URANO(3)
Struttura interna
Urano (come Nettuno) è solo in parte simile alla parte interna di Giove e Saturno, non essendo presente l'idrogeno metallico liquido che i due pianeti giganti posseggono, grazie alle pressioni enormi che esercitano sulle loro parti interne. Urano, di massa più piccola, non può generare una pressione sufficiente. Il nucleo roccioso di Urano è relativamente piccolo e poco massiccio, inoltre si differenzia da Nettuno e dagli altri pianeti giganti per la mancanza di calore interno: in termini astronomici esso ha un basso flusso termico. Non è chiaro esattamente il motivo per cui Urano non irradia verso l'esterno energia, come fa ad esempio il "gemello" Nettuno, che irradia 2,61 volte più energia nello spazio di quanto ne riceve dal Sole. Il calore irradiato da Urano nella banda del lontano infrarosso dello spettro è solo 1,06 ± 0,08 volte l'energia solare assorbita nella sua atmosfera. Infatti, il flusso di calore di Urano è solo 0,042 ± 0,047 W/m2, che è inferiore al flusso di calore interno della Terra di circa 0,075 W/m2. La temperatura più bassa registrata nella tropopausa di Urano è di 49 K (-224 °C), il che rende Urano il pianeta più freddo del Sistema Solare.La struttura interna di Urano sta a significare che non possiede una crosta solida; il gas atmosferico diventa sempre più denso procedendo verso l'interno e gradualmente si converte in liquido. Per convenzione, viene designata come superficie di uno sferoide oblato il punto dove la pressione atmosferica è pari a 1 bar; quindi Urano ha un raggio equatoriale e un raggio polare pari rispettivamente a 25 559 ± 4 e 24 973 ± 20 km.
Una delle ipotesi per questa differenza rispetto altri altri giganti gassosi è che quando Urano fu colpito nell'impatto col corpo che ha causato la sua peculiare inclinazione assiale, venne espulsa la maggior parte del calore interno originario, riducendo sensibilmente la temperatura del nucleo. Un'altra ipotesi è che ci sia un qualche tipo di barriera negli strati superiori che impedisce al calore del nucleo di raggiungere la superficie. Ad esempio, potrebbe esistere una convezione tra strati di diversa composizione, che inibisce il trasporto di calore verso l'esterno.
Atmosfera
Il colore ciano del pianeta è dovuto alla presenza di metano nell'atmosfera, che assorbe la luce rossa e riflette quella blu. La temperatura della superficie delle nuvole che ricoprono Urano è di circa 55 K (−218 °C). Urano è talmente distante dal Sole che l'escursione termica tra l'estate e l'inverno è quasi nulla.L'atmosfera è composta da idrogeno (83%), elio (15%), metano (2%) e con tracce di acqua ed ammoniaca. Le capacità degli strumenti di rilevazione permettono di raggiungere una profondità di circa 300 km al di sotto dello strato alla pressione di 1 bar assunto come zero altimetrico, a cui corrispondono una pressione di 100 bar ed una temperatura di 320 K. L'atmosfera può essere divisa in tre strati: la troposfera, ad un'altitudine compresa tra i -300 sotto al livello dove la pressione è pari a un bar e 50 km, con pressioni che variano da 100 a 0,1 bar (10 MPa a 10 kPa), la stratosfera, ad altitudini tra i 50 e 4000 km e pressioni tra 0,1 e 10-10 bar (10 kPa a 10 Pa), e la termosfera/ corona, che si estende da 4000 km a 50.000 km sulla superficie.
Troposfera
La troposfera è la regione inferiore e più densa dell'atmosfera ed è caratterizzata dalla diminuzione della temperatura con l'altezza. La temperatura varia da circa 320 K alla base della troposfera, a −300 km, a 53 K a 50 km. La sonda Voyager 2 durante il fly-by al pianeta rilevò la presenza di nubi di metano attraverso misurazioni radio durante un'occultazione, tuttavia gli altri strati nuvolosi di Urano non sono ben noti. È stato ipotizzato che nuvole d'acqua giacciano entro i 50-100 bar di pressione, nuvole di idrosolfuro di ammonio (NH4HS) entro i 20-40 bar, nuvole di ammoniaca o acido solfidrico entro i 3-10 bar ed infine nuvole di metano entro 1-2 bar. La troposfera è una regione molto dinamica dell'atmosfera, manifestando forti venti, moti convettivi, nubi altamente brillanti e cambiamenti stagionali.
Atmosfera superiore
Lo strato intermedio dell'atmosfera di Urano è la stratosfera, dove le temperature generalmente variano con l'altezza a partire da 53 K, in corrispondenza della tropopausa, fino a valori compresi tra gli 800 e gli 850 K alla base della termosfera. Il riscaldamento che si verifica nella stratosfera è dovuto all'assorbimento di radiazione solare, nell'ultravioletto e nell'infrarosso, da parte del metano e di altri idrocarburi, che si formano in questa regione dell'atmosfera in conseguenza della fotolisi del metano. Gli idrocarburi più abbondanti sono l'acetilene e l'etano con un'abbondanza di circa 10−7, misurata come rapporto rispetto a quella dell'idrogeno. Il metano ed il monossido di carbonio alle stesse altitudini presentano valori simili, mentre idrocarburi più pesanti e l'anidride carbonica sono presenti con abbondanze tre ordini di grandezza più piccole.
L'etano e l'acetilene tendono a condensare nella parte inferiore (e più fredda) della stratosfera e nella tropopausa formando strati di foschia, che potrebbero essere parzialmente responsabili dell'aspetto mite di Urano. La concentrazione degli idrocarburi nella stratosfera del pianeta è significativamente inferiore rispetto a quanto riscontrato nelle stratosfere degli altri pianeti giganti.
Lo strato più esterno dell'atmosfera di Urano è la termosfera/corona, che presenta una temperatura uniforme compresa tra 800 e 850 K. La fonte di calore responsabile di un valore così alto della temperatura non è stata ancora identificata, perché né le radiazioni solari ultraviolette né l'attività delle aurore polari, peraltro insignificanti rispetto alle aurore di Giove e Saturno, possono fornire la necessaria energia. Oltre a idrogeno molecolare, la termosfera-corona contiene una notevole quantità di atomi di idrogeno libero. La loro piccola massa insieme con le alte temperature spiega il perché la corona si estende fino a 50 000 km di altitudine dalla superficie, equivalenti a due raggi di Urano. Questa corona tanto estesa è una caratteristica che rende Urano unico tra i pianeti. I suoi effetti includono una forza di resistenza fluidodinamica sulle piccole particelle in orbita attorno al pianeta, determinando l'impoverimento degli anelli dalla polvere.
La termosfera uraniana, nella parte superiore della stratosfera, corrisponde alla ionosfera di Urano. Le osservazioni mostrano che la ionosfera si trova ad altitudini comprese tra i 2 000 e 10 000 km. La ionosfera di Urano è più densa di quella di Saturno e Nettuno; ciò potrebbe derivare dalla minore concentrazione di idrocarburi nella stratosfera.. La ionosfera è sostenuta principalmente dalla radiazione solare ultravioletta e la sua densità dipende dall'attività solare.
Bande, nubi e venti
Nel 1986, la Voyager 2 scoprì che l'emisfero meridionale visibile di Urano può essere suddiviso in due regioni: una luminosa calotta polare e bande equatoriali scure Il loro confine si trova a circa -45° di latitudine. Una banda brillante tra le latitudini da -45 a -50° era la caratteristica più visibile dell'atmosfera esterna. Si pensa che questa struttura, chiamata il "collare del sud", sia una regione densa di nubi di metano situate all'interno del campo di pressione compreso tra 1,3 e 2 bar. Oltre alla struttura a bande su larga scala, la Voyager 2 osservò dieci piccole nuvole luminose, parecchi gradi a nord del collare, mentre per il resto Urano appariva come un pianeta morto dinamicamente. La Voyager 2 arrivò durante la piena estate australe di Urano e non riuscì osservare l'emisfero settentrionale. All'inizio del XXI secolo, quando la regione polare settentrionale cominciava a rendersi visibile dalla Terra, il Telescopio Spaziale Hubble e i Telescopi Keck inizialmente non osservarono nessun collare o calotta polare nell'emisfero nord. Tuttavia, quando Urano passò oltre il suo equinozio, il collare meridionale era quasi scomparso, mentre un debole collare settentrionale iniziava a formarsi vicino alla latitudine 45°N.
Nel 1990, grazie al miglioramento delle tecniche osservative dalla Terra, si osservarono le nubi dell'emisfero settentrionale, che iniziavano a divenire visibili dalla Terra. Vennero trovate molte nubi luminose, più che nell'emisfero meridionale, anche perché nell'emisfero sud il collare luminoso tendeva a mascherarne diverse, togliendo contrasto alle immagini. La differenza principale tra i due emisferi pare sia l'altitudine più elevata alla quale si trovano le nubi dell'emisfero nord, che sembrano più piccole ma più nitide e brillanti. Molte piccole nuvole osservate avevano una durata di poche ore, tuttavia furono osservate formazioni più persistenti, come una "Macchia Scura" (Uranus Dark Spot) che mai era stata osservata prima del 2006, a differenza che nell'atmosfera di Nettuno. Questa scoperta ha evidenziato come Urano, nella sua fase equinoziale, pare molto più simile a Nettuno di quanto si pensasse in precedenza.
La velocità massima dei venti è stata rilevata nell'emisfero settentrionale nei pressi della latitudine +50°N, dove i venti possono raggiungere facilmente gli 850 km/h, con punte fino a 900 km/h. I venti all'equatore spirano in direzione retrograda, ossia in direzione opposta alla rotazione del pianeta, con velocità comprese tra -100 e -50 m/s. La velocità del vento aumenta con la distanza dall'equatore, raggiungendo valori vicino allo zero a ± 20° di latitudine, dove si trova la temperatura minima della troposfera. Più vicino ai poli, i venti si muovono in moto diretto, nello stesso senso della rotazione di Urano. La velocità del vento continua ad aumentare raggiungendo i massimi a ± 60° di latitudine, prima di scendere a zero nei pressi dei poli. Nell'emisfero sud, il collare oscura le dinamiche atmosferiche nelle vicinanze del polo sud, impedendo la misurazione della velocità dei venti.
Clima
L'atmosfera di Urano è piuttosto regolare rispetto agli altri giganti gassosi, anche rispetto a Nettuno, il più simile per altri aspetti. Quando la Voyager 2 si avvicinò a Urano nel 1986, furono osservate solo una decina di formazioni nuvolose su tutto il pianeta.Una spiegazione proposta per questo è il basso calore interno di Urano rispetto a quella degli altri pianeti giganti. La temperatura più bassa registrata nella tropopausa di Urano è di 49 K, rendendo Urano il pianeta più freddo del sistema solare, ancora più freddo del più lontano Nettuno.
Cambiamenti stagionali
Per un breve periodo, da marzo a maggio del 2004, grandi nubi apparvero nell'atmosfera di Urano, compresa una tempesta persistente, mentre furono misurati venti spirare a oltre 800 km/h, rendendo Urano simile nell'aspetto a Nettuno. Il 23 agosto 2006, ricercatori dello Space Science Institute e dell'Università del Wisconsin osservarono una macchia scura sulla superficie di Urano, consentendo agli astronomi di reperire maggiori informazioni sull'attività atmosferica di Urano. Non è completamente noto il perché di questi cambiamenti, ma sembrano essere legati all'inclinazione assiale di Urano che causa delle variazioni stagionali del clima di lunga durata, a seconda della posizione del pianeta nella sua orbita attorno al Sole. Determinare la natura di questa variazione stagionale non è semplice in quanto i dati atmosferici di Urano sono noti da meno di 84 anni, durata dell'anno uraniano. Dal 1950 si sono osservate variazioni di luminosità con massimi durante i solstizi e minimi durante gli equinozi. Anche alcune misure della temperatura stratosferica, a partire dal 1970, hanno mostrato cambiamenti più significativi in prossimità del solstizio del 1986.
Ci sono alcune ragioni per ritenere che cambiamenti fisici stagionali stiano avvenendo su Urano. Negli ultimi decenni l'emisfero sud è stato nettamente più brillante, tuttavia durante il precedente solstizio nell'emisfero nord il polo nord era più brillante, e nel 1990, dopo un certo periodo del solstizio nell'emisfero sud, la calotta polare sud si stava notevolmente oscurando (tranne il collare sud), confermando l'ipotesi che il polo che si avvicina al solstizio si illumina per un determinando periodo, e si oscura passato l'equinozio. Nel 2007 infatti, dopo l'equinozio, è apparsa una debole calotta polare nord, mentre quella meridionale diventò quasi invisibile, anche se il profilo dei venti è comunque leggermente asimmetrico, con i venti dell'emisfero nord generalmente un po' più deboli di quelli dell'emisfero sud.
Il meccanismo dei cambiamenti di Urano non è del tutto chiaro. Si pensa che la variazione della luminosità dell'emisfero illuminato dal Sole derivi dal locale ispessimento delle nubi di metano e degli strati di foschia che si trovano nella troposfera. Il collare luminoso a -45° di latitudine è anch'esso collegato alle nubi di metano. Altre variazioni nella regione polare sud si possono spiegare con cambiamenti negli strati più bassi delle nubi. Le nubi polari spesse e la foschia possono inibire la convezione, ma ora che gli equinozi di primavera e autunno stanno arrivando su Urano, le dinamiche della convezione potrebbero cambiare nuovamente.