Urano, il settimo pianeta dal Sole, è caratterizzato come un gigante di ghiaccio gassoso di colore ciano. La sua composizione consiste principalmente di acqua, ammoniaca e metano in una fase supercritica, che gli astronomi chiamano comunemente "ghiaccio" o sostanze volatili. L'atmosfera planetaria mostra una struttura nuvolosa complessa e stratificata e registra la temperatura minima più bassa tra tutti i pianeti del Sistema Solare, raggiungendo 49 K (-224 ° C; -371 ° F). In particolare, Urano possiede un'inclinazione assiale significativa di 82,23° e un periodo di rotazione retrograda di 17 ore e 14 minuti. Di conseguenza, durante il suo viaggio orbitale attorno al Sole, di 84 anni terrestri, ciascun polo sperimenta circa 42 anni di luce diurna ininterrotta, seguiti da una durata equivalente di oscurità continua.
Urano è il settimo pianeta a partire dal Sole. È un gigante di ghiaccio gassoso di colore ciano. La maggior parte del pianeta è costituita da acqua, ammoniaca e metano in una fase supercritica della materia, che l'astronomia chiama "ghiaccio" o sostanze volatili. L'atmosfera del pianeta ha una complessa struttura nuvolosa a strati e ha la temperatura minima più bassa (49 K (-224 °C; -371 °F)) di tutti i pianeti del Sistema Solare. Ha una marcata inclinazione assiale di 82,23° con un periodo di rotazione retrograda di 17 ore e 14 minuti. Ciò significa che in un periodo orbitale di 84 anni terrestri attorno al Sole, i suoi poli ricevono circa 42 anni di luce solare continua, seguiti da 42 anni di oscurità continua.
Tra i pianeti del Sistema Solare, Urano è il terzo per diametro e il quarto per massa. I modelli contemporanei suggeriscono che sotto il suo strato volatile di mantello si trova un nucleo roccioso, avvolto da una sostanziale atmosfera composta da idrogeno ed elio. L'atmosfera superiore rivela tracce di idrocarburi, che si ipotizza derivino dall'idrolisi, insieme a monossido di carbonio e anidride carbonica, che si ritiene provengano da fonti cometarie. Numerosi fenomeni climatici inspiegabili caratterizzano l'atmosfera di Urano, tra cui picchi di velocità del vento di 900 km/h (560 mph), fluttuazioni nella sua calotta polare e formazioni nuvolose imprevedibili. Inoltre, il pianeta mostra un calore interno notevolmente basso rispetto ad altri pianeti giganti, un fenomeno la cui causa sottostante non è ancora stata compresa.
Coerentemente con altri pianeti giganti, Urano possiede un sistema di anelli, una magnetosfera e una moltitudine di satelliti naturali. Il suo sistema di anelli è particolarmente scuro e riflette solo il 2% circa della luce incidente. I 29 satelliti naturali conosciuti di Urano comprendono 19 lune regolari, 14 delle quali sono piccole lune interne. Oltre a queste, si trovano cinque lune principali più grandi: Miranda, Ariel, Umbriel, Titania e Oberon. Inoltre, dieci lune irregolari conosciute orbitano a distanze significativamente maggiori da Urano. La magnetosfera del pianeta è marcatamente asimmetrica e contiene numerose particelle cariche, una caratteristica che potenzialmente contribuisce all'oscuramento osservato dei suoi anelli e delle sue lune.
Sebbene visibile ad occhio nudo, Urano è eccezionalmente debole e mostra un movimento molto lento sullo sfondo delle stelle, portando alla sua classificazione come pianeta solo nel 1781 in seguito alla sua prima osservazione da parte di William Herschel. Circa settanta anni dopo la scoperta, emerse un consenso nel dare al pianeta il nome del dio greco Urano (Ouranos), una divinità primordiale. Nel 2026, il pianeta ha ricevuto una sola visita robotica: il sorvolo del 1986 condotto dalla sonda Voyager 2. Nonostante la sua attuale osservabilità attraverso i telescopi, persiste un interesse significativo nel rivisitare Urano, evidenziato dalla priorità data dal Planetary Science Decadal Survey alla proposta missione Uranus Orbiter and Probe per l'indagine 2023-2032, e dalla proposta della CNSA per un flyby utilizzando una sottosonda di Tianwen-4.
Storia
Simile ai pianeti classici, Urano è percepibile ad occhio nudo; tuttavia, la sua debolezza e il lungo periodo orbitale ne impedirono il riconoscimento come pianeta da parte degli antichi astronomi. L'osservazione iniziale di Urano da parte di William Herschel il 13 marzo 1781 segnò la sua scoperta come pianeta, espandendo così storicamente i confini conosciuti del Sistema Solare e stabilendo Urano come il primo pianeta identificato con l'assistenza telescopica. Questa scoperta ha anche effettivamente raddoppiato la dimensione percepita del Sistema Solare, dato che Urano orbita a circa il doppio della distanza dal Sole rispetto a Saturno.
Rilevamento
Prima della sua classificazione planetaria, Urano è stato sottoposto a numerose osservazioni ma è stato costantemente erroneamente identificato come una stella. Si dice che Ipparco lo osservò nel 128 a.C. mentre compilava le posizioni stellari per il suo catalogo, che fu successivamente integrato nell'Almagesto di Tolomeo. Questo catalogo elenca le posizioni di quattro stelle che formano un quadrilatero in Vergine; una di queste stelle è inesistente, eppure Urano occupava quella precisa posizione nell'aprile del 128 a.C. Il primo avvistamento inequivocabile avvenne nel 1690, quando John Flamsteed lo osservò almeno sei volte, catalogandolo come 34 Tauri. James Bradley registrò osservazioni tre volte, in particolare nel 1748, 1750 e 1753. Tobias Mayer lo osservò una volta nel 1756. Tra il 1750 e il 1769, l'astronomo francese Pierre Charles Le Monnier documentò Urano in almeno dodici occasioni, comprese quattro notti consecutive.
William Herschel osservò per la prima volta Urano il 13 marzo 1781, dalla sua residenza al 19 di New King Street a Bath, Somerset, Inghilterra, un luogo ora riconosciuto come Herschel Museum of Astronomy. Usando un telescopio riflettente da 6,2 pollici autocostruito, Herschel stava conducendo "una serie di osservazioni sulla parallasse delle stelle fisse" quando inizialmente identificò l'oggetto, che riportò come una cometa il 26 aprile 1781.
Herschel documentò la sua osservazione iniziale nel suo diario, annotando: "Nel quartile vicino a ζ Tauri... o [una] stella nebulosa o forse una cometa." Entro il 17 marzo, registrò ulteriormente: "Ho cercato la Cometa o Stella Nebulosa e ho scoperto che è una Cometa, perché ha cambiato posto". Nonostante ciò, nel presentare la sua scoperta alla Royal Society, mantenne la sua affermazione di aver trovato una cometa, ma contemporaneamente fece paragoni impliciti con un pianeta:
Il potere [dell'oculare] che avevo quando vidi per la prima volta la cometa era 227. Per esperienza so che i diametri delle stelle fisse non sono proporzionalmente ingranditi con poteri superiori, come lo sono i pianeti; perciò ora ho messo i [oculari con] poteri a 460 e 932, e ho trovato che il diametro della cometa aumentava in proporzione al potere, come avrebbe dovuto essere, supponendo che non fosse una stella fissa, mentre i diametri delle stelle a cui l'ho confrontata non erano aumentati nello stesso rapporto. Inoltre, essendo la cometa ingrandita ben oltre ciò che la sua luce avrebbe consentito, appariva confusa e mal definita con questi grandi poteri, mentre le stelle conservavano quella lucentezza e quella nitidezza che da molte migliaia di osservazioni sapevo che avrebbero conservato. Il seguito ha dimostrato che le mie supposizioni erano fondate, rivelandosi che si trattava della cometa che abbiamo osservato di recente.
Herschel informò l'astronomo reale Nevil Maskelyne della sua scoperta, suscitando una risposta perplessa il 23 aprile 1781: "Non so come chiamarlo. È probabile che sia un pianeta regolare che si muove su un'orbita quasi circolare rispetto al sole come una cometa che si muove lungo un'ellissi molto eccentrica. Non ho ancora visto alcuna chioma o coda."
Nonostante Herschel abbia continuato a classificare l'oggetto come un cometa, altri astronomi svilupparono rapidamente ipotesi alternative. Anders Johan Lexell, un astronomo finlandese-svedese con sede in Russia, è stato il primo a calcolare l'orbita dell'oggetto, rivelando una traiettoria quasi circolare indicativa di un pianeta piuttosto che di una cometa. Allo stesso tempo, l'astronomo berlinese Johann Elert Bode definì la scoperta di Herschel come "una stella in movimento che può essere considerata un oggetto simile a un pianeta finora sconosciuto che circola oltre l'orbita di Saturno", affermando inoltre che la sua orbita quasi circolare somigliava più a quella di un pianeta che a quella di una cometa.
Il corpo celeste fu rapidamente riconosciuto come un nuovo pianeta. Nel 1783, Herschel riconobbe formalmente questo cambiamento di comprensione a Joseph Banks, presidente della Royal Society, affermando: "Dall'osservazione dei più eminenti astronomi d'Europa sembra che la nuova stella, che ho avuto l'onore di indicare loro nel marzo 1781, è un pianeta primario del nostro Sistema Solare". Per onorare questo importante risultato, il re Giorgio III ha concesso a Herschel uno stipendio annuale di £ 200 (equivalenti a £ 25.000 nel 2023), subordinato al suo trasferimento a Windsor per facilitare l'accesso della famiglia reale ai suoi telescopi.
Nome
La nomenclatura "Urano" deriva dall'antica divinità greca del cielo, Urano (greco antico: Οὐρανός), identificato come Caelus nella mitologia romana. Questa divinità è riconosciuta come il padre di Crono (Saturno), il nonno di Zeus (Giove) e il bisnonno di Ares (Marte). Il nome è stato reso come Urano in latino (IPA: [ˈuːranʊs]). In particolare, è l'unico pianeta tra gli otto la cui designazione inglese deriva da una figura della mitologia greca. Tra gli astronomi, la pronuncia preferita di Urano è YOOR-ə-nəs, caratterizzata da un lungo suono "u" in inglese e un accento iniziale della sillaba, coerente con il latino Urano. Ciò contrasta con la pronuncia alternativa, yoo-RAY-nəs, che pone l'accento sulla seconda sillaba e impiega un lungo suono a; tuttavia, entrambe le pronunce sono ritenute accettabili.
La nomenclatura del pianeta rimase instabile per quasi settant'anni dopo la sua scoperta. Durante le deliberazioni iniziali, Maskelyne chiese a Herschel "di fare al mondo astronomico il faver [sic] di dare un nome al vostro pianeta, che è interamente vostro, [e] del quale vi siamo così obbligati per la scoperta." Herschel, rispondendo all'appello di Maskelyne, scelse di chiamare il corpo celeste Georgium Sidus (Stella di Giorgio), noto anche come "Pianeta georgiano", per onorare il suo nuovo benefattore, re Giorgio III. Ha articolato questa logica nella corrispondenza con Joseph Banks:
Durante le epoche mitiche dell'antichità, i pianeti venivano designati con i nomi di importanti eroi e divinità, come Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno. Tuttavia, nell’attuale era filosofica più illuminata, difficilmente sarebbe ammissibile utilizzare la stessa metodologia e chiamare il nostro nuovo corpo celeste Giunone, Pallade, Apollo o Minerva. La considerazione principale per qualsiasi evento significativo o evento degno di nota sembra essere il suo contesto cronologico. Se le generazioni future dovessero chiedere informazioni sulla data della scoperta di questo pianeta scoperto di recente, una risposta molto soddisfacente sarebbe: "Durante il regno di re Giorgio Terzo".
Il nome suggerito da Herschel ottenne un'accettazione limitata al di fuori della Gran Bretagna e di Hannover, spingendo alla rapida proposta di designazioni alternative. Jérôme Lalande, un astronomo, sostenne il nome Herschel per onorare il suo scopritore. Erik Prosperin, un astronomo svedese, propose i nomi Astraea, Cibele (che ora sono assegnati agli asteroidi) e Nettuno, quest'ultimo successivamente adottato per il prossimo pianeta scoperto. Anche Georg Lichtenberg di Gottinga sostenne Astraea (reso come Austräa), sebbene questa figura sia convenzionalmente collegata alla costellazione della Vergine piuttosto che al Toro. Altri astronomi preferirono Nettuno, apprezzando l'idea di commemorare i trionfi della flotta reale britannica durante la guerra d'indipendenza americana chiamando il nuovo pianeta Nettuno Giorgio III o Nettuno Gran Bretagna, un compromesso proposto anche da Lexell. Daniel Bernoulli ha proposto Hypercronius e Transaturnis. Inoltre, è stato suggerito Minerva.
In un trattato del marzo 1782, Johann Elert Bode propose il nome Urano, una versione latinizzata di Ouranos, la divinità greca del cielo. Bode sosteneva che la designazione del pianeta avrebbe dovuto allinearsi alle convenzioni mitologiche per mantenere la coerenza con gli altri nomi planetari. Ritenne Urano adatto perché rappresentava il padre della prima generazione di Titani. Inoltre, ha sottolineato l'eleganza concettuale del nome, sottolineando che, proprio come Saturno era il padre di Giove, il nuovo pianeta dovrebbe prendere il nome dal progenitore di Saturno. Tuttavia, Bode apparentemente trascurò che Urano era semplicemente la forma latinizzata del nome della divinità, con Caelus che ne era la controparte romana. Nel 1789, Martin Klaproth, un collega di Bode alla Royal Academy, chiamò uranio il suo elemento recentemente scoperto, approvando così la scelta di Bode. Alla fine, la proposta di Bode ottenne un consenso diffuso, raggiungendo l'adozione universale nel 1850 quando l'HM Nautical Almanac Office, che era stato l'ultimo a resistere, passò dall'impiego di Georgium Sidus a Urano.
Urano è associato a due distinti simboli astronomici. Il simbolo iniziale, ⛢, fu introdotto da Johann Gottfried Köhler nel 1782 per volere di Bode. Köhler propose di assegnare al nuovo pianeta il simbolo del platino, un elemento caratterizzato scientificamente solo tre decenni prima. In mancanza di un simbolo alchemico stabilito per il platino, suggerì ⛢ o ⛢, che combinavano i simboli del metallo planetario ☉ (oro) e ♂ (ferro), riflettendo la presenza del platino mescolato con il ferro (spesso indicato come "oro bianco"). Bode credeva che un orientamento verticale, ⛢, si armonizzasse più efficacemente con i simboli di altri pianeti pur mantenendo il suo carattere unico. Questo simbolo è utilizzato prevalentemente nei contesti astronomici contemporanei, anche se raramente. Il secondo simbolo, ♅, fu proposto da Lalande nel 1784. In corrispondenza con Herschel, Lalande lo caratterizzò come "un globo surmonté par la première lettre de votre nom" ("un globo sormontato dalla prima lettera del tuo cognome"). Quest'ultimo simbolo gode di un'adozione quasi universale in ambito astrologico.
All'interno della cultura popolare in lingua inglese, l'effetto comico deriva spesso dalla pronuncia comune del nome di Urano, che ha una somiglianza fonetica con la frase "il tuo ano".
Urano è conosciuto con diversi appellativi in varie lingue. In cinese (天王星; Tiānwángxīng), giapponese (天王星 Tennōsei), coreano (천왕성 Cheonwangseong) e vietnamita (sao Thiên Vương), il nome del pianeta si traduce direttamente in "stella del Re Celeste". La designazione ufficiale tailandese è Dao Yurenat (ดาวยูเรนัส), rispecchiando la sua controparte inglese. Un nome tailandese alternativo, Dao Maruettayu (ดาวมฤตยู), significa "Stella di Mṛtyu", derivato dal termine sanscrito per "morte", Mrtyu (मृत्यु). Il nome mongolo, Tengeriin Van (Тэнгэрийн ван), si traduce in "Re del cielo", riecheggiando così il dominio della divinità celeste su i cieli. In hawaiano, il pianeta viene chiamato Heleʻekela, un adattamento hawaiano di "Herschel".
Formazione
Si ritiene che le caratteristiche distinte che differenziano i giganti di ghiaccio dai giganti gassosi abbiano origine dalle rispettive storie di formazione. Si ipotizza che la genesi del Sistema Solare sia avvenuta all'interno di un disco protoplanetario rotante, comunemente indicato come nebulosa presolare. Una parte significativa dei componenti gassosi di questa nebulosa, prevalentemente idrogeno ed elio, si unirono per formare il Sole, mentre i granelli di polvere si aggregarono per costituire i protopianeti iniziali. Durante la loro crescita, alcuni pianeti hanno accumulato una massa sufficiente affinché i loro campi gravitazionali trattengano il gas nebulare residuo. Questo processo di accrescimento ha creato un ciclo di feedback positivo: una maggiore ritenzione di gas ha portato a dimensioni maggiori, che a loro volta hanno aumentato la ritenzione di gas, culminando in una soglia critica oltre la quale le loro dimensioni si sono espanse in modo esponenziale. Al contrario, i giganti del ghiaccio, avendo accumulato solo poche masse terrestri di gas nebulare, non hanno raggiunto questa massa critica. Le simulazioni contemporanee della migrazione planetaria, in particolare il modello di Nizza, propongono che entrambi i giganti del ghiaccio abbiano avuto origine più vicino al Sole rispetto alle loro attuali posizioni orbitali, per poi migrare verso l'esterno.
Orbita e rotazione
Urano completa un'orbita solare circa ogni 84 anni terrestri. Dalla sua scoperta nel 1781, le osservazioni sullo sfondo stellare rivelano che il pianeta ha rivisitato due volte il suo punto di scoperta, situato a nord-est della stella binaria Zeta Tauri, in particolare nel marzo 1865 e nel marzo 1949, con un terzo ritorno previsto nell'aprile 2033.
A causa del suo periodo orbitale che si avvicina molto a 84 anni, l'apparente posizione celeste di Urano rispecchia fedelmente la sua posizione esattamente 84 anni prima. Il moto retrogrado di Urano lo riposiziona ogni anno approssimativamente nel punto più orientale osservato nell'anno precedente.
Il pianeta mantiene una distanza eliocentrica media di circa 20 UA (3 miliardi di km; 2 miliardi di mi). La differenza perielio-afelio, che misura 1,8 UA, supera quella di qualsiasi altro pianeta maggiore, sebbene rimanga meno pronunciata di quella osservata per il pianeta nano Plutone. L'irraggiamento solare diminuisce inversamente al quadrato della distanza; di conseguenza, a circa 20 volte la distanza della Terra dal Sole, Urano riceve solo circa 1/400 dell'intensità solare sperimentata sulla Terra.
Pierre-Simon Laplace calcolò inizialmente gli elementi orbitali di Urano nel 1783. Nel corso del tempo, emersero divergenze tra i percorsi orbitali previsti e osservati, portando John Couch Adams a postulare nel 1841 che queste discrepanze potevano essere attribuite all'influenza gravitazionale. di un pianeta sconosciuto. Successivamente, nel 1845, Urbain Le Verrier iniziò un'indagine indipendente sulla meccanica orbitale di Urano. Il 23 settembre 1846, Johann Gottfried Galle identificò con successo un nuovo pianeta, successivamente designato Nettuno, in una posizione strettamente corrispondente ai calcoli di Le Verrier.
Il periodo di rotazione interna di Urano è esattamente di 17 ore, 14 minuti e 52 secondi, una misura derivata dal monitoraggio della dinamica di rotazione delle sue aurore. Coerentemente con altri pianeti giganti, l'atmosfera superiore di Urano mostra potenti venti zonali allineati con la sua direzione di rotazione. A latitudini specifiche, in particolare intorno ai 60 gradi sud, le caratteristiche atmosferiche distinguibili mostrano velocità significativamente più elevate, completando una rotazione completa in appena 14 ore.
Inclinazione assiale
L'asse di rotazione di Urano è quasi parallelo al piano invariabile del Sistema Solare, mostrando un'inclinazione assiale di 82,23° o 97,77°, a seconda del polo nord designato. Secondo la definizione dell'Unione Astronomica Internazionale, il polo Nord è quello situato sullo stesso lato del piano invariabile del Sistema Solare come il Polo Nord della Terra. Secondo questa convenzione, Urano mostra una rotazione retrograda. Al contrario, se i poli nord e sud sono definiti dalla regola della mano destra relativa alla direzione di rotazione, l'inclinazione assiale di Urano è di 97,77°, il che inverte la designazione dei poli nord e sud, risultando in una rotazione prograda per il pianeta. Questa inclinazione estrema produce variazioni stagionali nettamente diverse da quelle osservate su altri pianeti. Anche Plutone e l'asteroide 2 Pallade possiedono significative inclinazioni assiali. Durante i solstizi, un polo sperimenta la luce solare continua mentre l'altro rimane nell'oscurità perpetua; solo una ristretta fascia equatoriale subisce un rapido ciclo giorno-notte, con il Sole posizionato basso sopra l'orizzonte. Mentre Urano attraversa il lato opposto della sua orbita, l'orientamento solare dei suoi poli si inverte. Di conseguenza, ogni polo vive circa 42 anni di luce diurna ininterrotta, seguiti da 42 anni di oscurità. Intorno agli equinozi, il Sole illumina direttamente l'equatore di Urano, determinando cicli giorno-notte paragonabili a quelli presenti sulla maggior parte degli altri pianeti.
Una conseguenza di questo orientamento assiale è che, in media durante un anno uraniano, le regioni quasi polari del pianeta assorbono più energia solare rispetto alle zone equatoriali. Nonostante ciò, l'equatore di Urano mantiene una temperatura più elevata rispetto ai suoi poli. Il meccanismo preciso responsabile di questa anomalia termica rimane indeterminato. Anche l'origine dell'anomala inclinazione assiale di Urano è incerta, sebbene la speculazione prevalente suggerisca che un protopianeta delle dimensioni della Terra sia entrato in collisione con Urano durante la formazione del Sistema Solare, inducendo questo orientamento distorto. Le indagini condotte da Jacob Kegerreis presso l'Università di Durham suggeriscono che l'inclinazione abbia avuto origine dall'impatto di un protopianeta, più grande della Terra, circa 3-4 miliardi di anni fa. Durante il sorvolo della Voyager 2 nel 1986, il polo sud di Urano era orientato quasi direttamente verso il Sole.
Gli astronomi avevano dedotto il caratteristico asse di rotazione di Urano sin dalla scoperta di Titania e Oberon da parte di Herschel, con Laplace che calcolò l'inclinazione delle orbite di queste lune rispetto al piano equatoriale del pianeta nel 1805.
Visibilità terrestre
Urano mostra una magnitudine apparente media di 5,68, con una deviazione standard di 0,17 e valori estremi che vanno da 5,38 a 6,03. Questa gamma di luminosità si avvicina alla soglia della visibilità a occhio nudo. Una parte significativa di questa variabilità è attribuibile alle specifiche latitudini planetarie illuminate dal Sole e osservate dalla Terra. Il suo diametro angolare varia da 3,4 a 3,7 secondi d'arco, in contrasto con i 16-20 secondi d'arco di Saturno e i 32-45 secondi d'arco di Giove. Durante l'opposizione, Urano è distinguibile ad occhio nudo in condizioni di cielo scuro e diventa facilmente osservabile con un binocolo anche in ambienti urbani. Attraverso telescopi amatoriali più grandi con diametri dell'obiettivo compresi tra 15 e 23 cm, Urano si presenta come un disco ciano pallido con un notevole scurimento dei bordi. Utilizzando un telescopio sostanziale con un'apertura di 25 cm o superiore, è possibile distinguere la struttura delle nuvole e alcuni dei satelliti più grandi, tra cui Titania e Oberon.
Composizione interna e struttura
Con una massa pari a circa 14,5 volte quella della Terra, Urano è il meno massiccio tra i pianeti giganti. Il suo diametro, leggermente superiore a quello di Nettuno, è circa quattro volte quello della Terra. Di conseguenza, la sua densità di 1,27 g/cm3 posiziona Urano come il secondo pianeta meno denso, dopo Saturno. Questa densità suggerisce una composizione primaria di vari ghiacci, tra cui acqua, ammoniaca e metano. L'esatta massa totale di ghiaccio all'interno di Urano rimane incerta, poiché le stime variano in base al modello planetario scelto, ma si ritiene che oscilli tra 9,3 e 13,5 masse terrestri. L'idrogeno e l'elio costituiscono solo una frazione minore della massa totale, stimata tra 0,5 e 1,5 masse terrestri. La restante massa non ghiacciata, compresa tra 0,5 e 3,7 masse terrestri, è attribuita a materiale roccioso.
Il modello standard della struttura di Urano presuppone tre strati distinti: un nucleo roccioso centrale (composto da silicati e leghe ferro-nichel), un mantello ghiacciato intermedio e un involucro gassoso più esterno di idrogeno ed elio. Il nucleo è relativamente piccolo, possiede una massa di appena 0,55 masse terrestri e un raggio che costituisce meno del 20% del totale del pianeta. Il mantello rappresenta la maggior parte della massa del pianeta, circa 13,4 masse terrestri, mentre l'atmosfera superiore è relativamente tenue, pesa circa 0,5 masse terrestri e occupa l'ultimo 20% del raggio di Urano. Il nucleo di Urano presenta una densità di circa 9 g/cm3, con pressioni centrali che raggiungono 8 milioni di bar (800 GPa) e temperature intorno a 5000 K. Il mantello "ghiaccio", contrariamente alla sua nomenclatura, non è costituito da ghiaccio convenzionale ma piuttosto da un fluido caldo e denso comprendente acqua, ammoniaca e altri composti volatili. Questo fluido altamente conduttivo viene talvolta definito oceano di acqua e ammoniaca.
Si ipotizza che all'interno di Urano le intense condizioni di pressione e temperatura dissociano le molecole di metano. Successivamente, gli atomi di carbonio liberati potrebbero condensarsi in cristalli di diamante, precipitando attraverso il mantello in modo analogo ai chicchi di grandine. Questo fenomeno è parallelo alla precipitazione di diamanti teorizzata che si verifica su Giove, Saturno e Nettuno. Indagini sperimentali condotte sotto pressione estrema presso il Lawrence Livermore National Laboratory indicano la potenziale esistenza di un oceano metallico di carbonio liquido, possibilmente contenente "berg di diamante" solidi galleggianti, alla base del mantello.
Le composizioni complessive di Urano e Nettuno divergono da quelle di Giove e Saturno, caratterizzate da una predominanza di ghiaccio rispetto ai componenti gassosi. Questa distinzione compositiva conferma la loro classificazione come giganti di ghiaccio. Potrebbe esistere un potenziale strato di acqua ionica, dove le molecole d’acqua si dissociano in un plasma di ioni idrogeno e ossigeno. Più all'interno, potrebbe formarsi acqua superionica, uno stato in cui l'ossigeno cristallizza mentre gli ioni idrogeno attraversano liberamente il reticolo dell'ossigeno.
Sebbene il modello strutturale sopra menzionato sia ampiamente accettato, non è l'unica spiegazione; anche i modelli alternativi si allineano con i dati osservativi. Ad esempio, se quantità significative di idrogeno e materiale roccioso fossero integrate all’interno del mantello ghiacciato, la massa complessiva dei ghiacci interni diminuirebbe, mentre la massa combinata di rocce e idrogeno aumenterebbe proporzionalmente. Gli attuali dati empirici impediscono una determinazione scientifica definitiva del modello più accurato. La struttura interna fluida di Urano implica l'assenza di una superficie solida distinta. Invece, la sua atmosfera gassosa passa progressivamente agli strati liquidi interni del pianeta. Per scopi pratici, uno sferoide oblato rotante, definito al livello di pressione atmosferica di 1 bar (100 kPa), è convenzionalmente designato come "superficie". Questa superficie di riferimento possiede raggi equatoriali e polari di 25.559 ± 4 km (15.881,6 ± 2,5 mi) e 24.973 ± 20 km (15.518 ± 12 mi), rispettivamente. In questo articolo, la superficie designata funge da riferimento per le misurazioni dell'altitudine.
Calore interno
Urano mostra un'impronta termica interna considerevolmente inferiore a quella degli altri pianeti giganti, manifestandosi come un flusso termico notevolmente ridotto in contesti astronomici. Le ragioni alla base della temperatura interna eccezionalmente bassa di Urano rimangono un enigma scientifico irrisolto. Nettuno, un corpo planetario molto simile a Urano sia per dimensioni che per composizione, emette nello spazio 2,61 volte l'energia solare che assorbe. In netto contrasto, Urano non irradia calore in eccesso quasi percettibile. La potenza totale emessa da Urano nella porzione del lontano infrarosso (termico) dello spettro misura 1,06±0,08 volte l'energia solare assorbita dalla sua atmosfera. Il flusso di calore di Urano è semplicemente 0,042±0,047 W/m§1112§, un valore inferiore al flusso di calore interno della Terra di circa 0,075 W/m§1718§. La temperatura minima registrata nella tropopausa di Urano è 49 K (-224,2 °C; -371,5 °F), rendendo Urano il pianeta più freddo del Sistema Solare.
Un'ipotesi prevalente che affronta questa anomalia termica propone che l'ipotizzato corpo di simulazione delle dimensioni della Terra, ritenuto responsabile dell'inclinazione assiale di Urano, abbia provocato una diminuzione della temperatura interna. Si teorizza che questo evento di impatto abbia causato l'espulsione di una parte sostanziale del suo calore primordiale da parte di Urano. Un'ipotesi alternativa postula l'esistenza di una barriera termica all'interno degli strati atmosferici superiori di Urano, che impedisce il trasferimento verso l'alto del calore dal nucleo alla superficie. Ad esempio, la convezione potrebbe verificarsi all’interno di strati distinti e compositivamente stratificati, inibendo così un efficiente trasporto del calore verso l’alto. È anche plausibile che la convezione a doppia diffusione agisca come un meccanismo limitante per il trasferimento di calore.
Uno studio del 2021 ha simulato le condizioni interne dei giganti di ghiaccio comprimendo l'acqua ricca di minerali, dimostrando il potenziale di una significativa dissoluzione del magnesio all'interno degli interni liquidi di Urano e Nettuno. Una maggiore concentrazione di magnesio su Urano rispetto a Nettuno potrebbe facilitare la formazione di uno strato di isolamento termico, offrendo una spiegazione plausibile per la temperatura particolarmente bassa del pianeta.
Atmosfera
Nonostante l'assenza di una superficie solida distinta all'interno di Urano, l'involucro gassoso più esterno, rilevabile tramite telerilevamento, è designato come la sua atmosfera. Il telerilevamento può penetrare per circa 300 km al di sotto del livello di pressione di 1 bar (100 kPa), dove le condizioni raggiungono circa 100 bar (10 MPa) e 320 K (47 ° C; 116 ° F). La termosfera diffusa si estende oltre due raggi planetari dalla superficie nominale, convenzionalmente definita alla pressione di 1 bar. L'atmosfera uraniana è stratificata in tre strati primari: la troposfera, che va da altitudini da −300 a 50 km (da −186 a 31 mi) con pressioni da 100 a 0,1 bar (da 10 MPa a 10 kPa); la stratosfera, che si estende da 50 a 4.000 km (da 31 a 2.485 mi) con pressioni comprese tra 0,1 e 10−10 bar (da 10 kPa a 10 μPa); e la termosfera, che si estende da 4.000 km fino a 50.000 km dalla superficie. In particolare, è assente la mesosfera.
Composizione
La composizione atmosferica di Urano differisce dalla sua massa complessiva, essendo composta prevalentemente da idrogeno molecolare ed elio. Nella troposfera superiore, la frazione molare dell'elio, definita come il rapporto tra atomi di elio per molecola di gas, misura 0,15±0,03, correlando a una frazione di massa di 0,26±0,05. Questa misurazione si avvicina alla frazione di massa dell'elio protosolare di 0,275±0,01, suggerendo che l'elio non ha subito una sedimentazione centrale, a differenza dei giganti gassosi. Il metano (CH§1920§) costituisce la terza componente atmosferica più abbondante su Urano. Il metano mostra bande di assorbimento pronunciate nello spettro visibile e nel vicino infrarosso (IR), conferendo a Urano la sua caratteristica tonalità acquamarina o ciano. Sotto lo strato di nubi di metano, a un livello di pressione di 1,3 bar (130 kPa), le molecole di metano costituiscono il 2,3% dell'atmosfera in frazione molare, che è circa da 20 a 30 volte l'abbondanza di carbonio osservata nel Sole.
Il rapporto di miscelazione nell'atmosfera superiore è significativamente ridotto, attribuibile alla sua temperatura eccezionalmente bassa, che diminuisce il livello di saturazione e accelera il congelamento del metano in eccesso. Le concentrazioni di composti meno volatili, tra cui ammoniaca, acqua e idrogeno solforato, all’interno dell’atmosfera profonda rimangono in gran parte indeterminate, anche se è probabile che superino le abbondanze solari. Oltre al metano, la stratosfera uraniana contiene tracce di diversi idrocarburi, che si ipotizza derivino dalla fotolisi del metano da parte della radiazione solare ultravioletta (UV). Questi comprendono l'etano (C2H6), l'acetilene (C§78§H§910§), il metilacetilene (CH§1314§C§1516§H) e diacetilene (C§1920§HC§2122§H). L'analisi spettroscopica ha inoltre rivelato minuscole quantità di vapore acqueo, monossido di carbonio e anidride carbonica nell'alta atmosfera, componenti la cui presenza può essere attribuita solo a fonti esterne come polvere e comete.
Troposfera
La troposfera rappresenta lo strato più basso e denso dell'atmosfera, caratterizzato da un'inversione di temperatura con l'aumentare dell'altitudine. Le temperature scendono da circa 320 K (47 ° C; 116 ° F) alla base nominale della troposfera, situata a -300 km, a 53 K (-220 ° C; -364 ° F) a 50 km. All'interno della regione troposferica superiore più fredda, nota come tropopausa, le temperature oscillano tra 49 e 57 K (-224 e -216 ° C; -371 e -357 ° F), mostrando una dipendenza latitudinale. Questa regione della tropopausa rappresenta la porzione predominante delle emissioni termiche nel lontano infrarosso di Urano, stabilendo così la sua temperatura effettiva a 59,1 ± 0,3 K (-214,1 ± 0,3 °C; -353,3 ± 0,5 °F).
Si ipotizza che la troposfera possieda un'intricata architettura nuvolosa; Si ipotizza che esistano nubi d'acqua nell'intervallo di pressione compreso tra 50 e 100 bar (da 5 a 10 MPa), nubi di idrosolfuro di ammonio tra 20 e 40 bar (da 2 a 4 MPa), nubi di ammoniaca o idrogeno solforato da 3 a 10 bar (da 0,3 a 1 MPa) e nubi sottili di metano osservate direttamente tra 1 e 2 bar (da 0,1 a 0,2 MPa). Caratterizzata da venti robusti, nuvole luminose e variazioni stagionali, la troposfera costituisce una regione atmosferica altamente dinamica.
L'atmosfera superiore
All'interno dell'atmosfera uraniana, la stratosfera costituisce lo strato intermedio, caratterizzato da un generale aumento della temperatura con l'altitudine, passando da 53 K (-220 °C; -364 °F) alla tropopausa a un intervallo compreso tra 800 e 850 K (da 527 a 577 °C; da 980 a 1.070 °F) alla base della termosfera. Questo riscaldamento stratosferico risulta dall’assorbimento della radiazione solare ultravioletta (UV) e infrarossa (IR) da parte del metano e di altri idrocarburi, che vengono generati all’interno di questa regione atmosferica attraverso la fotolisi del metano. Inoltre, l'energia termica viene trasferita per conduzione dalla termosfera più calda. Questi idrocarburi sono concentrati all'interno di uno strato relativamente confinato, che si estende ad altitudini da 100 a 300 km, dove le pressioni variano da 1.000 a 10 Pa e le temperature variano tra 75 e 170 K (-198 e -103 °C; -325 e -154 °F).
Metano, acetilene ed etano rappresentano gli idrocarburi più diffusi, mostrando rapporti di miscelazione di circa 10−7 relativo all'idrogeno. A queste altitudini il monossido di carbonio presenta un rapporto di miscelazione comparabile. Al contrario, gli idrocarburi più pesanti e l’anidride carbonica possiedono rapporti di miscelazione inferiori di tre ordini di grandezza. Il rapporto di abbondanza per l'acqua è di circa 7×10−9. L'etano e l'acetilene tendono a condensarsi nelle regioni più basse e fredde della stratosfera e della tropopausa (in particolare al di sotto del livello di 10 mBar), portando alla formazione di strati di foschia. Questi strati sono potenzialmente un fattore che contribuisce all'aspetto relativamente anonimo di Urano. In particolare, la concentrazione di idrocarburi nella stratosfera di Urano sopra questi strati di foschia è notevolmente inferiore a quella osservata nella stratosfera di altri pianeti giganti.
La regione atmosferica più esterna di Urano comprende la termosfera e la corona, che mantengono una temperatura costante che varia da circa 800 K (527 °C) a 850 K (577 °C). Le specifiche fonti di calore necessarie per sostenere temperature così elevate rimangono indeterminate, dato che né la radiazione solare ultravioletta (UV) né l’attività aurorale sembrano in grado di fornire l’energia necessaria. Un fattore che contribuisce potrebbe anche essere la ridotta efficienza di raffreddamento, attribuita alla scarsità di idrocarburi nella stratosfera al di sopra dei livelli di pressione di 0,1 mBar. Oltre all’idrogeno molecolare, la regione della termosfera-corona ospita anche un numero considerevole di atomi di idrogeno liberi. La combinazione della loro bassa massa e delle alte temperature spiega l'ampia portata della corona, che si estende fino a 50.000 km (31.000 mi), equivalenti a due raggi uraniani, dalla superficie del pianeta.
Questa corona espansiva rappresenta una caratteristica distintiva di Urano. I suoi effetti osservabili comprendono una forza di trascinamento esercitata su piccole particelle in orbita attorno a Urano, che contribuisce a un diffuso esaurimento della polvere all'interno degli anelli di Urano. La termosfera uraniana, insieme alla stratosfera superiore, costituisce la ionosfera del pianeta. I dati empirici indicano che questa ionosfera si estende ad altitudini che vanno da 2.000 a 10.000 km (da 1.200 a 6.200 mi). In particolare, la ionosfera di Urano mostra una densità maggiore rispetto a quelle di Saturno o Nettuno, un fenomeno potenzialmente attribuibile alla ridotta concentrazione di idrocarburi nella sua stratosfera. La radiazione solare ultravioletta (UV) sostiene principalmente la ionosfera e la sua densità fluttua in base ai livelli di attività solare. A differenza di Giove e Saturno, l'attività aurorale su Urano è relativamente trascurabile.
Condizioni climatiche
Se osservata alle lunghezze d'onda ultraviolette e visibili, l'atmosfera di Urano appare notevolmente informe rispetto ad altri pianeti giganti, incluso Nettuno, a cui per il resto somiglia molto. Durante il flyby della Voyager 2 nel 1986, furono identificate solo dieci caratteristiche nuvolose distinte sull'intero disco del pianeta. Un'ipotesi importante per questa scarsità di caratteristiche atmosferiche presuppone che Urano possieda un calore interno significativamente inferiore rispetto ad altri pianeti giganti, rendendolo il pianeta più freddo all'interno del Sistema Solare.
Banda atmosferica, venti e formazioni nuvolose
Durante il suo incontro nel 1986, Voyager 2 ha rivelato che l'emisfero meridionale visibile di Urano è divisibile in due regioni distinte: una calotta polare luminosa e bande equatoriali più scure. La demarcazione tra queste regioni è situata a circa −45° di latitudine. Una fascia prominente e stretta, che si estende attraverso l'intervallo latitudinale da −45° a −50°, costituisce la caratteristica su larga scala più luminosa sulla superficie visibile, comunemente denominata "colletto" meridionale. Si ipotizza che sia la calotta polare che il collare siano costituiti da una densa aggregazione di nubi di metano, che risiedono in un intervallo di pressione compreso tra 1,3 e 2 bar. Oltre a questa estesa struttura a bande, Voyager 2 ha rilevato dieci formazioni nuvolose più piccole e luminose, situate prevalentemente pochi gradi a nord del colletto. Altrimenti, nel 1986, Urano si presentò come un pianeta in gran parte privo di attività atmosferica dinamica.
Quando Voyager 2 raggiunse Urano durante la sua estate australe, le osservazioni dell'emisfero settentrionale non erano possibili. All’inizio del 21° secolo, quando la regione polare settentrionale divenne osservabile, sia il telescopio spaziale Hubble (HST) che il telescopio Keck inizialmente non rilevarono né un collare né una calotta polare in questo emisfero. Di conseguenza, Urano presentava un aspetto asimmetrico, caratterizzato da luminosità vicino al polo sud e oscurità uniforme in tutta la regione a nord del colletto meridionale. Nel 2007, in coincidenza con l'equinozio di Urano, il collare meridionale si era in gran parte dissipato, mentre un sottile collare settentrionale si era materializzato intorno a 45° di latitudine. Più recentemente, nel 2023, un gruppo di ricerca che ha utilizzato il Very Large Array ha identificato un collare scuro a 80° di latitudine e una caratteristica luminosa al polo nord, suggerendo l'esistenza di un vortice polare.
Durante gli anni '90, la prevalenza delle caratteristiche osservate delle nuvole luminose è aumentata in modo significativo, in parte attribuibile all'avvento di nuove metodologie di imaging ad alta risoluzione. La maggior parte di queste caratteristiche furono identificate nell'emisfero settentrionale man mano che diventavano progressivamente visibili. Un'ipotesi iniziale, che suggeriva che le nuvole luminose fossero più facilmente distinguibili nelle regioni più scure dell'emisfero settentrionale mentre erano oscurate dal colletto luminoso nell'emisfero meridionale, è stata successivamente smentita. Nonostante ciò, persistono nette differenze tra le formazioni nuvolose dei due emisferi. Le nubi settentrionali sono caratterizzate da dimensioni più piccole, definizioni più nitide e maggiore luminosità, e sembrano risiedere ad altitudini più elevate. La durata del cloud mostra una notevole variabilità, che abbraccia diversi ordini di grandezza; alcune nubi minori durano solo poche ore, mentre almeno una nube meridionale potrebbe essere persistita dopo l'incontro con la Voyager 2. Osservazioni recenti hanno anche rivelato sostanziali punti in comune tra le caratteristiche delle nubi uraniane e nettuniane. Ad esempio, le macchie scure frequentemente osservate su Nettuno non sono state rilevate su Urano fino al 2006, quando la caratteristica inaugurale, denominata Macchia oscura di Urano, è stata ripresa con successo. Ciò ha portato a ipotizzare che Urano stia progressivamente adottando caratteristiche nettuniane durante il suo periodo equinoziale.
Il monitoraggio meticoloso di numerose caratteristiche nuvolose ha facilitato la quantificazione dei venti zonali all'interno della troposfera superiore di Urano. All'equatore, i venti mostrano un movimento retrogrado, indicando una direzione opposta alla rotazione del pianeta, con velocità che vanno da −360 a −180 km/h (da −220 a −110 mph). Le velocità del vento aumentano con l’aumentare della distanza dall’equatore, diminuendo fino a zero intorno a ±20° di latitudine, che corrisponde al minimo della temperatura troposferica. Procedendo verso i poli, i venti passano ad una direzione prograda, allineandosi con la rotazione di Urano. Queste velocità del vento continuano ad intensificarsi, raggiungendo il picco a circa ±60° di latitudine prima di decelerare fino a zero ai poli. Nello specifico, a -40° di latitudine, la velocità del vento varia tra 540 e 720 km/h (da 340 a 450 mph). A causa dell’effetto oscurante del collare su tutte le nuvole al di sotto di quel parallelo, la velocità del vento tra il collare e il polo sud rimane non misurabile. Al contrario, nell'emisfero settentrionale, velocità di picco che raggiungono gli 860 km/h (540 mph) sono state registrate vicino a +50° di latitudine.
Nel 1986, l'esperimento Voyager 2 Planetary Radio Astronomy (PRA) ha documentato 140 fulmini, identificati come scariche elettrostatiche uraniane (UED), operanti in un intervallo di frequenza di 0,9-40 MHz. Questi UED sono stati rilevati da una distanza di 600.000 km da Urano per un periodo di 24 ore, e la maggior parte era otticamente invisibile. Tuttavia, la modellazione microfisica indica che i fulmini uraniani hanno origine all'interno di tempeste convettive situate in profonde nubi d'acqua troposferiche. Se questa premessa fosse vera, il fulmine non sarebbe osservabile visivamente a causa degli estesi strati nuvolosi che ricoprono la troposfera. Il fulmine uraniano possiede una potenza di circa 108 W, rilascia tra 1×10^7 J e 2×10^7 J di energia e ha una durata media di 120 ms. Si ipotizza che la potenza dei fulmini uraniani possa mostrare una significativa variabilità stagionale, influenzata dalle fluttuazioni dei tassi di convezione delle nuvole. In particolare, il fulmine uraniano è considerevolmente più potente del fulmine terrestre ed è paragonabile in intensità al fulmine gioviano. Durante i suoi incontri con i giganti del ghiaccio, Voyager 2 ha registrato fulmini più distintamente su Urano che su Nettuno, un fenomeno attribuito alla gravità inferiore di Urano e all'atmosfera profonda potenzialmente più calda.
Variazione stagionale
Da marzo a maggio 2004, l'atmosfera di Urano ha mostrato significative formazioni nuvolose, conferendo un'estetica simile a Nettuno. Queste osservazioni hanno documentato velocità del vento senza precedenti, che hanno raggiunto gli 820 km/h (510 mph), insieme a un temporale continuo colloquialmente chiamato "fuochi d'artificio del 4 luglio". Successivamente, il 23 agosto 2006, gli scienziati dello Space Science Institute (Boulder, Colorado) e dell'Università del Wisconsin hanno identificato una macchia scura sulla superficie di Urano, migliorando la comprensione delle sue dinamiche atmosferiche. L’eziologia precisa di questo improvviso aumento dell’attività rimane in gran parte indeterminata; tuttavia, si ipotizza che la pronunciata inclinazione assiale di Urano contribuisca alle fluttuazioni meteorologiche stagionali estreme. Caratterizzare queste variazioni stagionali è impegnativo, principalmente perché i dati atmosferici completi per Urano coprono un periodo inferiore a 84 anni, che costituisce un singolo anno uraniano. Le analisi fotometriche condotte nell'arco di mezzo anno uraniano, a partire dagli anni '50, hanno rivelato variazioni consistenti di luminosità attraverso due bande spettrali, con intensità di picco osservate durante i solstizi e minime durante gli equinozi. Una fluttuazione periodica comparabile, che raggiunge anche il picco ai solstizi, è stata identificata attraverso misurazioni a microonde della troposfera profonda, iniziate negli anni ’60. Inoltre, le valutazioni della temperatura stratosferica, a partire dagli anni ’70, hanno indicato valori massimi prossimi al solstizio del 1986. Questa variabilità osservata è prevalentemente attribuita ad alterazioni nella geometria di visualizzazione.
Le prove suggeriscono il verificarsi di trasformazioni fisiche stagionali su Urano. Mentre Urano è caratterizzato da una luminosa regione polare meridionale, la sua controparte settentrionale appare relativamente debole, una caratteristica incoerente con il modello di cambiamento stagionale precedentemente descritto. Durante il precedente solstizio settentrionale del 1944, Urano mostrò una maggiore luminosità, il che implica che il polo settentrionale non era perennemente fioco. Questa osservazione indica che la luminosità del polo visibile aumenta prima del solstizio e diminuisce dopo l'equinozio. Un'analisi completa dei dati sia visibili che a microonde ha dimostrato che le fluttuazioni periodiche della luminosità non sono del tutto simmetriche attorno ai solstizi, suggerendo ulteriormente modifiche nei modelli di albedo meridionale.
Durante gli anni '90, mentre Urano passava dal suo solstizio, le osservazioni del telescopio spaziale Hubble e degli osservatori terrestri hanno indicato un oscuramento visibile della calotta polare meridionale, ad eccezione del colletto meridionale persistentemente luminoso. Allo stesso tempo, l’emisfero settentrionale ha mostrato un’attività crescente, inclusa una maggiore formazione di nuvole e un’intensificazione della velocità del vento, supportando le previsioni del suo imminente schiarimento. Questo fenomeno anticipato si è materializzato nel 2007, in coincidenza con un equinozio, quando è emerso un sottile collare polare settentrionale, e il collare meridionale è diventato quasi impercettibile. Nonostante questi cambiamenti, il profilo del vento zonale ha mantenuto una leggera asimmetria, con i venti settentrionali che hanno mostrato velocità leggermente inferiori rispetto alle loro controparti meridionali.
I meccanismi sottostanti che guidano queste alterazioni fisiche rimangono in gran parte enigmatici. In prossimità dei solstizi d'estate e d'inverno, gli emisferi di Urano sono alternativamente esposti alla radiazione solare diretta o orientati verso lo spazio profondo. Si ipotizza che l’aumento di luminosità osservato nell’emisfero illuminato dal sole derivi da un ispessimento localizzato delle nubi di metano e degli strati di foschia all’interno della troposfera. Inoltre, il colletto prominente situato a -45° di latitudine è anche associato a formazioni di nubi di metano. Ulteriori modifiche all'interno della regione polare meridionale possono essere chiarite dalle variazioni negli strati nuvolosi inferiori. Le fluttuazioni nelle emissioni di microonde di Urano sono probabilmente attribuibili a cambiamenti nella circolazione troposferica profonda, dato che le dense nubi polari e gli strati di foschia possono impedire i processi convettivi. Con l'avvento degli equinozi di primavera e autunno su Urano, le dinamiche atmosferiche si stanno evolvendo, ripristinando potenzialmente l'attività convettiva.
Magnetosfera
Prima dell'arrivo di Voyager 2, le misurazioni dirette della magnetosfera uraniana non erano disponibili, lasciando le sue caratteristiche in gran parte sconosciute. Prima del 1986, il consenso scientifico prevedeva che il campo magnetico di Urano si sarebbe allineato con il vento solare, corrispondendo quindi ai poli del pianeta situati all'interno del piano dell'eclittica.
La missione del Voyager ha fornito dati che indicano la natura peculiare del campo magnetico di Urano, che non ha origine dal centro geometrico del pianeta né si allinea con il suo asse di rotazione, mostrando un'inclinazione di 59°. Nello specifico, il dipolo magnetico viene spostato dal nucleo di Urano di circa un terzo del raggio planetario, spostandosi verso il polo di rotazione meridionale. Questa configurazione distintiva genera una magnetosfera significativamente asimmetrica, dove le intensità del campo magnetico superficiale variano considerevolmente, da un minimo di 0,1 gauss (10 μT) nell'emisfero meridionale a un massimo di 1,1 gauss (110 μT) nell'emisfero settentrionale. L'intensità media del campo superficiale è registrata come 0,23 gauss (23 μT).
L'analisi dei dati di Voyager 2 condotta nel 2017 suggerisce che questa asimmetria intrinseca facilita una connessione quotidiana tra la magnetosfera di Urano e il vento solare, esponendo così il pianeta alle particelle solari. Al contrario, il campo magnetico terrestre mostra una forza comparabile su entrambi i poli, con il suo equatore magnetico in gran parte parallelo al suo equatore geografico. In particolare, il momento di dipolo di Urano è 50 volte maggiore di quello della Terra. Nettuno mostra anche un campo magnetico similmente spostato e inclinato, suggerendo che questa caratteristica potrebbe essere prevalente tra i giganti del ghiaccio. Un’ipotesi prevalente postula che, a differenza dei campi magnetici dei giganti terrestri e gassosi, che hanno origine nei loro nuclei profondi, i campi magnetici dei giganti ghiacciati sono generati da processi dinamici che si verificano a profondità meno profonde, potenzialmente all’interno di un oceano di acqua e ammoniaca. Una teoria alternativa riguardante l'allineamento della magnetosfera suggerisce la presenza di oceani di diamante liquido all'interno di Urano, che potrebbero influenzare il campo magnetico.
Tuttavia, rimane incerto se l'asimmetria osservata nel campo magnetico di Urano costituisca un tipico stato magnetosferico o rifletta semplicemente un'osservazione casuale durante fenomeni meteorologici spaziali atipici. Una successiva analisi dei dati della Voyager, eseguita nel 2024, indica che la configurazione magnetosferica altamente asimmetrica registrata durante il sorvolo era probabilmente una condizione anomala. Questa conclusione è supportata dalle misurazioni insolitamente elevate della densità del vento solare in quel momento, che potrebbero aver indotto la compressione della magnetosfera di Urano. Inoltre, questa interazione con l’evento del vento solare potrebbe chiarire l’apparente paradosso della coesistenza di robuste cinture di radiazione elettronica con una densità di plasma magnetosferico altrimenti bassa misurata. Si stima che tali condizioni ambientali si manifestino meno del 5% delle volte.
Nonostante il suo caratteristico allineamento, la magnetosfera di Urano condivide diverse caratteristiche con quelle di altri pianeti. È dotato di un arco shock posizionato a circa 23 raggi uraniani a monte, una magnetopausa a 18 raggi uraniani, una coda magnetica completamente sviluppata e cinture di radiazioni distinte. In generale, l'organizzazione strutturale della magnetosfera di Urano diverge da quella di Giove ma presenta una maggiore somiglianza con quella di Saturno. La coda magnetica di Urano si estende per milioni di chilometri nello spazio, adottando una prolungata configurazione a cavatappi a causa della rotazione obliqua del pianeta.
La magnetosfera di Urano comprende particelle cariche, prevalentemente protoni ed elettroni, integrate da una minore concentrazione di ioni H2+. Si ipotizza che una parte significativa di queste particelle provenga dalla termosfera. Le energie ioniche possono raggiungere fino a 4 megaelettronvolt, mentre le energie degli elettroni possono estendersi fino a 1,2 megaelettronvolt. All'interno della magnetosfera interna, la densità degli ioni a bassa energia (inferiore a 1 kiloelettronvolt) è di circa 2 cm−3. La distribuzione di queste particelle è sostanzialmente influenzata dalle lune di Urano, che attraversano la magnetosfera, creando vuoti distinguibili. Il flusso di particelle è sufficientemente intenso da indurre l’oscuramento della superficie o l’erosione spaziale su queste lune e anelli, che si verificano su una scala temporale astronomicamente rapida di 100.000 anni. Questo fenomeno è potenzialmente responsabile della colorazione uniformemente scura osservata sui satelliti e sugli anelli di Urano.
Urano mostra aurore relativamente ben sviluppate, che si manifestano come archi luminosi che circondano entrambi i poli magnetici. A differenza delle aurore di Giove, quelle di Urano sembrano esercitare un'influenza trascurabile sul bilancio energetico della termosfera planetaria. Questi fenomeni aurorali, in particolare le loro emissioni spettrali infrarosse attribuite ai cationi triidrogeno, sono stati sottoposti a indagini approfondite fino alla fine del 2023.
Nel marzo 2020, gli astronomi della NASA hanno annunciato l'identificazione di una sostanziale bolla magnetica atmosferica, chiamata plasmoide, proveniente da Urano e che si disperde nello spazio. Questa scoperta è il risultato di una rivalutazione dei dati storici acquisiti dalla sonda spaziale Voyager 2 durante il suo sorvolo planetario del 1986.
Lune
Urano possiede 29 satelliti naturali identificati. La loro nomenclatura deriva da personaggi presenti nelle opere letterarie di William Shakespeare e Alexander Pope. I cinque satelliti principali includono Miranda, Ariel, Umbriel, Titania e Oberon. Il sistema satellitare uraniano mostra la massa totale più bassa tra i sistemi satellitari dei pianeti giganti; la massa cumulativa dei suoi cinque satelliti principali è meno della metà di quella di Tritone, la luna più grande di Nettuno. Titania, il più grande dei satelliti di Urano, misura un raggio di soli 788,9 km (490,2 mi), che è meno della metà del raggio della Luna ma supera leggermente quello di Rea, il secondo satellite più grande di Saturno, posizionando così Titania come l'ottava luna più grande all'interno del Sistema Solare. I satelliti di Urano generalmente mostrano un'albedo bassa, che varia da 0,20 per Umbriel a 0,35 per Ariel (se osservati in luce verde). Questi corpi sono conglomerati di ghiaccio-roccia, per composizione circa il 50% di ghiaccio e il 50% di roccia. La componente ghiacciata può incorporare ammoniaca e anidride carbonica.
Tra i satelliti di Urano, Ariel presenta la superficie geologicamente più giovane, caratterizzata dalla più bassa densità di crateri da impatto, mentre Umbriel mostra quella più antica. Miranda presenta canyon di faglia che si estendono per 20 km (12 miglia) di profondità, strati geologici terrazzati e una distribuzione altamente eterogenea di età superficiali e caratteristiche morfologiche. Si ipotizza che l'attività geologica storica di Miranda sia stata provocata dal riscaldamento delle maree durante un periodo in cui la sua orbita era più eccentrica rispetto al suo stato attuale, probabilmente derivante da una precedente risonanza orbitale 3:1 con Umbriel. Processi geologici estensionali, legati all'ascesa dei diapiri, sono considerati la probabile genesi delle caratteristiche corone a forma di "pista" di Miranda. Si ritiene che Ariel abbia precedentemente mantenuto una risonanza orbitale 4:1 con Titania.
Urano possiede almeno un orbitante a ferro di cavallo, designato 83982 Crantor, che occupa il punto lagrangiano Sole-Urano L3, una regione gravitazionalmente instabile situata a 180° lungo la sua orbita. Crantor attraversa la regione coorbitale di Urano lungo una traiettoria a ferro di cavallo intricata e transitoria. Anche l'UE65 del 2010 è considerato un candidato promettente per un libratore a ferro di cavallo uraniano.
Sistema di anelli
Il sistema di anelli di Urano comprende particelle eccezionalmente scure, con dimensioni che vanno dai micrometri alle frazioni di metro. Attualmente sono stati identificati tredici anelli distinti, di cui l'anello ε è il più luminoso. Escludendo due anelli specifici, tutti gli altri all'interno del sistema uraniano sono notevolmente stretti, in genere si estendono solo per pochi chilometri in larghezza. Si ipotizza che gli anelli siano geologicamente giovani; analisi dinamiche suggeriscono che non si sono co-formati con Urano. Il materiale che costituisce gli anelli potrebbe aver avuto origine da una o più lune che furono frammentate da impatti ad alta velocità. Dei vasti detriti generati da questi impatti, solo un numero limitato di particelle persisteva all'interno di zone stabili, che corrispondono alle attuali posizioni degli anelli.
William Herschel documentò una potenziale struttura ad anello che circonda Urano nel 1789. Questa osservazione è in gran parte considerata discutibile, principalmente a causa della debolezza intrinseca degli anelli e dell'assenza di osservazioni corroboranti da parte di altri astronomi nei due secoli successivi. Tuttavia, Herschel fornì una descrizione precisa delle dimensioni dell'anello epsilon, del suo orientamento angolare rispetto alla Terra, della sua tonalità rossastra e delle variazioni osservate mentre Urano orbita attorno al Sole. Il sistema di anelli fu definitivamente identificato il 10 marzo 1977 da James L. Elliot, Edward W. Dunham e Jessica Mink, utilizzando l'Osservatorio aereo di Kuiper. Questa scoperta è avvenuta fortuitamente; il loro obiettivo iniziale era studiare l'atmosfera di Urano attraverso l'occultazione della stella SAO 158687 (nota anche come HD 128598) da parte del pianeta. Dopo l'analisi delle loro osservazioni, si notò che la stella scomparve brevemente dalla vista cinque volte sia prima che dopo la sua occultazione da parte di Urano. Ciò li ha portati a dedurre l'esistenza di un sistema di anelli attorno a Urano. Successivamente furono rilevati altri quattro anelli. L'immagine diretta degli anelli è stata ottenuta durante il sorvolo di Urano del 1986 da parte della Voyager 2. Voyager 2 ha inoltre identificato altri due deboli squilli, portando il conteggio totale a undici.
Nel dicembre 2005 il telescopio spaziale Hubble ha identificato due anelli precedentemente sconosciuti. Il più grande di questi anelli è situato a una distanza doppia da Urano rispetto agli anelli precedentemente documentati. A causa della loro notevole distanza da Urano, questi anelli appena identificati vengono collettivamente indicati come il sistema di anelli "esterni". Hubble ha inoltre osservato due satelliti minori, uno dei quali, chiamato Mab, coorbita con l'anello più esterno scoperto di recente. L'inclusione di questi nuovi anelli aumenta il conteggio totale degli anelli di Urano a 13. Nell'aprile 2006, le immagini di questi nuovi anelli ottenute dall'Osservatorio Keck hanno rivelato i loro colori distinti: l'anello più esterno presenta una tonalità blu, mentre l'altro appare rosso. Un'ipotesi prevalente suggerisce che la colorazione blu dell'anello esterno derivi dalla sua composizione di minute particelle di ghiaccio d'acqua provenienti dalla superficie di Mab, che sono sufficientemente piccole da diffondere la luce blu. Al contrario, gli anelli interni di Urano presentano un aspetto grigio.
Nonostante le sfide intrinseche nell'osservazione diretta degli anelli di Urano dalla Terra, i progressi nella tecnologia dell'immagine digitale hanno consentito a numerosi astronomi dilettanti di catturare con successo immagini di questi anelli utilizzando filtri rossi o infrarossi; telescopi con aperture modeste fino a 36 cm (14 pollici) possono essere in grado di rilevare gli anelli se equipaggiati con un apparato di imaging appropriato.
Esplorazione
Iniziata nel 1977, la Voyager 2 ha eseguito il suo sorvolo più vicino a Urano il 24 gennaio 1986, avvicinandosi a 81.500 km (50.600 miglia) dalle nubi del pianeta, prima di procedere con la sua traiettoria verso Nettuno. La sonda ha studiato meticolosamente la struttura atmosferica e la composizione chimica di Urano, comprendendo i suoi caratteristici modelli meteorologici, attribuiti alla sua pronunciata inclinazione assiale. Ha condotto gli esami dettagliati inaugurali delle cinque lune più grandi di Urano e ne ha individuate altre dieci. Voyager 2 ha esaminato attentamente tutti i nove anelli precedentemente identificati all'interno del sistema e ha scoperto altri due anelli. Inoltre, ha analizzato il campo magnetico, notando la sua configurazione irregolare, la sua inclinazione e la sua caratteristica coda magnetica a forma di cavatappi, che deriva dall'orientamento laterale di Urano.
Da quel momento, nessun altro veicolo spaziale ha effettuato un sorvolo di Urano, nonostante numerose missioni La fattibilità di reindirizzare la navicella Cassini da Saturno a Urano è stata valutata durante una fase di pianificazione dell'estensione della missione nel 2009; tuttavia, questa opzione fu infine scartata a favore della sua distruzione controllata all'interno dell'atmosfera di Saturno, dato che il viaggio verso il sistema uraniano dopo la partenza da Saturno avrebbe richiesto circa due decenni. Una potenziale sonda di ingresso di Urano potrebbe sfruttare l’eredità progettuale della Pioneer Venus Multiprobe per scendere a profondità di 1–5 atmosfere. Il Planetary Science Decadal Survey 2013-2022, pubblicato nel 2011, ha approvato la missione Uranus Orbiter and Probe, che proponeva una finestra di lancio tra il 2020 e il 2023, seguita da un transito di 13 anni su Urano. Questa raccomandazione è stata ribadita nel 2022, quando una missione sonda/orbiter di Urano ha ricevuto la designazione di priorità più alta, principalmente a causa della conoscenza limitata dei giganti di ghiaccio. Più recentemente, l'orbiter Jupiter Tianwen-4 della CNSA, il cui lancio è previsto per il 2029, è progettato per schierare una sottosonda che si staccherà e utilizzerà un'assistenza gravitazionale, invece di entrare in orbita, per eseguire un sorvolo di Urano nel marzo 2045 prima di procedere nello spazio interstellare. Inoltre, la Cina ha delineato i piani per una potenziale missione Tianwen-5, che potrebbe potenzialmente orbitare attorno a Urano o Nettuno, sebbene questi piani non si siano ancora concretizzati.
Nella cultura
Oltre alla sua frequente apparizione in narrazioni di fantasia, Urano è servito da ispirazione per varie creazioni artistiche, come la poesia di Lydia Sigourney del 1827 The Georgian Planet e un movimento specifico all'interno della suite orchestrale di Gustav Holst The Planets, composta tra il 1914 e il 1916. Alla scoperta del pianeta da parte di Herschel si allude anche nei versi "Allora sentivo che mi piaceva un osservatore del pianeta" cieli/Quando un nuovo pianeta nuota nella sua comprensione", si trova nella poesia di John Keats "On First Looking into Chapman's Homer". L'identificazione del pianeta ha inoltre portato alla nomenclatura dell'elemento chimico uranio, che fu scoperto indipendentemente nel 1789 dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth.
Nell'astrologia contemporanea, il pianeta Urano (simbolo ) è designato come il pianeta dominante dell'Acquario; storicamente, prima della scoperta di Urano, Saturno deteneva questo dominio astrologico sull'Acquario. Data la colorazione ciano di Urano e la sua associazione con l'elettricità, la tonalità "blu elettrico", che si avvicina molto al ciano, è collegata al segno zodiacale dell'Acquario.
Note
- Pultarova, Tereza (1 ottobre 2021). "I chicchi di grandine puzzolenti su Urano potrebbero spiegare un'anomalia atmosferica lì (e anche su Nettuno)." Space.com.Miner, Ellis D. (1998). Uranus: The Planet, Rings and Satellites. New York: John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-97398-0.Gore, Rick (agosto 1986). "Urano: Voyager visita un pianeta oscuro." National Geographic, vol. 170, n. 2, pp. 178–194. ISSN0027-9358. OCLC 643483454.Alexander, Arthur Francis O'Donel (1965). The Planet Uranus: A History of Observation, Theory and Discovery. New York: American Elsevier Publishing Company.Bode, Johann Elert (1784). Von Dem Neu Entdeckten Planeten [Dal pianeta appena scoperto] (in tedesco). Berlino: Bey dem Verfasser. Codice Biblico:1784vdne.book.....B. doi:10.3931/e-rara-1454.
- Urano presso l'Agenzia spaziale europea
- Urano nel fotogiornale planetario del Jet Propulsion Laboratory (foto)
- Montaggio del sistema uraniano (foto)
- Grigio, Meghan; Merrifield, Michael (2010). "Urano." Sessanta simboli. Brady Haran per l'Università di Nottingham.
- "Uranus Rings photos", James Webb Space Telescope, NASA, 18 dicembre 2023, recuperato il 19 dicembre 2023Fonte: Archivio TORIma Accademia