![天王星[太陽系八大行星之一]](/img/b/8fb/nBnauM3XxUzM3ETOxAjMxMDMwQTMwETM2ETNyQTNwAzMwIzLwIzLwQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg "天王星[太陽系八大行星之一]")
簡介
天王星天王星是太陽系的九大行星之一，在太陽系中，它的體積位居第三。按離太陽由近及遠的次序為第七顆，距太陽約29億公里。天王星的赤道半徑約25,900公里；天王星赤道直徑51800公里，公轉周期為84.01個地球年。它與太陽的平均距離為28.69億公里，體積約為地球的65倍，在九大行星中僅次於木星和土星。
天王星大氣的主要成分是氫和氦，還包含較高比例的由水、氨、甲烷等結成的“冰”，與可以探測到的碳氫化合物。天王星是太陽系內大氣層最冷的行星，最低溫度只有49K（-224℃）。其外部的大氣層具有複雜的雲層結構，水在最低的雲層內，而甲烷組成最高處的雲層。相比較而言，天王星的內部則是由冰和岩石所構成。
天王星的英文名稱Uranus來自古希臘神話中的天空之神優拉納斯（Οὐρανός），是克洛諾斯的父親，宙斯的祖父。在西方文化中，天王星是太陽系中唯一以希臘神祇命名的行星，其他行星都依照羅馬神祇命名。
發現
威廉·赫歇爾，天王星的發現者英國天文學家威廉·赫歇耳(FrederickWilliamHerschel)，1781年3月13日夜晚在院子裡與他的妹妹卡洛琳·赫歇耳(CarolineLucretiaherschel)用自製的反射式望遠鏡觀察星空時，偶然間在雙子座發現了一顆與眾不同的淡綠色的星星，他讓妹妹卡洛琳將觀察內容記錄了下來，連續幾天的跟蹤觀測使他認定，所發現的一定是太陽系的天體，可能是彗星。於是他把一篇題為《一顆彗星的報告》的論文遞交給英國皇家學會。
1783年，法國科學家拉普拉斯(PierreSimonLaplace)證認並公布了威廉·赫歇耳發現了太陽系的新行星。天文學家們計算出這顆星的軌道，位置是在土星的外側，從此，太陽系內的第七顆行星---天王星就這樣被發現了。新行星的發現轟動了整個歐洲，英國皇家學會授予威廉·赫歇耳以柯普萊勳章。至此，他的生活發生了重大的改變，由業餘愛好天文的樂師變成了專業天文學家。他的一生為天文學的發展做出了傑出的貢獻，其功績名垂史冊。
軌道和自轉
天王星哈勃太空望遠鏡的天王星影像，可以看見雲帶、環和一些衛星。天王星每84個地球年環繞太陽公轉一周，與太陽的平均距離大約30億公里，行星上陽光的強度只有地球的1/400。它的軌道參數在1783年首度被拉普拉斯計算出來，但隨著時間，預測和觀測的位置開始出現誤差。
天王星內部的自轉周期是17小時又14分，但和所有巨行星一樣，其上部的大氣層朝自轉的方向可以產生非常強的風。實際上，在有些緯度，像是從赤道到南極的2/3路徑上，可以看見移動得非常迅速的大氣，靠近南極地區的風速高達720公里/小時，只要14個小時就能完整的環繞行星一周。
轉軸傾斜
天王星的自轉軸可以說是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達97.77°，這使它的季節變化完全不同於其他的行星。其它行星的自轉軸相對於太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉動則像傾倒滾動的球。當天王星在至點附近時，一個極點會持續的指向太陽，另一個極點則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區域內可以體會到迅速的日夜交替，但太陽的位置非常的低，有如在地球的極區。運行到軌道的另一側時，換成軸的另一極指向太陽；每一個極都會有被太陽持續的照射42年的極晝，而在另外42年則處於極夜。在接近分點時，太陽正對著天王星的赤道，天王星的日夜交替會和其他的行星相似。在2007年12月7日，天王星經過了晝夜平分點。
北半球 年 南半球
冬至 1902年，1986年 夏至
春分 1923年，2007年 秋分
夏至 1944年，2028年 冬至
秋分 1965年，2049年 春分
這種軸的指向帶來的一個結果是，在一年之中，天王星的極區得到來自於太陽的能量多於赤道，不過，天王星的赤道依然比極區熱。導致這種結果的機制仍然未知；天王星異常的轉軸傾斜原因也不知道，但是通常的猜想是在太陽系形成的時候，一顆地球大小的原行星撞擊到天王星，造成的指向的歪斜。在1986年，航海家2號飛掠時，天王星的南極幾乎正對著太陽。標記這個極是南極是基於國際天文聯合會的定義：行星或衛星的北極，是指向太陽系不變平面的上方（不是由自轉的方向來決定）。但是，仍然有不同的協定被使用著：一個天體依據右手定則所定義的自轉方向來決定北極和南極。根據後者的座標系，1986年在陽光下的極則是北極。
可見性
從1995至2006年，天王星的視星等在＋5.6至＋5.9等之間，勉強在肉眼可見的＋6.0等之上，它的角直徑在3.4至3.7弧秒；比較土星是16至20弧秒，木星則是32至45弧秒。在沖的時候，天王星可以用肉眼在黑暗、無光污染的天空直接看見，即使在城市中也能輕易的使用雙筒望遠鏡看見。使用物鏡的口徑在15至25厘米的大型業餘天文望遠鏡，天王星將呈現蒼白的深藍色盤狀與明顯的周邊昏暗；口徑25厘米或更大的，雲的型態和一些大的衛星，像是天衛三和天衛四，都有可能看見。
物理性質
天王星天王星主要是由岩石與各種成分不同的水冰物質所組成，其組成主要元素為氫（83%），其次為氦（15%）。在許多方面天王星（海王星也是）與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同，其性質比較接近木星與土星的地核部份，而沒有類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面（主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成）。天王星並沒有土星與木星那樣的岩石核心，它的金屬成分是以一種比較平均的狀態分布在整個地殼之內。直接以肉眼觀察，天王星的表面呈現洋藍色，這是因為它的甲烷大氣吸收了大部分的紅色光譜所導致。
內部結構
地球和天王星大小的比較。天王星的質量大約是地球的14.5倍，是類木行星中質量最小的，它的密度是1.29公克/厘米³ 比土星高一些。直徑雖然與海王星相似（大約是地球的4倍），但質量較低。這些數值顯示它主要由各種各樣揮發性物質。氫和氦在全體中只占很小的部份，大約在0.5至1.5地球質量。剩餘的質量（0.5至3.7地球質量）才是岩石物質。
天王星的標準模型結構包括三個層面：在中心是岩石的核，中間是凍的地函，最外面是氫/氦組成的外殼。相較之下核非常的小，只有0.55地球質量，半徑不到天王星的20%；地函則是個龐然大物，質量大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對不明確，大約占有剩餘20%的半徑，但質量大約只有地球的0.5倍。
內熱
天王星的內熱看上去明顯的比其他的類木行星為低，在天文的項目中，它是低熱流量。還不了解天王星內部的溫度為何會如此低，大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星，放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍；相反的，天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠紅外（也就是熱輻射）的部份釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。事實上，天王星的熱流量只有0.042±0.047瓦/米2，遠低於地球內的熱流量0.075瓦/米2。天王星對流層頂的溫度最低溫度紀錄只有49K，使天王星成為太陽系溫度最低的行星，比海王星還要冷。
在天王星被超重質量的錘碎機敲擊而造成轉軸極度傾斜的假說中，也包含了內熱的流失，因此留給天王星一個內熱被耗盡的核心溫度。另一種假說認為在天王星的內部上層有阻止內熱傳達到表面的障礙層存在，如，對流也許僅發生在一組不同的結構之間，也許禁止熱能向上傳遞。
大氣層
雖然在天王星的內部沒有明確的固體表面，天王星最外面的氣體包殼，也就是被稱為大氣層的部分，卻很容易以遙感測量。遙感測量的能力可以從 1 巴(100 千帕)之處為起點向下深入至300公里，相當於 100 巴( 10 百萬帕)的大氣壓力和320K的溫度。稀薄的暈從大氣壓力 1 巴的表面向外延伸擴展至半徑兩倍之處，天王星的大氣層可以分為三層：對流層，從高度-300至50公里，大氣壓 100 巴至 0.1 巴；( 10 百萬帕到 10 千帕)平流層（同溫層），高度50至4000公里，大氣壓力 0.1 帕至10-10巴( 10 千帕到 10 µ帕)；和增溫層/暈，從4000公里向上延伸至距離表面50,000公里處。沒有中氣層（散逸層）。
成份（組織）
天王星的大氣層中83%是氫，15%為氦，2%為甲烷以及少量的乙炔和碳氫化合物。上層大氣層的甲烷吸收紅光，使天王星呈現藍綠色。大氣在固定緯度集結成雲層，類似於木星和土星在緯線上鮮艷的條狀色帶。
對流層
天王星大氣層的對流層和平流層低層的溫度曲線圖，數層的雲和霾也表示在圖中。對流層是大氣層最低和密度最高的部份，溫度隨著高度增加而降低，溫度從有名無實的底部大約320K，-300公里，降低至53K，高度50公里。在對流層頂實際的最低溫度在49至57K，依在行星上的高度來決定。對流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠紅外線最主要的區域，由此處測量到的有效溫度是59.1±0.3K。
上層大氣層
天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度逐漸增加，從對流層頂的53K上升至增溫層底的800至850K。平流層的加熱來自於甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射，甲烷光解的結果形成這部分的大氣層。熱也來自增溫層的傳導。碳氫化合物相對來說只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對於氣壓是 10 至 0.1 毫巴 (1000 到 10 千帕)，溫度在75K和170K之間。含量最多的碳氫化合物是乙炔、乙烷、與甲烷，相對於氫的混合比率是×10-7。一氧化碳在這個高度上的混合比率相似。
天王星大氣層的最外層是增溫層或暈，有著均勻一致的溫度，大約在800至850K。
行星環
天王星環系統。天王星有個複雜的行星環系統，它是太陽系中繼土星環之後發現第二個環系統。該環由大小毫米到幾米的極端黑暗粒狀物質組成。已知天王星環有13個圓環，其中最明亮的是ε環。所有天王星行星環除兩個以外皆極度狹窄 - 通常只有幾公里寬。天王星環大概還相當年輕；動力學分析指出它們不是與天王星同時形成的。環中的物質可能來自被高速撞擊或潮汐力粉碎的衛星。而來自這些撞擊結果形成的眾多碎片中，只有少數幾片留存在對應到現今的環的有限數量穩定區域裡。
磁場
航海家2號在1986年觀察到的天王星磁場。航海家的觀測顯示天王星的磁場是奇特的，一則是他不在行星的幾何中心，再者他相對於自轉軸傾斜59°。事實上，磁極從行星的中心偏離往南極達到行星半徑的三分之一。這異常的幾何關係導致一個非常不對稱的磁層，在南半球的表面，磁場的強度低於0.1高斯，而在北半球的強度高達1.1高斯；在表面的平均強度是0.23高斯。相較之下，地球兩極的磁場強度大約是相等的，並且“磁赤道”大致上也與物理上的赤道平行，天王星的偶極矩是地球的50倍。海王星也有一個相似的偏移和傾斜的磁場，因此有人認為這是冰巨星的共同特點。一種假說認為，不同於類地行星和氣體巨星的磁場是由核心內部引發的，冰巨星的磁場是由相對於表面下某一深度的運動引起的，例如水-氨的海洋。
氣候
結構
帶狀結構、風和雲
天王星
天王星帶狀風的速度。陰影區顯示南半球的"衣領"區和在北半球的對照區。紅色的曲線是對稱且與數據吻合。在1986年，航海家2號發現可見的天王星南半球可以被細分成兩個區域：明亮的極區和暗淡的赤道帶狀區。兩這區的分界大約在緯度-45°的附近。一條跨越在-45°至-50°之間的狹窄帶狀物是在行星表面上能夠看見的最亮的大特徵，被稱為南半球的“衣領”。極冠和衣領被認為是甲烷雲密集的區域，位置在大氣壓力1.3至2 巴的高度。航海家2號抵達時正值南半球盛夏，且觀察不到北半球的部份。不過，從21世紀開始之際，北半球極區進入視野，哈柏太空望遠鏡和凱克望遠鏡觀測北半球皆找不到“衣領”和極帽。故天王星看起來是不對稱的：靠近南極是明亮的，從南半球的“衣領”以北都是一樣的黑暗。除了大規模的帶狀結構，航海家2號觀察到了10朵小塊的亮雲，多數都躺在“衣領”的北方數度。在1986年看到的天王星，在其他的區域都像是毫無生氣的死寂行星。
然而，在1990年代的觀測，拜高解析度影像技術之賜，亮雲彩特徵的數量有著明顯的增長。他們多數都出現在北半球開始成為可以看見的區域。
在天王星觀測到的第一個大暗斑。影像是哈柏太空望遠鏡的先進巡天照相機在2006年拍攝的。追蹤這些有特徵的雲彩，可以測量出天王星對流層上方的風是如何在極區咆哮。在赤道的風是退行的，意味著他們吹的方向與自轉的方向相反，他們的速度從-100至-50 米/杪。
季節變化
對天王星物理變化的機制還不是很清楚。在接近夏天和冬天的至點，天王星的一個半球沐浴在陽光之下，另一個半球則對向幽暗的深空。受光半球的明亮曾被認為是對流層里來自甲烷雲與陰霾層局部增厚的結果。在緯度-45°的明亮“衣領”也與甲烷雲有所關聯。在南半球極區的其他變化，也可以用低層雲的變化來解釋。來自天王星微波發射譜線上的變化，或許是在對流層深處的循環變化造成的，因為厚實的極區雲彩和陰霾可能會阻礙對流。天王星春天和秋天的晝夜平分點即將來臨，動力學上的改變和對流可能會再發生。
溫度
天王星是太陽系第七大行星，並是這個星系裡的4顆氣體行星之一。天王星有時會跟附近的海王星一樣，被稱作“冰巨星(Ice Giant)”。天王星是太陽系裡最寒冷的一顆行星，最低溫度可達零下371華氏度(零下224攝氏度)。
形成
天王星科學家認為氣體巨星和冰巨星在形成地時候就有差異存在。太陽系的誕生應該開始於一個氣體和塵土構成的巨大轉動的球體，也就是前太陽星雲。當它凝聚時逐漸形成盤狀，在中心的崩塌形成了太陽。
多數的星雲氣體，主要是氫和氦，形成了太陽；同時，顆粒的塵土集合形成了第一顆原行星。隨著行星的成長，有些行星累積到足夠的質量，能夠凝聚星雲中殘餘的氣體。聚集越多的氣體，使他們變得越大；他們變得越大，就越能聚集氣體，直到達到一個關鍵的點，使他們開始以指數的增長。
冰巨星所有的星雲氣體只有幾個地球的質量大小，未能達到這個臨界點。太陽系形成理論在計算遠離木星土星的天王星和海王星上遭遇了困難。他們塊頭過大，以至於無法在那個距離上取得足夠的材料來形成。
相反的，某些科學家認為這兩顆行星是在離太陽較近的位置形成之後，才被木星驅趕到外面的。然而，近來越來越多將行星漂移計算在內的摹擬，似乎已能在他們現存的位置上形成天王星和海王星。
衛星
已知天王星有27顆天然的衛星，這些衛星的名稱都出自莎士比亞和蒲伯的歌劇中。五顆主要衛星的名稱是“米蘭達”（天衛五）、“艾瑞爾”（天衛一）、“烏姆柏里厄爾”（天衛二）、“泰坦尼亞”（天衛三）和“歐貝隆”（天衛四）。
第一顆和第二顆(天衛三和天衛四)是威廉·赫歇耳在1787年3月13日發現的，另外兩顆天衛一和天衛二是在1851年被威廉·拉索爾發現的。
在1852年，威廉·赫歇耳的兒子約翰·赫歇耳才為這四顆衛星命名。到了1948年傑勒德P.庫普爾發現第五顆衛星天衛五。
探測
在1986年，NASA的航海家2號拜訪了天王星。這次的拜訪是唯一的一次近距離的探測，並且目前也還沒有新的探測計畫。航海家2號在1977年發射，在繼續前往海王星的旅程之前，於1986年1月24日最接近天王星，距離近達81,500公里。
航海家2號研究了天王星大氣層的結構和化學組成，發現了10顆新衛星，還研究了天王星因為自轉軸傾斜97.77°所造成的獨特氣候，並觀察了天王星的環系統。他也研究了天王星的磁場：不規則的結構、傾斜的磁軸、和如同拔塞螺絲般扭曲並斜向一側的磁尾。他對最大的五顆衛星做了首度的詳細調查，並研究當時已知的九圈光環，也新發現了兩道光環。
