Uranus, der seinen Namen vom griechischen Gott des Himmels hat, ist ein Gasriese und der siebte Planet unserer Sonne. Es ist auch der drittgrößte Planet in unserem Sonnensystem, hinter Jupiter und Saturn. Wie seine anderen Gasriesen hat es viele Monde, ein Ringsystem und besteht hauptsächlich aus Gasen, von denen angenommen wird, dass sie einen festen Kern umgeben.
Obwohl es mit bloßem Auge zu sehen ist, war die Erkenntnis, dass Uranus ein Planet ist, relativ neu. Obwohl es Hinweise darauf gibt, dass es in den letzten zweitausend Jahren mehrmals gesichtet wurde, wurde es erst im 18. Jahrhundert als das erkannt, was es war. Seitdem ist die volle Ausdehnung der Monde, des Ringsystems und der mysteriösen Natur des Planeten bekannt geworden.
Entdeckung und Benennung:
Wie die fünf klassischen Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn kann auch Uranus ohne Teleskop gesehen werden. Aber aufgrund seiner Dunkelheit und langsamen Umlaufbahn glaubten antike Astronomen, dass es sich um einen Stern handelt. Die früheste bekannte Beobachtung wurde von Hipparchos durchgeführt, der sie 128 v Almagest .
Die früheste definitive Sichtung von Uranus fand 1690 statt, als der englische Astronom John Flamsteed – der erste Astronomer Royal – ihn mindestens sechsmal entdeckte und als Stern (34 Tauri) katalogisierte. Auch der französische Astronom Pierre Lemonnier hat ihn zwischen 1750 und 1769 mindestens zwölfmal beobachtet.
Eine Nachbildung des Teleskops, mit dem William Herschel Uranus beobachtete. Quelle: Wikipedia Commons
Es war jedoch Sir William Herschels Beobachtung von Uranus am 13. März 1781, die den Prozess der Identifizierung als Planeten begann. Damals berichtete er von einer Kometensichtung, nahm dann aber eine Reihe von Beobachtungen mit einem Teleskop seines eigenen Designs vor, um seine Position relativ zu den Sternen zu messen. Als er davon berichtete Die königliche Gesellschaft , behauptete er, es sei ein Komet, verglich ihn aber implizit mit einem Planeten.
Danach begannen mehrere Astronomen, die Möglichkeit zu untersuchen, dass Herschels „Komet“ tatsächlich ein Planet war. Dazu gehörte der russische Astronom Anders Johan Lexell, der als erster seine nahezu kreisförmige Umlaufbahn berechnete, was ihn zu dem Schluss führte, dass es sich doch um einen Planeten handelte. Dem stimmte der Berliner Astronom Johann Elert Bode, Mitglied der „United Astronomical Society“, nach ähnlichen Beobachtungen seiner Bahn zu.
Bald wurde der Status von Uranus als Planet zu einem wissenschaftlichen Konsens, und 1783 bestätigte Herschel selbst dies gegenüber der Royal Society. In Anerkennung seiner Entdeckung gewährte König Georg III.
Zu Ehren seines neuen Mäzens beschloss William Herschel, seiner Entdeckung einen Namen zu gebenry George Star(„Georges Stern“ oder „Georges Planet“). Außerhalb Großbritanniens war dieser Name nicht beliebt, und bald wurden Alternativen vorgeschlagen. Dazu gehörte der französische Astronom Jerome Lalande, der vorschlug, es zu nennenHershelzu Ehren seiner Entdeckung, und der schwedische Astronom Erik Prosperin schlug den Namen Neptun vor.
Bilder von Uranus, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop. Bildnachweis: NASA/ESA/Hubble
Johann Elert Bode schlug den Namen Uranus vor, die latinisierte Version des griechischen Himmelsgottes Ouranos. Dieser Name schien angemessen, da Saturn nach dem mythischen Vater von Jupiter benannt wurde, sodass dieser neue Planet nach dem mythischen Vater von Saturn benannt werden sollte. Letztendlich wurde Bodes Vorschlag der am weitesten verbreitete und bis 1850 universell.
Uranus’ Größe, Masse und Umlaufbahn:
Mit einem mittleren Radius von ca. 25.360 km, einem Volumen von 6.833×1013km3, und eine Masse von 8,68 × 1025kg, Uranus ist ungefähr 4-mal so groß wie die Erde und 63-mal so groß wie sein Volumen. Als Gasriese ist jedoch seine Dichte (1,27 g/cm3) ist deutlich niedriger; Daher ist es nur 14,5 so massiv wie die Erde. Seine geringe Dichte bedeutet auch, dass er zwar der drittgrößte der Gasriesen ist, aber auch am wenigsten massiv ist (um 2,6 Erdmassen hinter Neptun zurückfällt).
Die Variation der Entfernung von Uranus von der Sonne ist auch größer als bei jedem anderen Planeten (ohne Zwergplaneten oder Plutoide). Im Wesentlichen variiert die Entfernung des Gasriesen von der Sonne von 18,28 AE (2.735.118.100 km) im Perihel bis 20,09 AU (3.006.224.700 km) im Aphel. Bei einer durchschnittlichen Entfernung von 3 Milliarden Kilometern von der Sonne benötigt Uranus etwa 84 Jahre (oder 30.687 Tage) für eine einzelne Sonnenumlaufbahn.
Die Rotationsperiode des Inneren des Uranus beträgt 17 Stunden und 14 Minuten. Wie bei allen Riesenplaneten erfährt seine obere Atmosphäre starke Winde in Rotationsrichtung. Auf einigen Breitengraden, wie etwa 60 Grad südlicher, bewegen sich die sichtbaren Merkmale der Atmosphäre viel schneller, sodass eine vollständige Rotation in nur 14 Stunden erreicht wird.
Durchmesservergleich von Uranus und Erde. Ungefährer Maßstab ist 90 km/px. Bildnachweis: NASA
Ein einzigartiges Merkmal von Uranus ist, dass es sich auf die Seite dreht. Während alle Planeten des Sonnensystems bis zu einem gewissen Grad um ihre Achsen geneigt sind, hat Uranus die extremste axiale Neigung von 98°. Dies führt zu den radikalen Jahreszeiten, die der Planet erlebt, ganz zu schweigen von einem ungewöhnlichen Tag-Nacht-Zyklus an den Polen. Am Äquator erlebt Uranus normale Tage und Nächte; aber an den Polen erlebt jeder 42 Erdenjahre Tag, gefolgt von 42 Jahren Nacht.
Zusammensetzung des Uranus:
Das Standardmodell der Struktur von Uranus besteht darin, dass sie aus drei Schichten besteht: einem felsigen Kern (Silikat/Eisen-Nickel) in der Mitte, einem eisigen Mantel in der Mitte und einer äußeren Hülle aus gasförmigem Wasserstoff und Helium. Ähnlich wie Jupiter und Saturn machen Wasserstoff und Helium den größten Teil der Atmosphäre aus – ungefähr 83% und 15% –, aber nur einen kleinen Teil der Gesamtmasse des Planeten (0,5 bis 1,5 Erdmassen).
Das dritthäufigste Element ist Methaneis (CH4), das 2,3% seiner Zusammensetzung ausmacht und die Aquamarin- oder Cyanfärbung des Planeten ausmacht. Spuren verschiedener Kohlenwasserstoffe werden auch in der Stratosphäre von Uranus gefunden, von denen angenommen wird, dass sie aus Methan und durch ultraviolette Strahlung induzierter Photolyse hergestellt werden. Dazu gehören Ethan (C2h6), Acetylen (C2h2), Methylacetylen (CH3C2H) und Diacetylen (C2HC2H).
Darüber hinaus hat die Spektroskopie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid in der oberen Atmosphäre des Uranus sowie die Anwesenheit eisige Wolken aus Wasserdampf und anderen flüchtigen Stoffen , wie Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Aus diesem Grund haben Uranus und Neptun gelten als eine eigene Klasse von Riesenplaneten – bekannt als „Eisriesen“ – da sie hauptsächlich aus schwereren flüchtigen Substanzen bestehen.
Der Eismantel besteht nämlich nicht aus Eis im herkömmlichen Sinne, sondern aus einer heißen und dichten Flüssigkeit bestehend aus Wasser, Ammoniak und anderen flüchtigen Stoffen.Diese Flüssigkeit mit hoher elektrischer Leitfähigkeit wird manchmal als Wasser-Ammoniak-Ozean bezeichnet.
Schema des Inneren von Uranus. Kredit: Gemeinfrei
Die Kern von Uranus ist mit einer Masse von nur 0,55 Erdmassen und einem Radius von weniger als 20 % der Gesamtgröße des Planeten relativ klein. Der Mantel umfasst seine Masse mit etwa 13,4 Erdmassen, und die obere Atmosphäre ist relativ substanzlos, wiegt etwa 0,5 Erdmassen und erstreckt sich über die letzten 20 % des Uranus-Radius.
Die Kerndichte von Uranus wird auf 9 g/cm² geschätzt3, mit einem Druck im Zentrum von 8 Millionen bar (800 GPa) und einer Temperatur von etwa 5000 K (vergleichbar mit der Sonnenoberfläche).
Atmosphäre des Uranus:
Wie auf der Erde ist die Atmosphäre von Uranus in Abhängigkeit von Temperatur und Druck in Schichten unterteilt. Wie die anderen Gasriesen hat der Planet keine feste Oberfläche, und Wissenschaftler definieren die Oberfläche als die Region, in der der Atmosphärendruck ein Bar überschreitet (der Druck auf der Erde auf Meereshöhe). Als Atmosphäre gilt auch alles, was der Fernerkundung zugänglich ist – das reicht bis etwa 300 km unter das 1-bar-Niveau.
Anhand dieser Referenzpunkte kann die Atmosphäre von Uranus in drei Schichten unterteilt werden. Die erste ist die Troposphäre, zwischen Höhen von -300 km unter der Oberfläche und 50 km darüber, wo Drücke von 100 bis 0,1 bar (10 MPa bis 10 kPa) reichen. Die zweite Schicht ist die Stratosphäre, die zwischen 50 und 4000 km erreicht und einem Druck zwischen 0,1 und 10 . ausgesetzt ist-10bar (10 kPa bis 10 µPa).
Temperaturprofil der uranischen Troposphäre und unteren Stratosphäre. Wolken- und Dunstschichten werden ebenfalls angezeigt. Bildnachweis: Wikipedia/Ruslik0
Die Troposphäre ist die dichteste Schicht in der Atmosphäre von Uranus. Hier reicht die Temperatur von 320 K (46,85 °C/116 °F) an der Basis (-300 km) bis 53 K (-220 °C/-364 °F) bei 50 km, wobei der obere Bereich der kälteste im Sonnensystem . Die Tropopause-Region ist für die überwiegende Mehrheit der thermischen Infrarotemissionen des Uranus verantwortlich und bestimmt damit seine effektive Temperatur von 59,1 ± 0,3 K.
Innerhalb der Troposphäre befinden sich Wolkenschichten – Wasserwolken bei niedrigsten Drücken, mit Ammoniumhydrogensulfidwolken darüber. Als nächstes kommen Ammoniak- und Schwefelwasserstoffwolken. Schließlich lagen dünne Methanwolken oben.
In der Stratosphäre reichen die Temperaturen von 53 K (-220 °C/-364 °F) auf der oberen Ebene bis zwischen 800 und 850 K (527 – 577 °C/980 – 1070 °F) an der Basis der Thermosphäre, vor allem dank der Erwärmung durch Sonneneinstrahlung. Die Stratosphäre enthält Ethansmog, der zum stumpfen Aussehen des Planeten beitragen kann. Acetylen und Methan sind ebenfalls vorhanden, und dieser Dunst trägt zur Erwärmung der Stratosphäre bei.
Die äußerste Schicht, die Thermosphäre und Korona, erstrecken sich von 4.000 km bis zu 50.000 km über der Oberfläche. Diese Region hat eine einheitliche Temperatur von 800-850 (577 ° C / 1.070 ° F), obwohl Wissenschaftler sich über den Grund nicht sicher sind. Da die Entfernung von Uranus von der Sonne so groß ist, reicht die von ihm ausgehende Wärmemenge nicht aus, um so hohe Temperaturen zu erzeugen.
Wie bei Jupiter und Saturn folgt das Wetter von Uranus einem ähnlichen Muster, bei dem Systeme in Bänder aufgeteilt werden, die um den Planeten rotieren, die von der inneren Wärme angetrieben werden, die in die obere Atmosphäre aufsteigt. Infolgedessen können Winde auf Uranus bis zu 900 km/h (560 mph) erreichen und massive Stürme erzeugen, wie sie 2012 vom Hubble-Weltraumteleskop entdeckt wurden. Dunkler Punkt “ war ein riesiger Wolkenwirbel, der 1.700 Kilometer mal 3.000 Kilometer maß.
Uranus' Monde:
Uranus hat 27 bekannte Satelliten, die in die Kategorien größere Monde, innere Monde und unregelmäßige Monde (ähnlich anderen Gasriesen) unterteilt sind. Die größten Monde des Uranus sind der Größe nach Miranda , Ariel , Umbriel , Oberon und Titania . Diese Monde haben einen Durchmesser und eine Masse von 472 km und 6,7 × 1019kg für Miranda bis 1578 km und 3,5 × 10einundzwanzigkg für Titan. Jeder dieser Monde ist besonders dunkel, mit geringer Bindung und geometrischer Albedo. Ariel ist am hellsten, während Umbriel am dunkelsten ist.
Eine Montage von Uranus Monden. Bildnachweis: NASA
Es wird angenommen, dass sich alle großen Monde von Uranus in der Akkretionsscheibe gebildet haben, die einige Zeit nach ihrer Entstehung um Uranus herum existierte oder aus dem großen Einschlag von Uranus zu Beginn seiner Geschichte resultierten. Jeder besteht aus ungefähr gleichen Mengen Gestein und Eis, mit Ausnahme von Miranda, die hauptsächlich aus Eis besteht.
Die Eiskomponente kann Ammoniak und Kohlendioxid enthalten, während das felsige Material vermutlich aus besteht kohlenstoffhaltiges Material , einschließlich organischer Verbindungen (ähnlich Asteroiden und Kometen). Es wird angenommen, dass ihre Zusammensetzungen differenziert sind, mit einem eisigen Mantel, der einen felsigen Kern umgibt.
Im Fall von Titania und Oberon wird angenommen, dass Ozeane mit flüssigem Wasser an der Kern-Mantel-Grenze existieren könnten. Auch ihre Oberflächen sind stark verkratert; aber in jedem Fall hat die endogene Oberflächenerneuerung zu einer gewissen Erneuerung ihrer Merkmale geführt. Ariel scheint die jüngste Oberfläche mit den wenigsten Einschlagskratern zu haben, während Umbriel die älteste und am stärksten kraterreichste zu sein scheint.
Die großen Uranusmonde haben keine erkennbare Atmosphäre. Außerdem erleben sie aufgrund ihrer Umlaufbahn um Uranus extreme jahreszeitliche Zyklen. Da Uranus die Sonne fast auf der Seite umkreist und die großen Monde alle um die Äquatorebene von Uranus kreisen, erleben die nördliche und südliche Hemisphäre längere Tages- und Nachtperioden (jeweils 42 Jahre).
Ab 2008 ist bekannt, dass Uranus 13 innere Monde besitzt, deren Umlaufbahnen innerhalb der von Miranda liegen. Sie sind in der Reihenfolge der Entfernung vom Planeten: Cordelia, Ophelia, Bianca, Cressida, Desdemona, Julia, Portia, Rosalind, Amor, Belinda, Perdita, Puck und Mab. In Übereinstimmung mit der Benennung der größeren Monde des Uranus sind alle nach Figuren aus Shakespeare-Stücken benannt.
Uranus und sein Mondsystem. Bildnachweis: NASA/JPL
Alle inneren Monde sind eng mit dem Ringsystem des Uranus verbunden, das wahrscheinlich durch die Fragmentierung eines oder mehrerer kleiner innerer Monde entstanden ist. Puck ist mit 162 km der größte der inneren Monde von Uranus – und der einzige, der von abgebildet wurde Reisen 2 in jedem Detail – während Puck und Mab die beiden äußersten inneren Satelliten von Uranus sind.
Alle inneren Monde sind dunkle Objekte. Sie bestehen aus Wassereis, das mit einem dunklen Material verunreinigt ist, bei dem es sich wahrscheinlich um organisches Material handelt, das durch die Strahlung von Uranus verarbeitet wird. Das System ist zudem chaotisch und scheinbar instabil. Computersimulationen gehen davon aus, dass es innerhalb der nächsten 100 Millionen Jahre zu Kollisionen kommen kann, insbesondere zwischen Desdemona und Cressida oder Julia.
Ab 2005 ist auch bekannt, dass Uranus neun unregelmäßige Monde hat, die ihn in einer viel größeren Entfernung umkreisen als die von Oberon. Alle unregelmäßigen Monde sind wahrscheinlich eingefangene Objekte, die von Uranus kurz nach seiner Entstehung gefangen wurden. Sie sind in der Reihenfolge der Entfernung von Uranus: Francisco, Caliban, Stephano, Trincutio, Sycorax, Margaret, Prospero, Setebos und Ferdinard (wiederum nach Figuren in Shakespeare-Stücken benannt).
Die unregelmäßigen Monde des Uranus haben eine Größe von etwa 150 km (Sycorax) bis 18 km (Trinculo). Mit Ausnahme von Margaret umkreisen alle Uranus in rückläufigen Bahnen (d.h. sie umkreisen den Planeten in der entgegengesetzten Richtung seiner Drehung).
Das Ringsystem des Uranus:
Uranus hat wie Saturn und Jupiter ein Ringsystem. Diese Ringe bestehen jedoch aus extrem dunklen Partikeln, deren Größe von Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Meters variiert – daher sind sie nicht annähernd so erkennbar wie die des Saturn. Dreizehn verschiedene Ringe sind derzeit bekannt, der hellste ist der Epsilon-Ring. Und bis auf zwei sehr schmale sind diese Ringe meist einige Kilometer breit.
Uranus im Infrarotspektrum betrachtet, der die innere Erwärmung und sein Ringsystem enthüllt. Quelle: Lawrence Sromovsky (Univ. Wisconsin-Madison)/Keck-Observatorium
Die Ringe sind wahrscheinlich recht jung und es wird nicht angenommen, dass sie sich mit Uranus gebildet haben. Die Materie in den Ringen könnte einst Teil eines Mondes (oder Monden) gewesen sein, der durch Hochgeschwindigkeitseinschläge zerschmettert wurde. Von zahlreichen Trümmerstücken, die sich bei diesen Einschlägen bildeten, überlebten nur wenige Partikel in stabilen Zonen, die den Orten der heutigen Ringe entsprechen.
Die frühesten bekannten Beobachtungen des Ringsystems fanden am 10. März 1977 von James L. Elliot, Edward W. Dunham und Jessica Mink unter Verwendung der Kuiper Airborne Observatory . Während einer Bedeckung des Sterns SAO 158687 (auch bekannt als HD 128598) entdeckten sie fünf Ringe, die innerhalb eines Systems um den Planeten existieren, und beobachteten später vier weitere.
Die Ringe wurden direkt abgebildet, wennReisen 2passierte Uranus im Jahr 1986, und die Sonde konnte zwei zusätzliche schwache Ringe entdecken – was die Zahl der beobachteten Ringe auf 11 erhöhte. Im Dezember 2005 wurde die Hubble-Weltraumteleskop entdeckte ein Paar bisher unbekannter Ringe, was die Gesamtzahl auf 13 erhöht. Der größte befindet sich doppelt so weit von Uranus entfernt wie die bisher bekannten Ringe, weshalb sie als „äußeres“ Ringsystem bezeichnet werden.
Im April 2006 wurden Bilder der neuen Ringe aus der Keck-Observatorium ergaben die Farben der äußeren Ringe: der äußerste ist blau und der andere rot. Im Gegensatz dazu erscheinen die inneren Ringe von Uranus grau. Eine Hypothese bezüglich der blauen Farbe des äußeren Rings ist, dass er aus winzigen Wassereispartikeln von der Oberfläche von Mab besteht, die klein genug sind, um blaues Licht zu streuen.
Erkundung:
Uranus wurde nur einmal von einem Raumschiff besucht: der NASAReisen 2Raumsonde, die 1986 am Planeten vorbeiflog. Am 24. Januar 1986Reisen 2innerhalb von 81.500 km an der Oberfläche des Planeten vorbei und sendete die einzigen Nahaufnahmen, die jemals von Uranus aufgenommen wurden.Reisen 2dann machte er 1989 eine enge Begegnung mit Neptun.
Diese beiden Bilder von Uranus – eines in Echtfarben (links) und das andere in Falschfarben – wurden aus Bildern zusammengestellt, die am 17. Januar 1986 von der Engwinkelkamera von Voyager 2 zurückgesandt wurden. Bildnachweis: NASA/JPL
Die Möglichkeit, die Cassini Raumsonde von Saturn zu Uranus wurde während einer Planungsphase für die Missionserweiterung im Jahr 2009 evaluiert. Dies wurde jedoch nie verwirklicht, da dies etwa zwanzig Jahre gedauert hätteCassinium nach dem Verlassen von Saturn zum Uransystem zu gelangen.
Im Hinblick auf künftige Missionen wurden mehrere Vorschläge gemacht. Zum Beispiel wurde ein Uranus-Orbiter und eine Sonde von 2013–2022 empfohlen Dekadische Umfrage zur Planetenwissenschaft 2011 veröffentlicht. Dieser Vorschlag sah einen Start zwischen 2020–2023 und eine 13-jährige Kreuzfahrt zum Uranus vor. Ein New Frontiers Uranus Orbiter wurde evaluiert und in der Studie empfohlen. Der Fall für einen Uranus-Orbiter . Diese Mission gilt jedoch als von geringerer Priorität als zukünftige Missionen zum Mars und zum Jupitersystem.
Wissenschaftler aus der Mullard Weltraumforschungslabor im Vereinigten Königreich haben eine gemeinsame NASA-ESA-Mission zu Uranus vorgeschlagen, bekannt als Uranus-Pfadfinder . Diese Mission würde den Start einer Mittelklasse-Mission bis 2022 beinhalten, deren Kosten auf 470 Millionen Euro (~525 Millionen US-Dollar) geschätzt werden.
Eine weitere Mission zu Uranus, genannt Herschel-Orbitalaufklärung des Uransystems (HORUS) wurde vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University entwickelt. Der Vorschlag sieht einen nuklearbetriebenen Orbiter vor, der eine Reihe von Instrumenten trägt, darunter eine Bildkamera, Spektrometer und ein Magnetometer. Die Mission würde im April 2021 starten und 17 Jahre später Uranus erreichen.
Uranus, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop. Bildnachweis: NASA/Hubble
Im Jahr 2009 entwickelte ein Team von Planetenwissenschaftlern des Jet Propulsion Laboratory der NASA mögliche Designs für eine solarbetriebener Uranus-Orbiter . Das günstigste Startfenster für eine solche Sonde wäre im August 2018 mit der Ankunft auf Uranus im September 2030. Das Wissenschaftspaket könnte Magnetometer, Teilchendetektoren und möglicherweise eine Bildkamera umfassen.
Es genügt zu sagen, dass Uranus ein schwieriges Ziel ist, wenn es um die Erforschung geht, und seine Entfernung hat dazu geführt, dass der Prozess der Beobachtung ihn als problematisch in der Vergangenheit erkannt hat. Da sich der Großteil unserer Mission auf die Erforschung von Mars, Europa und erdnahen Asteroiden konzentriert, scheint die Aussicht auf eine Mission in diese Region des Sonnensystems in Zukunft nicht sehr wahrscheinlich.
Aber das Budgetumfeld ändert sich ebenso wie die wissenschaftlichen Prioritäten. Und da das Interesse am Kuipergürtel dank der Entdeckung vieler transneptunischer Objekte in den letzten Jahren explodiert, ist es durchaus möglich, dass Wissenschaftler eine Mission zum äußeren Sonnensystem fordern werden. Wenn einer auftritt, ist es möglicherweise möglich, die Sonde auf ihrem Weg nach draußen am Uranus vorbeischwingen zu lassen, um Informationen und Bilder zu sammeln, um unser Verständnis dieses „Eisriesen“ zu verbessern.
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