Atmósfera de Urano
Aunque no hay una superficie sólida definida dentro del interior de Urano, la parte más externa de la envoltura gaseosa del planeta, accesible a la teledetección, se llama atmósfera.
La capacidad de detección remota se extiende hasta unos 300 km por debajo del nivel en donde la presión atmosférica es de 1 bar (100 kPa). En ese nivel, la presión correspondiente es alrededor de 100 bar (10 MPa) y la temperatura es de 320 K (47 °C; 116 °F). Una tenue termosfera se extiende a más de dos radios planetarios desde la superficie nominal (definida para la presión de 1 bar).
La atmósfera de Urano se puede dividir en tres capas: la troposfera, en altitudes entre los −300 y 50 km y presiones de 100 a 0,1 bar (10 MPa a 10 kPa); la estratosfera, que abarca altitudes entre 50 y 4.000 km y presiones entre 0,1 y 10−10 bar (10 kPa a 10 µPa); y la termosfera, que se extiende desde 4.000 km hasta 50.000 km desde la superficie. No hay mesosfera.
Perfil de la atmósfera de Urano.
Composición.
La composición de la atmósfera de Urano es diferente de su volumen, que consiste principalmente en hidrógeno molecular y helio. La fracción molar de helio, es decir, el número de átomos de helio por molécula de gas, es de 0,15 ± 0,03 en la troposfera superior, que corresponde a una fracción de masa de 0,26 ± 0,05. Este valor está cerca de la fracción de masa de helio protosolar de 0,275 ± 0,01, lo que indica que el helio no se ha asentado en el centro de Urano, como lo ha hecho en los gigantes gaseosos, Júpiter y Saturno.
El tercer componente más abundante de la atmósfera de Urano es el metano (CH4). El metano tiene bandas de absorción prominentes en luz visible y en el infrarrojo cercano (IR), lo que hace que Urano sea de color aguamarina o cian. Las moléculas de metano representan el 2,3% de la atmósfera por fracción molar debajo de la capa de nubes de metano al nivel de presión de 1,3 bar (130 kPa); Esto representa alrededor de 20 a 30 veces la abundancia de carbono que se encuentra en el Sol. La relación de mezcla es mucho más baja en la atmósfera superior debido a su temperatura extremadamente baja, que reduce el nivel de saturación y hace que el exceso de metano se congele. La abundancia de compuestos menos volátiles como el amoníaco, el agua y el sulfuro de hidrógeno en la atmósfera profunda es poco conocida. Probablemente también sean más altos que los valores solares.
Junto con el metano, en la estratosfera de Urano se encuentran trazas de varios hidrocarburos, que se cree se producen a partir del metano por fotólisis inducida por la radiación solar ultravioleta (UV). Estos hidrocarburos incluyen el etano (C2H6), acetileno (C2H2), metilacetileno (CH3C2H) y diacetileno (C2HC2H). La espectroscopía también ha descubierto rastros de vapor de agua, monóxido de carbono y dióxido de carbono en la atmósfera superior, que solo pueden originarse en una fuente externa como polvo y cometas.
Troposfera.
La troposfera es la parte más baja y más densa de la atmósfera y se caracteriza por una disminución de la temperatura con la altitud. La temperatura cae desde unos 320 K (47 °C; 116 °F) en la base nominal de la troposfera, situada a −300 km del nivel de teledetección, a 53 K (−220 °C; −364 °F) a una altitud de 50 km. Las temperaturas en la región superior más fría de la troposfera (la tropopausa) en realidad varían en el rango entre 49 y 57 K (−224 y −216 °C; −371 y −357 °F) dependiendo de la latitud planetaria. La región de la tropopausa es responsable de la gran mayoría de las emisiones térmicas de infrarrojo lejano de Urano, determinando así su temperatura efectiva de 59,1 ± 0,3 K (−214,1 ± 0,3 °C; −353,3 ± 0, 5 °F).
Se cree que la troposfera tiene una estructura de nubes altamente compleja; Se supone que las nubes de agua se encuentran en el rango de presión de 50 a 100 bar (5 a 10 MPa), las nubes de hidrosulfuro de amonio en el rango de 20 a 40 bar (2 a 4 MPa), las nubes de amoníaco o sulfuro de hidrógeno entre 3 y 10 bar (0,3 y 1 MPa) y en la parte superior de la troposfera, delgadas nubes de metano a 1 a 2 bar (0,1 a 0,2 MPa).
La troposfera es una parte dinámica de la atmósfera, y exhibe fuertes vientos, nubes brillantes y cambios estacionales.
Atmósfera superior – La estratosfera y la Termosfera.
Auroras en Urano tomada por el Espectrógrafo de Imágenes del Telescopio Espacial (STIS) instalado en el Hubble.
La capa media de la atmósfera de Urano es la estratosfera, donde la temperatura generalmente aumenta con la altitud de 53 K (−220 °C; −364 °F) en la tropopausa a 800 - 850 K (527 - 577 °C; 980 - 1.070 °F) en la base de la termosfera.
El calentamiento de la estratosfera es causado por la absorción de la radiación solar UV e IR por el metano y otros hidrocarburos, que se forman en esta parte de la atmósfera como resultado de la fotólisis del metano.
El calor también se realiza desde la termosfera caliente. Los hidrocarburos ocupan una capa relativamente estrecha a altitudes entre 100 y 300 km correspondientes a un rango de presión de 10 a 0,1 mbar (10,00 a 0,10 hPa) y temperaturas entre 75 y 170 K (−198 y - 103 °C; −325 y −154 °F).
Los hidrocarburos más abundantes son metano, acetileno y etano con relaciones de mezcla de alrededor de 10−7 en relación con el hidrógeno.
La relación de mezcla de monóxido de carbono es similar en estas altitudes. Los hidrocarburos más pesados y el dióxido de carbono tienen relaciones de mezcla tres órdenes de magnitud más bajas.
La proporción de abundancia de agua es de alrededor de 7×10−9. El etano y el acetileno tienden a condensarse en la parte inferior más fría de la estratosfera y la tropopausa (por debajo del nivel de 10 mBar) formando capas de turbidez, que pueden ser en parte responsables de la apariencia blanda de Urano. La concentración de hidrocarburos en la estratosfera de Urano sobre la bruma es significativamente menor que en las estratosferas de los otros planetas gigantes.
La capa más externa de la atmósfera de Urano es la termosfera y la corona, que tiene una temperatura uniforme de alrededor de 800 - 850 K. Las fuentes de calor necesarias para mantener un nivel tan alto no se entienden, ya que ni la radiación UV del Sol ni la actividad auroral pueden proporcionar energía necesaria para mantener estas temperaturas.
La débil eficiencia de enfriamiento debido a la falta de hidrocarburos en la estratosfera por encima del nivel de presión de 0,1 mBar también puede contribuir a mantener esa temperatura. Además del hidrógeno molecular, la corona de termosfera contiene muchos átomos de hidrógeno libres. Su pequeña masa y altas temperaturas explican por qué la corona se extiende hasta 50.000 km, o dos radios de Urano, desde su superficie. Esta corona extendida es una característica única de Urano. Sus efectos incluyen un arrastre sobre pequeñas partículas en órbita alrededor de Urano, causando un agotamiento general del polvo en los anillos de Urano.
La termosfera de Urano, junto con la parte superior de la estratosfera, corresponde a la ionosfera de Urano. Las observaciones muestran que la ionosfera ocupa altitudes de 2.000 a 10.000 km. La ionosfera de Urano es más densa que la de Saturno o Neptuno, que puede surgir de la baja concentración de hidrocarburos en la estratosfera. La ionosfera es sostenida principalmente por la radiación solar UV y su densidad depende de la actividad solar. La actividad auroral es insignificante en comparación con Júpiter y Saturno.