천왕성의 물리적 특성

물리적 특성

천왕성은 주로 암석으로 이루어져 있습니다. 여러 성분이 다른 수빙물질로 구성돼 있는데 주요 원소는 수소(83%)이고 다음으로 헬륨(15%)이 뒤를 이었습니다. 많은 면에서 천왕성(해왕성도)은 대부분 기체 수소로 이루어진 목성과 토성과는 달리 목성과 토성의 지핵 부분에 비교적 가깝고, 목행성이 둘러싸고 있는 거대한 액체 가스 표면(주로 금속수소 화합물 가스가 중력을 받아 액화되어 형성됨)은 없습니다. 천왕성은 토성과 목성과 같은 암석내핵이 없습니다. 금속성분은 비교적 평균적인 상태로 지각 전체에 분포합니다. 직접 육안으로 관찰하면 천왕성의 표면이 양청색을 띠는데, 이는 메탄 대기가 적색 스펙트럼을 대부분 흡수하기 때문입니다.

내부 구조
천왕성은 주로 암석과 함께 있습니다. 여러 성분이 다른 수빙물질로 구성돼 있는데 주요 원소는 수소(83%)이고 다음으로 헬륨(15%)이 뒤를 이었습니다. 많은 면에서 천왕성(해왕성도)은 대부분 기체 수소로 이루어진 목성과 토성과는 달리 목성과 토성의 지핵 부분에 비교적 가깝고, 목행성이 둘러싸고 있는 거대한 액체 가스 표면(주로 금속수소 화합물 가스가 중력을 받아 액화되어 형성됨)은 없습니다. 천왕성의 질량은 대략 지구의 14.5배이며, 목행성류 중 질량이 가장 작습니다. 밀도는 1.29 ㎥/cm²로 토성보다 약간 높습니다. 지름은 해왕성과 비슷하지만(대략 지구의 4배) 질량은 낮습니다. 이 수치들은 천왕성이 주로 각종 휘발성 물질, 예를 들면 물, 암모니아로 되어 있음을 나타냅니다. 메탄과 함께 구성되어 있습니다. 천왕성 내부의 얼음의 총 함량은 정확히 알 수 없습니다. 선택한 모델에 따라 다르지만 지구 질량의 9.3에서 13.5배 사이입니다. 수소와 헬륨은 전체에서 아주 작은 부분만 차지하고 0.5~1.5 지구의 질량입니다. 남은 질량(0.5~3.7지구 질량)이 암석 물질입니다.

천왕성의 표준 모형 구조는 세 가지 차원을 포함합니다. 중심에는 암석의 핵, 가운데에는 얼음 맨틀, 가장 바깥에는 수소/헬륨으로 이루어진 껍데기가 있습니다. 이에 비해 핵은 0.55지구 질량으로 천왕성의 20% 미만이고 맨틀은 지구보다 질량이 약 13.4배 크며, 최외층의 대기권은 상대적으로 불명확해 나머지 20%의 반경을 확장 점유하지만 질량은 0.5배 정도밖에 안 됩니다. 천왕성 핵의 밀도는 대략 9g/cm²입니다. 핵과 맨틀의 경계에서의 압력은 800만 바와 대략 5000K의 온도입니다. 아이스 맨틀은 사실 일반적인 의미에서 소위 얼음으로 이루어진 것이 아니라 물, 암모니아, 기타 휘발성 물질로 이루어진 뜨겁고 조밀한 유체입니다. 이 유체들은 높은 전도성을 가지고 있습니다. 물-암모니아라고 불리는 바다입니다. 천왕성과 해왕성의 큰 구조는 목성과 토성과는 상당히 다릅니다. 얼음의 성분이 가스보다 많기 때문에 이들을 분리해서 얼음 거성으로 만들 이유가 있습니다.

위에 생각한 모델들이 많거나 많거나 적으면 표준이지만 다른 모델도 관측 결과를 만족시킬 수 있습니다. 예를 들어 대량의 수소와 암석이 맨틀에 섞이면 얼음의 총량이 줄어들고 상대적인 암석과 수소의 총량이 높아집니다. 어떤 모델이 옳은지 확인할 수 있는 데이터로는 충분하지 않습니다. 천왕성 내부의 유체 구조는 고체 표면이 없다는 것을 의미하며, 기체의 대기권은 내부로 변해가는 액체층 안입니다. 그러나 편구체의 회전을 용이하게 하기 위해 대기압이 1바게트에 달하고 행성의 표면으로 고려했을 때 천왕성은 적도반경이 2만5559±4, 극반경이 2만4973±20km입니다. 이런 표면은 높이의 0점이 될 것입니다. 

 

내열
천왕성의 내열은 다른 목성형 행성보다 낮은 것으로 나타났습니다. 천문적인 항목에서는 낮은 열 유량입니다. 천왕성 내부의 온도가 왜 이렇게 낮은지 여전히 잘 모르겠습니다. 크기와 성분이 쌍둥이처럼 생긴 해왕성은 태양의 2.61배에 달하며, 반대로 천왕성은 많은 열을 방출하지 않습니다. 천왕성이 원홍색 바깥(즉, 열방사) 부분에서 방출하는 총 에너지는 대기권이 태양열 흡수량의 1.06±0.08배에 달합니다. 사실 천왕성의 열류량은 0.042±0.047w/m²에 불과합니다. 지구 내의 열류량 0.075w/m²보다 훨씬 낮습니다. 천왕성 대류층 천장의 온도 최저 온도 기록이 49K에 불과해 천왕성을 태양계에서 가장 낮은 온도의 행성으로 만들었습니다. 해왕성보다 더 춥습니다. 천왕성이 초중질량 천체에 부딪혀 자전축이 극도로 기울어졌다는 충돌 가설에도 내열의 유실이 포함돼 내열이 소진된 핵심온도를 남깁니다. 또 다른 가설은 천왕성의 내부 상층부에는 내열이 표면으로 전달되는 것을 막는 장애층이 존재한다고 주장하는데, 예를 들어 대류는 한 그룹의 다른 구조물 사이에서만 발생할 수 있고, 열의 위쪽 전달이 금지될 수도 있습니다. 

바다

보이저 2호의 탐사에 따라 그 결과 천왕성에는 깊이 10,000km, 온도 6650℃의 물, 실리콘, 마그네슘, 질소 함유 분자, 탄화수소 및 이온화 물질로 이루어진 액체 바다가 있을 것으로 추정했습니다. 천왕성에 있는 크고 무거운 대기압으로 인해 분자를 밀착시켜 이 고온의 바다가 끓어오르고 증발하지 못했습니다. 반대로 바다의 고온 때문에 고압의 대기가 고체로 가라앉는 것을 막았습니다. 바다는 천왕성의 고온의 내핵(높이 6650도)에서 대기권 바닥까지 뻗어 천왕성 전체를 덮고 있습니다. 우리가 이해하고 있는 지구상의 바다와는 전혀 다르다는 점을 강조해야 합니다.천왕성에는 이런 바다가 존재하지 않는다는 견해도 있습니다.

액상 다이아몬드

2015년 영국 《매번》에 따르면이 신문은 과학자들이 해왕성과 천왕성 연구에 진전을 이뤘다고 전하면서 해왕성과 천왕성에는 커다란 액체 다이아몬드 바다가 덮여 있고, 바다 위에는 빙산과 비슷한 거대한 크기의 고체 다이아몬드도 떠 있다고 전했습니다. 일련의 실험 끝에 과학자들은 두 별의 이상한 특성을 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 결론 내렸습니다. 이 중 한 실험에서 연구진은 다이아몬드를 해왕성에 있는 것과 같은 고온 고압 환경에서 다이아몬드의 변화를 감지했습니다. 해왕성의 압력은 지구 해발 대비 1100만 배, 온도는 섭씨 5만 도입니다. 실험 결과 압력이 해발 1100만 배까지 높아졌을 때 다이아몬드는 액상으로 변했습니다. 그 후 다시 온도를 섭씨 5만 배까지 올린 후 일부는 액상형 다이아몬드는 다시 고체로 변합니다. 그런데 이상하게도 이 솔리드 다이아몬드는 액체 다이아몬드 위에 떠다니는 '다이아몬드 빙산' 같은 모습을 하고 있습니다. 해왕성과 천왕성의 극경사 수수께끼를 다이아몬드 바다라는 표현은 이 두 별의 극경사가 지리적으로 60도 정도 떨어진 곳에 있는 두 별의 극경사는 해왕성과 천왕성의 극경사 수수께끼를 설명합니다. 또한 해왕성과 천왕성의 표면 성분 10%가 왜 탄소인지 설명해 줍니다.

자기장

보이저 2호가 도착하고 나서 천왕성은 자기층이 측정된 적이 없기 때문에 자연스레 신비가 유지되고 있습니다. 천문학자들은 1986년 이전까지 천왕성의 자전축이 황도에 누워 있었기 때문에 태양풍에 따라 천왕성의 자기장을 측정할 수 있기를 바랐습니다.
보이저 2호의 관측에 의하면 천왕성의 자기장은 특이합니다. 하나는 그가 행성의 기하학 중심에 없다는 점, 그리고 그는 자전축에 비해 59° 기울어 있다는 점입니다. 사실 자극은 행성의 중심에서 남극으로 떨어져 행성 반지름의 3분의 1에 달합니다. 이 이상 기하학적 관계는 매우 비대칭적인 자기층을 초래합니다. 남반구 표면에서는 자기장의 강도가 0.1가우스보다 낮은 반면 북반구에서는 1.1가우스, 표면에서는 평균 0.23가우스입니다. 지구의 자기장과 비교했을 때 양극의 자기장 세기는 대략 동등합니다. 또한 '자기 적도'도 대체로 물리적 적도와 평행합니다. 천왕성의 쌍극 모멘트는 지구의 50배입니다.

해왕성도 비슷한 게 하나 있습니다. 기울어진 자장과 기울어진 자장 때문에 얼음거성의 공통된 특징이라고 생각됩니다. 일종의 가설은, 행성이나 가스 거성과는 달리, 얼음 거성의 자기장은 표면 아래 어느 깊이에 대한 운동, 예를 들어 물-암모니아 바다와 같은 핵심 내부에서 발생한다고 주장합니다. 이런 특이한 준선이 있음에도 천왕성의 자기권은 다른 면에서 일반 행성과 비슷합니다. 그의 전방에는 23개의 천왕성 반경 지점에 활 모양의 진파가 있고 자기권은 18개의 천왕성 반경 지점에 있어 완전한 자기 꼬리와 복사대를 발달시키기에 충분합니다. 결론적으로 천왕성의 자기층 구조는 목성의 것과 달리 토성의 것과 비슷합니다. 천왕성의 자기 꼬리는 천왕성의 후방에서 우주까지 수백만 킬로미터에 달하며 행성의 자전으로 뒤틀려 있습니다. 그리고 비스듬히 한쪽으로 마개를 뽑은 듯한 긴 스크루바입니다.

천왕성의 자기층은 대전을 포함합니다. 입자: 양성자와 전자, 그리고 소량의 H2+ 이온이 있습니다. 중이온은 검출되지 않았습니다. 많은 이 미립자들은 아마도 대기권 열의 어지러움에서 나온 것 같습니다. 이온과 전자의 에너지는 각각 4백만 전자볼트에 이를 수 있습니다. 자기권 안쪽의 낮은 에너지(100전자볼트 이하) 이온의 밀도는 대략 2cm-㎥입니다. 미립자 분포는 천왕성 위성의 영향을 강하게 받아 위성이 지나가면 자기권 안에 주목할 만한 틈이 남습니다. 미립자 유량의 강도는 10만 년이라는 천문학적 시간 척도로 위성 표면이 어두워지거나 우주폭풍을 일으키기에 충분합니다. 위성 표면과 고리가 고르게 일치하는 암울한 이유가 아닐까 합니다. 천왕성의 두 자극 부근에는 비교적 고도로 발달한 오로라가 있고, 자극의 부근에 있습니다. 하지만 목성과는 달리 천왕성의 오로라는 증온층에 대한 에너지 밸런스는 별로 중요하지 않은 것 같습니다. 

온도

천왕성은 태양계 내의 대기입니다. 층에서 가장 추운 행성의 최저 온도는 49K(224℃)입니다. 천왕성 핵의 밀도는 대략 9g/cm²입니다. 핵과 맨틀의 경계에서의 압력은 800만 바와 대략 5000K의 온도입니다.
천왕성 대류층 온도에 따라높이는 높아져서 낮아지고, 온도는 유명무실한 밑바닥에서 약 320K,300km에서 53K, 높이는 50km로 낮아집니다. 실제 대류권 지붕의 최저 온도는 49~57K로 행성에서의 높이에 따라 결정됩니다. 대류권 천장은 행성의 상승난방류에서 원적외선을 방사하는 가장 주요한 지역이며 여기서 측정된 유효 온도는 59.1±0.3K입니다.

천왕성 대기권의 중층은요성층권, 이곳의 온도는 점차 높아져 대류층 지붕의 53K에서 증온층 바닥의 800~850K까지 상승합니다. 성층권의 가열은 메탄과 기타 탄화수소가 흡수한 태양의 자외선과 적외선 복사에서 발생합니다. 대기권의 이러한 형태는 메탄의 광분해에 의한 것입니다.증온층으로부터의 열도 주목할 만도 합니다. 탄화수소는 상대적으로 매우 좁은 층에 불과합니다. 고도는 100~280km, 기압은 10μp~0.1μp, 온도는 75K와 170K 사이입니다.
천왕성 대기권의 최외층입니다.열층(증온층 또는 멀미)으로 온도가 균일하게 일치하며 대략 800~850K 정도입니다.