天卫二

天王星第三大卫星

天卫二（英语：Umbriel，国际音标：[ˈʌmbɹiəl]，常译为乌姆柏里厄尔）是天王星的卫星，以亚历山大·蒲柏的作品《夺发记》里的角色乌姆柏里厄尔（Umbriel）命名[6]。1851年10月24号，天卫二与天卫一同时被威廉·拉塞尔发现。天卫二的直径比天卫一大10千米，但密度相同。天卫二主要由冰和岩石组成，其中冰占天卫二表面的多数，而它的地幔和核心可能分别由冰和岩石组成。天卫二的构造与天卫四类似，但天卫四的体积比天卫二大35％。天卫二是天王星所有卫星中最暗的，反射率只有18％。

发现与命名

天卫二与另外一颗天王星卫星天卫一，由英国天文学家威廉·拉塞尔在1851年10月24号同时发现。虽然天卫三和天卫四的发现人威廉·赫歇尔声称他在18世纪末曾经发现4颗未被发现天王星卫星，但他的观测没有被加以证实而不被承认。

天王星所有的卫星都是以威廉·莎士比亚或亚历山大·蒲柏作品中的角色来命名的。天卫二的英文名Umbriel是由威廉·赫歇尔的儿子约翰·赫歇尔经威廉·拉塞尔的请求而推荐的。乌姆柏里厄尔（Umbriel）在亚历山大·蒲柏的《夺发记》中被形容成是一只“昏暗的忧郁精灵”。拉丁语中的umbra指的是阴影、影子的意思。

轨道

天卫二环绕天王星的平均距离为266000千米，在天王星五大卫星中距天王星第三远。天卫二环绕天王星的离心率和轨道倾角都很小，分别只有0.0039和0.128。天卫二的轨道周期约为4.1个地球日，正好与它的自转周期相同。也就是说，天卫二有同步轨道和潮汐锁定的特性，使天卫二永远只有一面面向天王星。天卫二的轨道完全在天王星的磁层里。如果天卫二的逆轨道半球（与天卫二公转轨道方向相反的半球）完全在天王星的磁层里，天卫二会被环绕天王星的磁层等离子体击中，并使天卫二的逆轨道半球呈一片黑暗。除了天卫四以外，所有的天王星卫星都有这种特性。旅行者2号在1977年经过天卫二时，卫星上的磁层等离子体远比预测数量多，显示出天卫二可能会吸收天王星磁层里的等离子体。

因为天王星是侧着绕行太阳的，而天王星的卫星（包括天卫二）是在天王星的赤道面上运转的。因此天卫二有很极端的季节周期。天卫二的两极，都会有连续42年的黑暗。黑暗过后，会有连续42年的阳光照射。在至日时，太阳会在其中一极的天顶。在旅行者2号经过天卫二时，正好遇到1986年南半球的夏至。因此旅行者2号拍下的照片，每一张照片的北半球都是暗的。每隔42年，当天王星的赤道面与地球相交，且太阳照射到天王星的昼夜平分点时，便有可能发生卫星掩星的现象。在2007年，这种情况发生过3次。第一次是2007年8月15日天卫二掩食天卫三。第二次是8月19日天卫二掩食天卫一。而第三次是12月8日天卫二掩食天卫三。

天卫二尚未与其他天王星的卫星发生过轨道共振。但在早期可能与天卫五呈1:3的共振。轨道共振可能会增加天卫五的离心率，并促进天卫五的内热与地质活动，而天卫二受到的影响较小。基于天王星扁率较低的形状和与卫星相比相对较小的体积，平均运动共振，天王星的卫星会比木星或土星的卫星更容易的脱离平均运动共振。当天卫五不再与天卫二产生共振后，它的离心率会减振，并不再运用它的热源。

构造

天卫二是天王星的卫星中直径第三和质量第四的卫星。它的密度为1.39克/立方厘米。天卫二主要由水冰所组成，与另一种高密度的成分构成天卫二40％的质量。有专家推测后这可能为岩石、碳和其他有机化合物所组成的的一种物质。利用红外光谱多次的分析后，发现天卫二表面上存在结晶状态的冰。天卫二同轨道半球的冰吸收带比逆轨道半球的还要强。这种吸收带的强度不一致的原因不明，但可能与天王星磁层里的带电粒子相关（因逆轨道半球的带电粒子比同轨道半球多）。这些粒子会溅射冰，将冰里的甲烷分解成水合物，并使其它有机物变暗，最后只剩一些黑暗并含碳丰富的残基存在。

科学家利用红外光谱术分析天卫二后，侦测到的化合物除了冰以外，还有主要分布于天卫二的逆轨道半球的二氧化碳，不过其来源不明。一个理论认为碳酸盐受到天王星磁层里的高能粒子的影响，进而产生二氧化碳。这个假说能解释为什么天卫二的二氧化碳的分布不均匀（因逆轨道半球受到磁层的影响较大）。另一理论认为天卫二内部的冰里的二氧化碳因天卫二的地质活动而突然释气。

科学家推测天卫二的内部的岩石核心被一层冰质地幔环绕。如果这是真的，天卫二内核（314千米）的半径约为月球的54％，而质量则是月球的40％。天卫二的压强为0.24 GPa。天卫二的地幔结构尚不清楚，但天卫二底下似乎不存在地下海洋。

表面特征

天卫二是所有天王星卫星中最暗的。它反射的光是只有其大小相当的天卫一的一半。与天卫一（23％）相比，天卫二的光谱反照率很低（10％）。当天卫二的相位角改变，它的几何反照率会减小。当天卫二的相位角为0度时，反射率是26％。当其相位角为1度时，反射率会减至19％。这种情况是一种叫相对效应的光学现象。天卫二的表面是微蓝色的，但撞击坑等地方较蓝。天卫二的同轨道半球和逆轨道半球甚至可能颜色不同（前者比后者红）。天卫二红色表面的原因有很多说法，其中一个理论是天卫二红色的表面可能是由带电粒子和微流星体造成的轰炸并使天卫二太空风化的结果。但较有可能是因为早期天卫二形成时，吸积盘里含一种红色的物质所造成的结果。

科学家只承认天卫二上的一种地质特征——撞击坑。天卫二的撞击坑比天卫一和天卫四的撞击坑更大更多。在所有天王星的卫星中，只有天卫三的撞击坑比天卫二的多。天卫二的撞击坑最小只有几千米，但最大的撞击坑——沃科洛陨石坑直径却有210千米。天卫二所有被命名的撞击坑都有中央峰，但都没有射纹系统。

天卫二最著名的表面特征旺达撞击坑位于天卫二的赤道上，它的直径有131千米。旺达撞击坑最低点有一圈明亮的光环，最有可能是冲淤变动的结果。在天卫二的晨昏圈上有两个撞击坑：乌维（Vuver）和史金德（Skynd）两个撞击坑都没有光圈，但都有中央峰。科学家在研究天卫二的地形时，发现天卫二早期可能有一个直径400千米、深5千米的撞击坑。

与天王星其他卫星一样，天卫二的表面穿插著很多峡谷。但它们因照片的画质太差而并没有被正式承认。而照片的画质正是研究天卫二地质图的天文学家的绊脚石。

天卫二的表面在后期重轰炸期后趋于稳定。天卫二早期地表变化的线索只剩峡谷及多边形地形，后者是一种上百千米宽的有复杂形状的暗班。根据旅行者2号当时拍下的测光照片，可以看出天卫二上的多边形分布不均匀，从卫星的东北部走向西南部。有些多边形地形与其他洼地相对应，这种现象可能由天卫二早期的地质活动造成。天文学家对为什么天卫二如此暗淡和平整并没有合理的解释。天卫二的表面可能被一层从陨石撞击掊出或冰火山爆发喷发出来的暗色物质覆盖。另外，天卫二的地壳可能完全由这种暗色物质所组成，并阻止射纹系统形成。但旺达（Wunda）撞击坑的光圈与此假说产生矛盾。

起源

普遍认为天卫二是由吸积盘或亚星云形成的；这个气体和尘埃盘可能在天王星形成后就存在了，也可能是由使天王星产生巨大倾斜的巨大撞击产生的。组成天卫二的星云的成分不明，但天王星卫星的密度比土星的卫星大，可得知那团星云缺少水分。大量的氮元素和碳元素可能以一氧化碳和氮分子，而不是以氨或甲烷的形式存在。由星云组成的卫星会含较少冰并含较多岩石，这能解释天卫二的高密度。

天卫二的吸积过程持续了几千年，与吸积同一时间发生的陨石撞击使天卫二的地壳发热。天卫二被陨石撞击后，最高温度曾达180K，造成撞击的撞击坑深达8千米。在天卫二吸积完后，天卫二地下开始冷却，但因内部放射性元素衰变，天卫二内部仍然是热的。当天卫二近表面的地方开始收缩，它的地核和地幔开始膨胀。天卫二的这些运动使它的地壳受到很强的拉伸应力，并导致地壳裂开。这个过程大概持续了两百万年，显示出天卫二所有内源性的活动在几十亿年前就停止了。

若天卫二早期有氨（以水合物存在）或盐等抗冻剂存在，早期的吸积造成的热能及元素放射性衰变会造成该卫星部分的冰融化。天卫二的冰融化后，导致地表下的冰与岩石分层，使天卫二的地幔由冰组成，地核由岩石组成一层液态水可能存在于冰与岩石的边界之间，但可能早已冻结。冰、岩石和水，这种混和物的共晶温度176K，相当于-97.15摄氏度。

探索

旅行者2号在1986年1月飞越天王星时，拍下天卫二的照片。因为当时拍下照片时，旅行者2号距离天卫二325000千米，这些照片的空间分辨率只有5.2千米。天卫二表面有40％被旅行者2号拍到，但只有20％能供描绘地质图参考。在飞越天卫二时，它的南半球正对着太阳，因此天卫二的北半球是完全黑暗的，无法被研究。除了旅行者2号外，没有航天器曾经或计划要到天卫二探测。

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