Bán cầu nam của Sao Thiên Vương theo xấp xỉ màu thực tế (trái) và trong bước sóng ngắn hơn (phải), cho thấy các dải mây mờ và "mũ" khí quyển ở vùng cực, chụp bởi Voyager 2.

Quan sát qua bước sóng tử ngoại và khả kiến, khí quyển Sao Thiên Vương hiện lên gần như đồng đều so với sự hoạt động mãnh liệt trong khí quyển của những hành tinh khí khổng lồ khác, ngay cả như Sao Hải Vương, một hành tinh có nhiều đặc tính cấu trúc và thành phần giống với nó.[15] Khi tàu Voyager 2 bay qua Sao Thiên Vương năm 1986, nó quan sát được tổng cộng 10 đám mây trên khí quyển hành tinh.[14][92] Một cách giải thích cho sự tĩnh lặng trong khí quyển hành tinh đó là nội nhiệt của Sao Thiên Vương dường như thấp hơn hẳn so với những hành tinh khác. Con tàu ghi lại được nhiệt độ thấp nhất trong khoảng lặng đối lưu (tropopause) bằng 49 K, và nó là hành tinh lạnh nhất trong Hệ Mặt Trời, lạnh hơn cả Sao Hải Vương cho dù hành tinh này xa Mặt Trời hơn rất nhiều so với Sao Thiên Vương.[9][59]

Cấu trúc dải khí quyển, gió và mây

Năm 1986 Voyager 2 tìm thấy bán cầu nam đang được chiếu ánh sáng Mặt Trời có thể chia thành hai vùng: vùng chỏm khí quyển ở cực nam có màu sáng (đỏ thẫm) và những dải tối về phía xích đạo (xem hình bên phải).[14] Biên giới giữa hai vùng nằm ở vĩ độ khoảng −45 độ. Một dải hẹp chia tách nằm ở vĩ độ từ −45 và −50 độ (màu trắng) là đặc điểm lớn sáng nhất trên bán cầu được chiếu sáng của hành tinh.[14][93] Nó được gọi là "vòng" (collar) phương nam. Chỏm cực và vòng có thể là những vùng đậm đặc của mây mêtan nằm ở cao độ có áp suất từ 1,3 đến 2 bar (xem ở trên).[94] Bên cạnh cấu trúc lớn của những dải khí quyển, Voyager 2 đã quan sát thấy 10 đám mây sáng nhỏ, đa số nằm cách vài độ về phía bắc so với vòng sáng.[14] Nhưng nhìn chung Sao Thiên Vương dường như là hành tinh chết không còn hoạt động khí quyển khi quan sát năm 1986. Nhưng cũng bởi vì Voyager 2 chỉ quan sát được bán cầu nam hành tinh và các nhà khoa học không thể biết khí quyển ở bán cầu bắc như thế nào. Vào đầu thể kỷ 21, khi vùng bán cầu bắc bắt đầu được Mặt Trời chiếu sáng, kính thiên văn không gian Hubble (HST) kính thiên văn Keck bắt đầu thực hiện quan sát và các nhà khoa học đã không nhìn thấy chỏm cực khí quyển hay vòng sáng ở bán cầu bắc.[93] Do vậy Sao Thiên Vương hiện lên bất đối xứng trong cấu trúc khí quyển: những vùng sáng nằm gần cực nam và vùng tối đều nằm ở phía bắc tính từ vòng sáng phương nam (bao gồm cả vùng xích đạo tối).[93] Năm 2007, khi Sao Thiên Vương đến vị trí điểm phân, vòng sáng phương nam (collar) hầu như biến mất, trong khi đó có một vòng mờ phương bắc xuất hiện ở vĩ độ 45 độ.[95]

Các nhà thiên văn quan sát thấy vết tối đầu tiên trên Sao Thiên Vương. Ảnh chụp bởi camera ACS của kính thiên văn HST năm 2006.

Trong thập niên 1990, số lượng các đám mây sáng tăng lên đáng kể một phần nhờ kỹ thuật quan sát và chụp ảnh phân giải cao.[15] Đa số các đám mây này ở bán cầu bắc khi chúng bắt đầu hiện ra.[15] Một cách giải thích ban đầu—rằng những đám mây sáng dễ dàng nhận ra trong phần tối của hành tinh, trong khi ở bán cầu nam vòng sóng đã làm mờ chúng đi—là không đúng: số lượng thực sự các đám mây đã tăng lên đáng kể.[96][97] Tuy thế có sự khác biệt giữa những đám mây ở mỗi bán cầu. Các đám mây bán cầu bắc nhỏ hơn, sắc nét hơn và sáng hơn so với đám mây ở bán cầu nam.[97] Dường như chúng nằm ở cao độ lớn hơn.[97] Thời gian tồn tại của các đám mây cũng có sự khác biệt. Một số đám mây nhỏ tồn tại trong vòng vài giờ, trong khi nhiều đám mây ở bán cầu nam đã tồn tại từ chuyến bay qua của Voyager năm 1986.[15][92] Những quan sát gần đây cũng phát hiện ra đặc điểm của những đám mây trên Sao Thiên Vương có rất nhiều điểm chung với mây trên Sao Hải Vương.[15] Ví dụ, các Vết tối tồn tại trên Sao Hải Vương chưa từng được quan sát trên Sao Thiên Vương trước năm 2006, khi Vết tối đầu tiên được chụp ảnh và các nhà khoa học đặt tên nó là Vết Tối Sao Thiên Vương.[47] Người ta nghĩ rằng Sao Thiên Vương trở lên giống với Sao Hải Vương trong thời gian nó ở điểm phân.[98]

Việc theo dõi một số lớn các đám mây cho phép các nhà thiên văn xác định được tốc độ gió trên tầng đối lưu của Sao Thiên Vương.[15] Tại xích đạo gió thổi theo hướng nghịch, có nghĩa là nó thổi ngược hướng với hướng tự quay của hành tinh. Tốc độ gió ở đây trong khoảng −100 đến −50 m/s.[15][93] Tốc độ gió tăng lên theo khoảng cách đến xích đạo (tính theo giá trị âm), đạt giá trị bằng 0 tại vĩ độ ±20°, nơi có nhiệt độ cực tiểu của tầng đối lưu.[15][58] Gần hơn về phía hai cực, gió đổi hướng và thổi theo hướng thuận chiều với chiều tự quay hành tinh. Tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt cực đại tại vĩ độ ±60° trước khi giảm trở lại giá trị 0 tại hai cực.[15] Tốc độ gió tại vĩ độ −40° biến đổi từ 150 tới 200 m/s. Do vòng khí quyển (collar) che khuất mọi đám mây bên dưới nó và song song với nó, tốc độ gió trong tầng đối lưu thuộc vĩ độ giữa vòng sáng và cực nam không thể đo được.[15] Ngược lại, trong bán cầu bắc tốc độ gió cực đại cao tới 240 m/s ở vĩ độ gần +50 độ.[15][93][99]

Sự biến đổi của mùa

Vành đai, vòng trắng ở bán cầu nam và đám mây sáng ở bán cầu bắc qua ảnh chụp của camera ACS của HST năm 2005.

Trong thời gian ngắn từ tháng 3 tới tháng 5 năm 2004, có một số đám mây lớn xuất hiện trong khí quyển Sao Thiên Vương, và hành tinh hiện lên giống như Sao Hải Vương.[97][100] Các quan sát cũng ghi nhận kỷ lục mới về tốc độ gió cỡ 229 m/s (824 km/h) và một cơn giông tồn tại lâu mà các nhà khoa học gọi là "Pháo hoa ngày 4 tháng 7".[92] Ngày 23 tháng 8 năm 2006, các nhà nghiên cứu ở Viện Khoa học Không gian (Boulder, CO) và Đại học Wisconsin phát hiện thấy một vết tối trên khí quyển Sao Thiên Vương, cho phép các nhà thiên văn học hiểu sâu hơn về hoạt động khí quyển của hành tinh.[47] Họ vẫn chưa hiểu được đầy đủ tại sao có sự bất thình lình xuất hiện vết tối này, nhưng dường như độ nghiêng trục quay của hành tinh đã gây ra quá trình biến đổi khắc nghiệt theo mùa của Sao Thiên Vương.[47][98] Việc xác định bản chất của sự biến đổi mùa là rất khó bởi vì những dữ liệu tin cậy về khí quyển của Sao Thiên Vương mới chỉ thu thập trong khoảng thời gian nhỏ hơn 84 năm, hay một năm của Thiên Vương Tinh. Các nhà khoa học cũng phát hiện thêm một số hiện tượng mới. Sử dụng kỹ thuật đo thông lượng bức xạ điện từ (photometry) phát ra từ hành tinh trong khoảng thời gian một nửa năm Thiên Vương Tinh (bắt đầu trong thập niên 1950) đã cho thấy có sự biến đổi đều về độ sáng trong hai dải phổ, với độ sáng cực đại xuất hiện vào lúc hành tinh ở điểm chí và cực tiểu khi nó ở điểm phân.[101] Một hiện tượng biến đổi tuần hoàn khác, với cực đại tại điểm chí, thông qua phép đo sóng vi ba đối với tầng đối lưu sâu phía dưới bắt đầu thực hiện từ thập niên 1960.[102] Những đo lường về nhiệt độ của tầng bình lưu thực hiện từ thập niên 1970 cũng chỉ ra giá trị cực đại gần thời gian của hành tinh ở điểm chí năm 1986.[72] Yếu tố chính của sự biến đổi này xảy ra là do ảnh hưởng của góc quan sát hình học khi theo dõi Sao Thiên Vương từ Trái Đất.[96]

Có một số lý do để tin rằng sự thay đổi của các tính chất vật lý theo mùa đang xảy ra trên Sao Thiên Vương. Thực tế hành tinh có một vòng sáng và chỏm cực khí quyển ở vùng cực nam, trong khi phần còn lại bao gồm cả bán cầu bắc lại khá mờ nhạt và tĩnh lặng trong bước sóng khả kiến, hay nó không tương thích với mô hình về sự thay đổi mùa nêu ở trên.[98] Trong thời gian của hành tinh ở điểm chí năm 1944, Sao Thiên Vương có một số điểm sáng và cực bắc của nó không phải luôn luôn mờ nhạt.[101] Thông tin này cho thấy các cực có lúc sáng lên trước lúc điểm chí và tối đi sau lúc điểm phân.[98] Những phân tích chi tiết từ dữ liệu đo qua bước sóng khả kiến và vi ba cho thấy có sự biến đổi chu kỳ về độ sáng không hoàn toàn đối xứng xung quanh thời gian hành tinh ở điểm chí, và các nhà khoa học cũng quan sát thấy có sự biến đổi trong suất phản chiếu hình học dọc theo kinh tuyến (bắc-nam) của hành tinh.[98] Cuối cùng trong thập niên 1990, khi Sao Thiên Vương đi ra khỏi điểm chí, kính thiên văn không gian Hubble và những kính mặt đất phát hiện thấy chỏm cực khí quyển ở cực nam đã tối đi đáng kể (ngoại trừ vòng sáng (collar) bán cầu nam, nó không bị biến đổi độ sáng),[94] trong khi ở bán cầu bắc bắt đầu có sự gia tăng hoạt động trong khí quyển,[92] như bắt đầu hình thành các đám mây, gió thổi mạnh hơn, củng cổ thêm dự đoán bán cầu bắc sẽ có màu sáng dần lên.[97] Điều này thực sự đã diễn ra vào năm 2007 khi hành tinh đến vị trí điểm phân: xuất hiện một vòng khí quyển mờ ở bán cầu bắc, trong khi vòng bán cầu nam gần như biến mất, mặc dù sự phân bố gió thổi dọc theo vĩ độ vẫn còn khá lệch, với gió ở bán cầu bắc thổi chậm hơn gió ở bán cầu nam.[95]

Cơ chế vật lý cho sự thay đổi vẫn chưa biết rõ ràng.[98] Gần thời gian đông chí và hạ chí, hai bán cầu của Sao Thiên Vương hoặc là được chiếu hoàn toàn bởi ánh sáng Mặt Trời hoặc là nằm trong bóng tối. Sự sáng lên trong bán cầu được chiếu sáng được cho là kết quả từ sự phản chiếu của những đám mây mêtan và lớp khói bụi nằm trong tầng đối lưu.[94] Vòng sáng nằm ở vĩ độ −45°Cũng có sự liên hệ với các đám mây mêtan.[94] Những sự thay đổi khác trong vùng cực nam có thể giải thích bằng sự thay đổi của những lớp mây ở cao độ thấp trong khí quyển.[94] Sự biến đổi trong tín hiệu bức xạ vi ba phát ra từ Sao Thiên Vương có khả năng là do sự thay đổi của hiện tượng vận động trong khí quyển ở sâu trong tầng đối lưu, bởi vì những đám mây dày và bụi khói ở cực có thể cản trở bức xạ vi ba.[103] Sự thay đổi động lực khí quyển cũng như hiện tượng đối lưu cũng thay đổi theo mùa khi Sao Thiên Vương đến điểm phân hoặc điểm chí.[92][103]