天王星

天王星长达21年的季节是怎样形成的？

天王星的自转轴倾斜97.77°，几乎侧躺着绕太阳运行。它绕太阳一周约需84年，如果把春、夏、秋、冬平均分成四段，每个季节就约有21年。漫长的公转周期和侧躺的姿态，使接受阳光照射的极区与纬度在数十年间不断变化。

季节变化虽然缓慢，天王星的一天却并不长。2025年公布的Hubble观测把它的自转周期精确测定为17小时14分52秒。快速自转使大气和磁场每天随行星转一圈，而阳光的分布则要用接近人类一生的时间慢慢改变。

Voyager 2在1986年飞掠天王星时，正值南极一侧朝向太阳的季节。可见光照片中的天王星像一个几乎没有纹理的蓝绿色圆盘。但那幅景象只记录了一个季节、一个方向，而且近距离观测时间仅约5小时30分钟。

Hubble在2002年、2012年、2015年和2022年用同一台仪器观测大气。南极区随着冬季临近而变暗，北极区则在接近夏季时逐渐变亮。北极的甲烷含量一直较低，但由阳光促成的霾粒子大幅增加。所谓“20年研究”并不是连续拍摄了20年，而是用同一标准比较四个时间点的测量结果。

天王星没有可供探测器着陆的坚硬表面。外层是富含氢和氦的大气，越往下压力和温度越高，气体与液体的界线也逐渐模糊。更深处可能混合着高温、高密度状态的水、氨和甲烷类物质。

行星科学把这些物质称为“冰”，是因为它们在太阳系形成时的低温环境中能够冻结。这并不表示今天的天王星内部是一团寒冷的冰。各种成分如何混合、分层边界位于哪里，会随用于解释重力和磁场资料的内部模型而不同。

天王星曾显得寒冷而平静，很大程度上是因为人类的近距离资料主要来自Voyager 2在1986年唯一一次到访。

计算行星内部热量时，要从它向太空辐射的全部能量中减去吸收的太阳能。Voyager 2飞掠之后，人们认为天王星放出的能量与接收的能量大致相等，因而几乎没有内部热量。这个解释很大程度上依赖一次近距离热测量，以及当时对反射阳光总量的估算。

2025年，研究人员利用多年地面望远镜和Hubble的资料，重新计算天王星向各个方向反射的阳光。结果估计，天王星释放的能量比从太阳获得的多约15%。过去“没有内部热量”的说法因此得到修正；不过，与释放能量超过接收量两倍的海王星相比，这一差额依然很小。

约15%并不是直接测量天王星所有纬度和所有季节所得的数值，而是结合长期观测与大气模型得出的估计。要解释天王星的内部热量为何如此少，还需要从多个方向重新测量不同季节的反射光和热辐射。

Voyager 2测得，天王星的磁轴与自转轴相差约59°，磁场中心也偏离行星中心约三分之一个行星半径。这与磁极靠近自转轴的地球不同。由于天王星本身侧躺着自转，延伸到背向太阳一侧的磁尾也被扭成长长的螺旋。

这种形态表明，产生磁场的导电物质可能不在行星最深的核心区，而分布于较靠外、相对浅的层次。不过Voyager 2只沿一条路径飞过一次，无法完全区分随时间发生的变化和不同位置之间的差异。因此，发电机层的深度与成分仍未确定。

与大型天体相撞，是解释天王星巨大轴倾角的主要假说之一，但没有直接证据证明某一次撞击就是实际原因。科学家也在研究，多次撞击或早期卫星系统的相互作用，能否同时解释今天的自转、内部结构和卫星轨道。

1986年1月24日，Voyager 2从距离云顶约81,500公里处飞过，成为迄今唯一造访天王星的航天器。它新发现了十颗卫星和两道环，还测得出人意料的磁场，但近距离观测仅持续约5小时30分钟。

美国2023—2032年行星科学十年规划建议，把天王星轨道器与大气探测器列为新的旗舰级任务中的最高优先项目。设想中的轨道器将在数年间反复测量重力、磁场、热量、行星环和卫星，大气探测器则下降到大气中，直接测量成分、温度和压力。截至2026年8月，这仍是提议中的任务，NASA尚未确认发射日程。

天王星97.77°的倾角造就了长达21年的季节，极区的霾和云也随季节变化。然而，仅靠阳光变化无法同时解释倾斜的磁场和微弱的内部热量。不同的观测分别展现了天王星大气和深层内部的不同面貌。

Voyager 2留下了一次近距离画面，Hubble则把数十年的变化连接起来。下一步需要的不是在某个季节短暂飞过，而是连续多年反复测量同一颗行星。这样才能分辨的不只是天王星为何侧躺，还包括内部的热量与物质怎样驱动大气和磁场。