокойна и не выявила крупных атмосферных образований. Состояние атмосферы другой стороны Урана изучить не представлялось возможным ввиду царящей там на момент пролёта аппарата полярной ночи.
    В 1990-х и 2000-х годах, с помощью космического телескопа «Хаббл» и наземных телескопов, оснащенных адаптивной оптикой впервые наблюдались дискретные детали облачного покрова, что позволило астрономам возможность повторно измерить скорость ветра на Уран, известную ранее только из наблюдений Вояджер-2 и исследовать динамику атмосферы планеты.


    Атмосфера Урана, так же как и атмосферы Юпитера и Сатурна, состоит в основном из водорода и гелия. На больших глубинах она содержит значительные количества воды, аммиака и метана, что является отличительной чертой атмосфер Урана и Нептуна. Обратная картина наблюдается в верхних слоях атмосферы, которые содержит очень мало веществ тяжелее водорода и гелия. Атмосфера Урана - самая холодная из всех планетарных атмосфер в Солнечной системе, с минимальной температурой 49 K.
    Хотя Уран и не имеет твёрдой поверхности в привычном понимании этого слова, наиболее удалённую часть газообразной оболочки принято называть его атмосферой. Полагается, что атмосфера Урана начинается на расстоянии в 300 км от внешнего слоя при давлении в 100 бар и температуре в 320 K. «Атмосферная корона» простирается на расстояние, в 2 раза превышающее радиус от «поверхности» с давлением в 1 бар. Атмосферу условно можно разделить на 3 части:

    Тропосфера - занимает промежуток высот от -300 км до 50 км (за 0 принята условная граница, где давление составляет 1 бар;) и диапазон давления от 100 до 0,1 бар,
    Стратосфера - покрывает высоты от 50 до 4000 км и давления между 0,1 - 10^-10 бар
    Термосфера/атмосферная корона - термосфера/атмосферная корона (4000 - 50000 км от поверхности). Давление в этом слое при удалении от планеты стремится к нулю.

    Мезосфера у Урана отсутствует.
    Состав атмосферы Урана заметно отличается от состава остальных частей планеты благодаря высокому содержанию гелия и молекулярного водорода. Мольная доля гелия (то есть отношение количества атомов гелия к количеству всех атомов и молекул) в верхней тропосфере равна 0,15 ± 0,03 и соответствует массовой доле 0,26 ± 0,05. Это значение очень близко к протозвёздной массовой доле гелия (0,275 ± 0,01). Гелий не локализован в центре планеты, что характерно для других газовых гигантов. Третья составляющая атмосферы Урана - метан (CH₄). Метан обладает хорошо видимыми полосами поглощения в видимом и ближнем инфракрасном спектре. Он составляет 2,3% по числу молекул (на уровне давления в 1,3 бара). Это соотношение значительно снижается с высотой из-за того, что чрезвычайно низкая температура заставляет метан «вымерзать». Присутствие метана, поглощающего свет красной части спектра, придаёт планете её зелёно-голубой цвет. Распространённость менее летучих соединений, таких как аммиак, вода и сероводород, в глубине атмосферы известна плохо. Кроме того, в верхних слоях Урана обнаружены следы этана (C₂H₆), метилацетилена (CH₃C₂H) и диацетилена (C₂HC₂H). Эти углеводороды, как предполагают, являются продуктом фотолиза метана солнечной ультрафиолетовой радиацией. Спектроскопия также обнаружила следы водяного пара, угарного и углекислого газов. Вероятно, они попадают на Уран из внешних источников (например, из пролетающих мимо комет).

Слева: зависимость температуры атмосферы Урана от широты на разных высотах.     Видно, что температурные контрасты выше в стратосфере (где разница достигает почти 8К). На уровне, соответствующем давлению 1 атмосферы, эта разница значительно ниже - всего около 2К.     Справа: температурные профили атмосферы Урана.     - На верхнем графике отражен температурный профиль верхней атмосферы Урана: стратосфера, область мезопаузы и термосфера.     - На нижнем графике отражены более глубокие слои атмосферы Урана: тропосфера и стратосфера. Видна тропопауза на уровне 0,1 атмосферы и устойчивый рост температуры с глубиной. На уровне около 1 атм. могут конденсироваться облака из замерзшего метана. Основной облачный слой расположен на уровне около 3 атмосфер и состоит из замерзшего сероводорода.     Эти данные были получены путем радиопросвечивания атмосферы Урана Вояджером-2, когда космический аппарат с точки зрения земного наблюдателя проходил за планетой. График, помеченный словом "вход", отражает температурный профиль при заходе Вояджера-2 за Уран, график, помеченный словом "выход", отражает данные при выходе аппарата из-за Урана.
ПЛАНЕТА УРАН

    ТРОПОСФЕРА:

    Тропосфера - самая нижняя и самая плотная часть атмосферы - характеризуется уменьшением температур с высотой. Температура падает от 320 К в самом низу тропосферы (на глубине в 300 км) до 53 К на высоте в 50 км. Температура в самой верхней части тропосферы (тропопаузе) варьирует от 57 до 49 К в зависимости от широты. Тропопауза ответственна за большую часть инфракрасного излучения (в дальней инфракрасной части спектра) планеты и позволяет определить эффективную температуру планеты (59,1 ± 0,3 K). Тропосфера обладает сложным строением: предположительно, водные облака могут находиться в промежутке давления от 50 до 100 бар, облака гидросульфида аммония - в диапазоне 20-40 бар, облака аммиака и сероводорода - в диапазоне 3-10 бар. Метановые же облака могут быть расположены в промежутке между 1 и 2 барами. Тропосфера - очень динамичная часть атмосферы, и в ней хорошо видны сезонные изменения, облака и сильные ветры.

    В тропосфере существует четыре облачных слоя:
    - метановые облака на границе, соответствующей давлению примерно в 1,2 бар;
    - сероводородные и аммиачные облака в слое давлений 3-10 бар;
    - облака из гидросульфида аммония при 20-40 бар;
    - водяные облака из кристалликов льда ниже условной границы давления 50 бар.

Температурный профиль тропосферы и нижней стратосферы Урана. Указаны также основные слои облачности.

ПЛАНЕТА УРАН

    Только два верхних облачных слоя доступны прямому наблюдению, существование же нижележащих слоев предсказано только теоретически. Яркие тропосферные облака редко наблюдаются на Уране, что, вероятно, связано с низкой активностью конвекции в глубинных областях планеты. Тем не менее, наблюдения таких облаков использовались для измерения скорости зональных ветров на планете, которая доходит до 250 м/с.

Космический телескоп «Хаббл» обнаружил 8 августа 1998 г. на Уране около 20 облаков.

ПЛАНЕТА УРАН

    СТРАТОСФЕРА:

    После тропопаузы начинается стратосфера, где температура не понижается, а, наоборот, увеличивается с высотой: с 53 К в тропопаузе до 800-850 К в основной части термосферы. Нагревание стратосферы вызвано поглощением солнечной инфракрасной и ультрафиолетовой радиации метаном и другими углеводородами, образующимися благодаря фотолизу метана. Кроме того, стратосфера нагревается также и термосферой. Углеводороды занимают относительно низкий слой от 100 до 280 км в промежутке от 10 до 0,1 миллибар и температурные границы между 75 и 170 К. Наиболее распространённые углеводороды - ацетилен и этан - составляют в этой области 10^-7 относительно водорода, концентрация которого здесь близка к концентрации метана и угарного газа. У более тяжёлых углеводородов, углекислого газа и водяного пара это отношение ещё на три порядка ниже. Этан и ацетилен конденсируются в более холодной и низкой части стратосферы и тропопаузе, формируя туманы. Однако концентрация углеводородов выше этих туманов значительно меньше, чем на других планетах-гигантах.

    ТЕРМОСФЕРА:

    Наиболее удалённые от поверхности части атмосферы - термосфера и корона - имеют температуру в 800-850 К, но причины такой температуры ещё непонятны. Ни солнечная ультрафиолетовая радиация (ни ближняя, ни дальняя часть ультрафиолетового спектра), ни полярные сияния не могут обеспечить нужную энергию (хотя низкая эффективность охлаждения из-за отсутствия углеводородов в верхней части стратосферы может вносить свой вклад). Кроме молекулярного водорода, термосфера содержит большое количество свободных водородных атомов. Их маленькая масса и большая температура могут помочь объяснить, почему термосфера простирается на 50 000 км (на два планетарных радиуса). Эта протяжённая корона - уникальная особенность Урана. Именно она является причиной низкого содержания пыли в его кольцах. Термосфера Урана и верхний слой стратосферы образуют ионосферу, которая находится на высотах от 2000 до 10000 км. Ионосфера Урана более плотная, чем у Сатурна и Нептуна, возможно, по причине низкой концентрации углеводородов в верхней стратосфере. Ионосфера поддерживается главным образом солнечной ультрафиолетовой радиацией и её плотность зависит от солнечной активности.

Полярные сияния на Уране. УФ изображения были получены в период повышенной солнечной активности в ноябре 2011 года. Так как магнитное поле Урана наклонено на 59 градусов к его оси вращения, сияния появляются далеко от северного и южного полюса Урана.

ПЛАНЕТА УРАН

    Полярные сияния здесь не настолько часты и существенны, как на Юпитере и Сатурне.