伍岳明 （wuyueming001@hotmail.com）　2007.09

实际上，人们早就观测到天王星，但不知道它是行星，直到 1781年3月13日才被天文爱好者威廉·歇赫耳发现。近二百多年来，人们通过望远镜看到天王星呈蓝绿色的圆面，但对它真正的了解甚少。令人兴奋的是美国发射的“旅行者” 2号飞船，经过漫长的8年之旅，于1986年 1月24日飞掠天王星近旁拍下大量照片，收集了大量观测资料，使人们对天王星有了更多的了解。

天王星是一个蓝绿色的圆球，它的表面具有发白的蓝绿色光彩和与赤道不平行的条纹，这大概是由于自转速度很快而导致的大气流动。 天王星的赤道半径约为25900 公里，体积是地球 的65倍。质量约为地球的14.63倍。天王星的密度较小，平均密度每立方厘米 1.24 克。天王星大气的主要成分是氢、氦和甲烷。
天王星的公转轨道是一个椭圆，轨道半径长为 29 亿公里，它以平均每秒6.81 公里的速度绕太阳公转，绕太阳一周所需时间为 84个地球年，人若住在天王星上，恐怕一生只过一个天王星年了。更奇特的是天王星的赤道面与公转轨道面的夹角为 97°55′，由于自转轴与赤道面垂直，那么自转轴则与公转轨道面平行，也就是天王星“躺”在公转轨道上自转。自转一周比地球时间短， 仅为15.5 小时。自转方向也与众不同，它是顺时针自转，与公转方向恰好相反，自东向西，它和金星一样，也是太阳系家族的“逆子”。天王星上的昼夜长短和四季变化与地球截然不同。

天王星上的昼夜交替和四季变化也十分奇特和复杂，太阳轮流照射着北极、赤道、南极、赤道。因此，天王星上大部分地区的每一昼和每一夜，都要持续 42 年才能变换一次。太阳照到哪一极，哪一极就是夏季，太阳总不下落，没有黑夜；而背对着太阳的那一极，正处在漫长黑夜所笼罩的寒冷冬季之中。只有在天王星赤道附近的南北纬 8 度之间，才有因为自转周期而引起的昼夜变化。于是有些人把天王星称做 “ 一个颠倒的行星世界” 。

天王星有一层浓密而神奇的大气层，它像面纱一样遮挡天王星的真面目。大气的主要成分是氢、氮和甲烷。大气总质量占天王星总质量的 20%。通过观测，天王星的表面具有发白的蓝绿色光彩与赤道平行的条纹，它们移动速度很快。大气中的运动很激烈，不时有强大的狂风。

天王星和土星 一样，也有美丽的光环，而且也是一个复杂的环系。它的光环由 20 条细环组成，每条环颜色各异，色彩斑斓，美丽异常。二十世纪 70 年代的这一发现，打破了土星是太阳系唯一具有光环的行星这一传统认识。天王星有 15 颗卫星，几乎都在接近天王星的赤道面上，绕天王星转动。

天王星也有磁场,最奇怪的是天王星的南北磁极与地理上的南北极相距太远。大多数行星都有南极和北极两极磁场，地球的磁场排列非常简单，恰恰就像一个磁铁条的一样：磁力线从地理南极附近出发，围绕地球半圈后封闭于地理北极。地球的磁极与地球的南北极存在着 11.5度的磁偏角。太阳系的其它许多行星，包括木星、土星和木星都与地球类似，比如木星的磁偏角是 10度，与地球相近。而天王星的磁场却很怪异，它不但具有多个极，而且磁偏角很大，达到59度。在这方面与天王星相似的还有海王星，海王星的磁偏角也非常大，达到 47度。更奇怪的是，这两颗行星的磁极竟然一刻也没有停止快速变动。因而天王星和海王星经常被叫做双胞胎行星。

为什么天王星会“躺”在公转轨道上顺时针旋转呢，为什么天王星会有这么多怪异的现象呢 ?共旋理论是这样解释的。

共旋理论认为当天王星被原始太阳星球共旋起电斥力抛射时，天王星的电斥力“抛射的蝌蚪尾巴”与电斥力抛射金星时相同 ,在原始太阳胚胎与原始海王星连线的背面某处，该处的电斥力矩，使天王星逆向自转(与金星自转方向相同 )，由于天王星体积大，斥力半径比金星大得多，因此天王星逆向自转速度比金星要太得多，比地球还快。斥力抛射以后，经过一段时间旋转，最后稳定下来，“躺”在公转轨道上以 16.8小时自转一周的速度顺时针旋转，造成天王星的一系列奇怪的特征。

天王星也有金属氢的内核，而且快速自转，因此天王星的磁场也不小。天王星虽距离太阳遥远，太阳风与天王星磁场相互作用形成了弓形激波区，测得它的磁层朝阳面至少延伸 59万千米，其磁尾则延伸约600万千米。天王星也有类似地球的辐射带 (图9.41)。

对于天王星的怪异磁场成因，科学家们最早提出的假说是：在天王星早期有个地球大小的星体同它相撞。由于它成滚动方式自转，被撞后虽然地理南北两极倒转了，但形成磁场的内动力没有全部倒转过来，所以磁极异常倾斜，出现与地理两极不一致。但是这样的模式显然不适用于解释自旋轴线仍然与黄道面垂直的海王星。后来科学家又提出更多的理论模型来解释这些异常的磁场，但都没有达成共识。

最有说服力的行星磁场形成理论是“磁流体电机理论”。该理论认为地球的内部构造决定了其磁场的形成与磁偏角的大小。地球由一个固态的巨大铁质内核、液态的金属地幔和岩石地壳组成。地核的温度高达 5540℃左右，高温使地核中少量原子的电子脱离原子核引力从原子状态分离出来，变成了自由电子，同时令构成地核的少量原子失去电子变成带正电的离子，这是一种典型的低温状态下的等离子体。但是这种处于地心高压下的等离子体与常压下的等离子体很不一样，它们能在地核中巨大挤压力作用下，像水中的气泡一样飘浮到地核与地幔的交界处，形成一层构成地核外层的“电子气海洋”。这层包围在地球固体铁核外的连续流动的“电子气海洋”就像一些有电流的线圈，遵循一个物理学的定律：运动的电荷产生磁场，地磁就这样形成了。

澳大利亚国家大学地磁学专家特德 ·里雷说，不仅仅限于金属流体，实际上任何运动着的带电流体都能产生磁场。对于行星，只要它的内部存在流体，就会产生“电机效应”：星球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流，由这电流产生星球磁场。

于是人们认为天王星和海王星的“电机”构造是源于天王星和海王星都有一个较小的固态石头核心，在这个核心外面，与地球不一样的是：它们依次被不发生对流的水层、发生对流的氢和氦的混合物层包裹着，正是这个薄薄的氢氦对流层形成了构成了这个“电机”的线圈。这个“电机”看起来虽然不是很强大，但足以使它们产生磁场。

为什么会出现地磁偏角呢？如果我们了解了地球空间中物质的不对称运动，这个问题就非常好理解了。地球是在旋转中存在的，而它的内部是充满着熔融火浆的液态和等离子态物质，这些物质并不能和地球的旋转完全同步运动，因而就会使各层间甚至某一层的内部物质出现相互摩擦，这种摩擦使大量物质的一致流动出现混乱，无数个这样的混乱不断地组织起来，在它们的表面就形成了一个与地球本身自转方向不一致的能量场。此外，组成地球物质的基本粒子 —— 原子，它们本身也有自旋，并且原子的自旋总是倾向于以太阳引力的方向为旋转轴(与黄道面平行 )，从而形成了另外一个干扰地球自旋的涡旋能量场。综合这两方面的因素，地磁偏角的大致方向就形成了。当然，还有其它作用较小的外在能量场的也在这场运动的角力中起作用，如太阳黑子的爆发、太阳耀斑、日食、月球引力等造成的空间周期变化。所以星体只要存在着自转，其磁场就必然存在着磁偏角。天王星和海王星再怪异，在这一点上也不能与其它兄弟不同。

共旋起电的行星磁场形成理论与“磁流体电机理论”机理大致相同。只不过起电机理上有点区别，共旋起电的行星磁场形成理论能用数学求解，能定量计算。它认为共旋起电所产生的电能、磁能是星球的一种“自我复制”功能的表现，与星球产生引力能的机理相同，它与大自然中的“能量守衡”定律分属不同的“范畴”，它从属于大自然的规律，好比人的细胞有“自我复制”功能一样，不能把它当作“伪科学”来批判。

共旋起电的星球磁场形成理论认为不管是恒星、行星或卫星，凡有导电物质内核的自转星球，均具有内部能源和星球磁场。星球磁场的大小，不仅与导电物质内核的质量 (密度)，内核半径成正比，还与星球自转的角速度成正比；星球磁场方向与金属导体内核的物质电结构和自旋的方向有关。重金属导体内核与金属氢 (超导)内核，同方向旋转的星球所产生的磁

图9.41天王星及其磁层

场方向是相反的；而恒星太阳上的磁场因等离子的物质电结构产生太阳黑子等复杂的磁场结构。

共旋理论认为：天王星的金属氢导体内核，随着天王星快速自转，会“共旋起电”在核面的不同卦面产生不同电荷、形成不同电位；除正负电荷的湮灭产生内部热源外，金属氢（超导体）中活跃的电子电荷会向外扩散、泄漏，使天王星成为一个带正电的准静电球体。经计算天王星的金属氢导体内核的起电量达 ；且共旋起电是与时俱进的。又因天王星的核面靠近星球面 ,故除部分产生星面热源外，大部形成天王星周围的强大电场，由于电荷的趋肤效应,而使液态核面成为可以对流的氢氦混合带电层，而且非常薄。这个很薄的带电层 ,随着星体自旋一起运动，形成天王星磁场。这个磁场在太阳风磁力作用下，金属氢内核的旋转轴有偏离，而形成与自转轴有偏角的天王星偶极磁场，而且形成的磁场也不太稳定，这个磁场磁力线穿过星体上空再回到内部时，因缺少一个巨大的金属核而无法将它们捕获进有序的空间并使之稳定下来。磁力线返回后混乱一片，扭结在一起，磁场的方向不再规则，本应该出现的类似于磁铁条的有序磁场怎么也形成不了。所以天王星磁极总是在一定范围内剧烈变动，并且内部本身的混乱，加剧了磁偏角的扩大（见图 9.41 天王星磁层）。

天王星的光环也是由天王星周围的强大电场、磁场及引力场的指向赤道面的共旋梯力共同作用形成的。由于天王星电磁场对运动带电粒子的作用力既有电场力又有磁场力，强大的天王星电场力将带负电的电子吸附在天王星周围，而天王星的磁场力和指向赤道面的共旋梯力又将带有正电荷的离子吸附在赤道面的的薄层内。带正电的离子会与部分电子结合成各种分子，从而形成“微粒”， 这些物质(碎块、冰块)在天王星赤道面上，它们会因有不同质量、不同物质成分和带有不同电量，而分布在不同轨道上。它们与天王星自旋方向一致，形成天王的光环。由于天王星的自转轴与磁轴有一夹角，说明天王星的磁赤道面与自转轴赤道面有偏角，因而主要由洛伦兹力起作用的天王星环虽然存在，但不会明显和壮观。我国天文学家只观察到 9条细环，而且均靠近天王星赤道附近。美国“旅行者”2号探测到天王星有 20个光环，不同的环有不同的颜色，这些环带由冰块和粒子碎石块组成。这些粒子碎石和冰块环带，反过来又说明天王星内核是金属氢组成。天王星因逆向自转，所以其磁场极性与地球相同而与木星相反。

在地面上最早探测天王星有五颗卫星，天卫一和天卫二是于 1851年由拉塞尔发现的，天卫三和天卫四是1787年被赫歇尔发现的。天卫五于 1948年为美国天文学家柯伊伯所发现。这五颗卫星几乎都在接近天王星的赤道面上，绕天王星转动，因天王星的自转轴倾斜为 98°角，这五颗卫星都成了逆行卫星。当“旅行者”2号飞临天王星时，又发现了 10颗卫星，使天王星卫星增加到15颗。这些卫星有的是共旋起电的电斥力所致，尤其是较大的卫星，也有的是由天王星电磁场对运动带正电荷的质子或离子的洛伦兹力与天王星的指向赤道面的共旋梯力共同作用，在天王星赤道面，上形成的冰块和碎石环带，相互碰撞，融而又凝，像雪球一样越滚越大而形成的卫星。因为天王星的逆向自转，故天王星的卫星也都是跟着逆向运转的。

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