上文书讲到旅行者1号和2号分别拜访了木星和土星。而且旅行者1号还拜访了土星最大的卫星土卫六。因为要拜访土卫六泰坦，探测器飞行的方向改变，朝着黄道面外飞去，所以旅行者1号失去了拜访天王星和海王星的机会，这个任务只能让旅行者2号去完成了。
只不过呢，由于土卫六的大气层太浓密，因此照片上看不到土卫六的表面。只能用无线电掩星的办法测量大气的成分等等一系列参数。当时的科学家猜想，土卫六上应该存在碳氢化合物组成的湖泊。所谓的碳氢化合物，就是烃类。最简单的就是甲烷，但是也不能说全是甲烷，备不住也有乙烷之类的烷烃存在。所以，笼统的叫做碳氢化合物。
土卫六“泰坦”
当然啦，因为土卫六大气层主色调是黄色，但是边缘的大气略略显出蓝绿色，所以其中的甲烷肯定是很多的，但是大家往往忽略了一个隐形冠军的存在，那就是氮气。咱们总是说地球的大气层之中富含氧气，其实氧气根本不占大头，氮气才是主要成分，但是我们往往把氮气给忘了。
土卫六大气层之中氮气占了97%，甲烷只占了2.7%。但是，土卫六表面的大气压力居然是地球表面的1.5倍，对于这颗直径只有地球40%的卫星来讲，有点过于浓密了。按理说，在阳光的照耀之下，甲烷也是会被逐渐分解的。土卫六上的这点甲烷顶多3000万年就会全部流失。但是，这么多年过去了，土卫六上的甲烷依旧很多，一点也没有流失的迹象，这说明啥呢？甲烷一定有补充来源。
据推测，土卫六上有大量的有机物，这些有机物在受热分解的时候，会产生大量的氮气和甲烷，这恰好和土卫六的大气成分相符合。科学家们也在地面上模拟土卫六的压力环境，进行了实验。当有机物被加热到了250~500度的时候，有机物的确是会被大量分解成氮气和烷烃。而且可以源源不断的补充到大气层之中。
地面试验果然获得了氮气和甲烷
土卫六在太阳系之中，算是一颗大卫星了。正因为它比较大，所以内部也会积攒不少放射性物质，也会持续发热。另外，土星也在时时刻刻拿捏这颗卫星，潮汐作用也会导致泰坦的内部产生热量。所以，土卫六的内部应该温度还比较高，表面温度又很低。你想啊，碳氢化合物都能变成液体，形成江河湖海。那温度得多低啊。所以，这种环境底下稍微有点压力，就容易形成冰喷泉冰火山。甲烷和氮气就从地下喷出来了。
旅行者一号在拜访完了土卫六，直接一拐弯，奔着黄道面以外就去了。正因为这次任务还比较从成功。旅行者2号也就不用当替补队员了。在拜访完土星以后，可以继续拜访天王星和海王星。
我们所在的太阳系是极其广袤的，而且是越往外侧，行星轨道的间距越远。大家可能听说过提丢斯-波德定则。这是一个描述太阳系行星轨道半径的经验公式。经过现代人进一步总结，行星轨道半径大约就是0.4+0.3·2^n。对于地球，n=1，半径等于1个天文单位。对于金星，n=0，轨道半径是0.7天文单位。对于水星，n=-∞，0.3·2n这一项忽略不计，半径是0.4个天文单位。这数字都是对得上的。
但是大家也看得出来，n后边的取值都是整数。火星是2，小行星带是3，木星是4，土星是5，天王星是6，海王星是7……你别忘了，公式是0.4+0.3·2^n，n在肩膀头上扛着。这就导致后边的那几颗行星的轨道半径几乎都是前一颗的2倍大。旅行者号拜访的时间一个比一个长。
1979年的7月份距离木星最近，1981年的8月底距离土星最近，到下一站天王星，足足飞了4年多才到。1986年的1月底，终于到达了距离天王星最近的位置上。这也是人类的探测器唯一的一次拜访天王星。我们有关这颗冰巨星的知识，几乎都来自于这一次拜访。
天王星绕着太阳转一圈的时间差不多要84年。自传一圈平均下来是17小时左右。因为天王星也有非常浓厚的大气层。我们只能看到大气层的自转，既然是气体，赤道和两极转速就不太一样，我们只能取平均值。
靠近太阳的4颗行星都是岩石行星，这个好理解。土星和木星是一类，叫做巨行星。内核占比很小，主要是流体构成的。估计木星的内核直径大约是地球的两三倍，质量可是立方关系。大约是十几个地球质量。可是木星的总质量大概是318个地球质量，由此可见，木星的固体内核占比很小。土星比较虚胖，总质量大约是95个地球质量。但是土星核非常大，大约是55个地球质量。内核占了总质量的一半还多。
天王星的表面细节很少
但是天王星和海王星内核占比就更大了。海王星直径比天王星稍微小一点，但是质量比天王星还大不少。内核大概是17个地球质量。海王星的大气层加起来只有1个地球质量。天王星内核大约是10个地球质量，大气层也有1个地球质量这么多了。
这样一比较，天王星和海王星也被单独划分为一类，叫做“冰巨星”。他俩和大哥二哥木星土星其实不太一样。巨行星的浓密大气层之下，应该还存在金属氢内核，但是冰巨星没有金属氢内核，在大气层之下可能存在液态水、氨水、甲烷混合在一起构成的海洋，也可能还含有大量的冰，当然这种冰并不一定是水冰，而是诸如甲烷水合物之类的东西。诸如此类的都被称作“冰”。所以呢，天王星和海王星才被称为“冰巨星”。
其实不管是巨行星也好，冰巨星也罢，都是没有固体表面的。计算半径就不好办了，以什么地方为基准线呢？一般来讲，都是取大气压恰好等于一个地球表面大气压为基准。从这里开始计算半径。以天王星为例，气压达到一个地球表面标准大气压的地方其实是在半空中，脚底下300公里依然是大气层。大气层下部，逐渐过渡为液态海洋，但是因为压力太大，大气密度也极高，所以你也分不清到底是液体还是气体，反正就是这么个混合流体。这个海洋深达8000公里。海洋深处的温度非常高，但是在巨大的压力之下，这些超高温的液体依然不会沸腾。
天王星大气压力·温度曲线图
天王星是一颗彻底躺平的行星，自转轴和轨道面的夹角居然达到了97.77度。它老先生一直在横着自转。大家也是百思不得其解，为啥这个天王星就如此懒惰，天天躺着不起来呢？科学家们做出了两种解释，有可能是当年天王星还小的时候，那时候还没成长到这么巨大，结果呢，路上让人家给撞了，直接给撞横过来了。这算是一种解释。另外一种解释就是在周围那么多大行星和卫星的引力共同摄动作用下，渐渐的就给掰躺下了。这就说来话长了，要从太阳系的形成早期讲起，我们现在先按下不表。
天王星自转轴角度示意图
天王星横躺着自转这个特点对天王星的大气环流影响极大。它公转一周不是84年吗？半圈是42年，这42年天王星北半球一直对着太阳暴晒，等北半球晒完了，换南半球再晒42年。这颗星球上温度要能正常那才叫奇怪呢。
旅行者2号前后一共近距离观测了天王星46天，当时正好是天王星的南极正对着太阳，南极高层大气温度为1800℃，北极高层大气的温度高达2400℃，而这是怎么话说的呢？背阴面反倒温度高？好在呢，这只是高层大气有异常。温度高代表空气分子的运动很剧烈。但是如果空气太稀薄，单位体积内的分子总数量不足，那么携带的热量也不多。
天王星的大气也是分层的，最下边也是对流层，对流层几乎就是天王星大气之中最冷的地方了，全球各处同高度的温度大致相同，约为-208℃。但在纬度30°的地方有一个神秘的冷圈，这使得科学家们不得不重新构建天王星的大气模型。
哈勃望远镜拍摄到的云带
科学家们通过电子处理探测器发回的照片，发现了天王星有云层，计算一下它们的流动速度。这些云层沿着行星的旋转方向流动，风速可达161千米/小时。天王星上有10个条状的云带。但是风向和木星土星这种巨行星恰好是相反的。这倒是蛮奇怪的一件事。天王星大气环流主要是靠太阳的热量驱动。
天王星几乎就是太阳系里最冷的大行星，比海王星还冷。探测到的最低气温是49K，也就是-242℃，按理说，天王星晒太阳还比海王星要近一点。但是无奈天王星自己内部产生的热量太少了，难怪叫冰巨星呢。天王星的内核相对来讲不算热。有可能是天王星小时候被人撞了一下，结果自转轴就歪了，不但自转轴歪了，内核也被撞散了架，内部热量全部流失，导致现在热量不足。
天王星很干净，表面颜色也比较单纯，就是淡蓝色。只有非常不显眼的条纹。因为大气层里的甲烷会吸收红光，于是呈现淡蓝色。但是，天王星大气之中的主要成分是氢和氦，氢占了83%，氦占了15%，甲烷只有2%，但是甲烷比较显眼。
极冠在长波下更明显
旅行者号拜访的时候，天王星恰好南极对着太阳，南极部分明显看着发白，颜色稍微浅一点，当然，最浅的地方也不在南极，而是在纬度45度到50度之间，这一圈显得最浅，所以这也被称为天王星的“极冠”和“衣领”。
哈勃望远镜拍摄的天王星，“极冠”和“衣”领都很明显，还出现了一个小黑斑
旅行者2号探测器发现了天王星的10颗新卫星，对其中5颗主要卫星进行了详细调查。天王星的卫星上火山活动还挺频繁的，距离天王星越近，地质活动越厉害。道理很简单，距离越近，承受天王星的引力潮汐就越剧烈。内部热量多，地质活动就频繁。当然了这些卫星的轨道面儿基本上都在天王星的赤道平面上也就是说天王星自己躺下来，连带他的整个卫星系统也跟着他一块儿竖起来了。所以这些卫星的表面也和天王星一样，半边脸连续晒42年。
天卫一
天卫一是天王星中最亮的一颗卫星，上面有一条巨大的峡谷。天卫二是天王星中最暗的一颗卫星，上面有两块白斑，地质活动相对比较少。天卫三上有白色的覆盖物，可能是冰，这个家伙的地形地貌以断层和裂谷为主。天卫四上有一片星罗棋布的陨石坑和一座高6400米的高峰。
天卫五是天王星最有趣的卫星之一，它的表面凑齐了太阳系中许多卫星的特征，既有高山，也有峡谷，还有很多的陨石坑。天卫5上还存在着独特的冕状地形，这种地形金星上也有。
天卫五上的复杂地形
当然啦，天王星的这几颗大卫星都长得比较黑，天卫二反照率是0.2，天卫五是0.35，这些卫星估计都是一半石头一半冰块混合起来的。有些卫星上有积雪，那么反射率就会比较高。不过呢，咱也别笑话人家，咱们家的月球反照率只有0.12。
什么因素会影响反照率呢？就是卫星表面的老化程度。这些天体表面的物质其实在高能粒子的轰击之下，也是会被晒黑的。哪来那么多高能粒子轰击天王星的这些卫星呢？这还是个普遍现象，天王星的卫星是一个比一个黑啊。
那是因为天王星的磁层不太正常，无法凭借强大的磁场来屏蔽来自太阳风的高能粒子。
天王星的磁场强度较弱，只有地球磁场强度的1/10，而且它的磁场方向和自转轴也相差比较大，磁轴偏离它的自转轴55°，从而导致一个非常不对称的磁层。这种扭曲的无规则的磁场可能是由它巨大的海洋和岩芯缓慢搅动所引起的。海王星也有一个相似的偏移和倾斜的磁场，所以有人认为这是冰巨星的共同特点。
太阳风和天王星磁场复杂的相互作用
我们的地球的磁场是一个非常标注的偶极场，而且磁轴和自转轴相差不大。要产生一个标准的偶极场，地球内部必须有个全局性的发电机。也就是说，必须有个全局性的大对流。但是冰巨星内部似乎没有这么强的全局性对流。所以磁场比较杂乱。
现在，科学家们利用计算机模拟，发现了一种特殊现象。天王星内核海洋是分层的，上层是比较轻的水，下层是比较重的碳氢化合物压缩的氮之类的混合物。这个分层就像是油和水分分层一样，彼此搅合不到一块儿去。你都分了层呢，还怎么对流啊。难怪磁场很弱，而且还乱转。
1977年，科学家们用柯伊伯机载天文台观测到了天王星遮挡一颗普通恒星的过程。柯伊伯机载天文台就是利用C141运输机改装的一个飞行天文台。本来科学家们是打算用天王星挡住一颗普通恒星的机会来研究天王星大气层。但是最后在记录的观测数据上发现了蹊跷。在天王星遮挡恒星之前，先来了几个脉冲，等到天王星遮挡结束，已经离开以后，又记录到几个脉冲。仔细提看，这两组脉冲还是对称的。
柯伊伯天文台安装在一架C141运输机上
这个现象说明什么呢？那就是天王星存在光环。掩星的时候光环也参与了遮挡的过程，才会产生一前一后两组脉冲。只是这个光环太暗弱了，难以观测。你不可能用望远镜直接看见。科学家们从这些微弱的信号里前后找到了天王星的9条光环。这些光环被旅行者2号拍摄到了，而且还有得多。旅行者2号发现了两条新环，天王星的光环增加到了11条。此后，从哈勃望远镜拍摄的照片里又找到了新光环，天王星至少有20条光环。这些光环主要由冰和石块组成，比较窄，跟土星宽大明亮的环形成了鲜明对比。土星的光环之中全是冰颗粒，反光率高。而且时不时冰颗粒就互相磕碰一下，表面的脏东西都掉下去了，所以土星环始终保持高反射率。
旅行者2号前前后后给天王星拍了7000多张照片，就这么结束了对天王星的考察，留下了无数的未解之谜，奔着海王星就来了。路上慢慢把照片全都传回去，通信速度太低，传输很慢，但是走到海王星还得等好几年。足够照片慢慢回传了。
一直到1989年的8月底，旅行者2号才抵达海王星。这也是旅行者号任务拜访的最后一个大行星了，所以不需要兼顾未来的轨道。旅行者2号靠海王星特别近。距离只有4000多公里，路过天王星的时候足有8万多公里呢。
经过正常颜色校准的海王星并不是那么蓝
海王星是太阳系中距离太阳最远的行星之一，它的体积与天王星相近，但质量更大。海王星的大气层主要由氢、氦和甲烷组成，所以，海王星也是蓝色的，但是，我们目前看到的海王星照片蓝色都比较深，这是当初照片数据处理有问题，真实的颜色应该是跟天王星差不多的淡蓝色。
冰巨星的结构都差不多。科学家们推测，海王星的内部可能也存在着一个液态的海洋，深度达数千公里。这个海洋从海王星的内核一直延伸到大气层的底部，覆盖了整个海王星。海王星的海洋和大气层之间的相互作用，可能对气候和磁场产生重要影响。
旅行者2号探测器发现，海王星上存在着太阳系中最强烈的风暴，风速高达2100公里/小时。海王星的云顶温度为-200℃，也是是太阳系中最冷的地区之一。尽管距离太阳遥远，海王星接受的太阳光照比地球上微弱1000倍，但它的风暴却异常强烈。科学家们推测，这可能是因为海王星上的风暴能量来源不仅仅是太阳能，还可能有内部的能量释放。海王星内部释放的能量是天王星的2.6倍。海王星的内核很大，比天王星还大。
海王星上的卷云
正因为海王星上的温度很低，流体的黏度下降，因此流动起来更加顺畅，而且湍流也少。你看木星表面花里胡哨的，其实全是湍流在打卷。海王星和天王星上就没这么花哨，纹路就显得比较平滑。
海王星的大气层中存在着大量的气旋和反气旋，这些气旋和反气旋的形成与海王星内部的能量释放密切相关。海王星的大气层中还存在着大量的甲烷冰云，这些冰云在强风的作用下形成了各种复杂的天气现象。海王星的风暴活动非常频繁，科学家们通过观测发现，海王星的大气层中存在着许多短命的风暴系统，这些风暴系统的寿命只有几天到几周。
海王星上最引人注目的特征之一是大黑斑，这是一个巨大的风暴系统，大小与地球相当。大黑斑沿中心轴向逆时针方向旋转，每转一圈需要10天。然而，1994年哈勃空间望远镜的观测显示，大黑斑竟然消失了！几个月后，科学家们在海王星的北半球发现了一个新的黑斑，这表明海王星的大气层变化非常频繁。
旅行者2号拍到的大黑斑
这个大黑斑寿命短，真的比不过木星上的大红斑。人家持续了300年以上了。
科学家们也曾经想利用海王星掩星的机会探测一下有没有环，但是没有结果。旅行者号亲自跑一趟，终于确定海王星也是有光环的，只是太暗弱，地面上看不见。
旅行者2号探测器发现了5条光环，其中3条比较暗，2条比较亮。这些光环主要由冰和尘埃组成，结构复杂，可能与附近轨道上的小卫星的引力相互作用有关。海王星的光环系统比天王星的光环系统更加复杂。因为这些环居然是断断续续的，比如说最外层的圆环叫“亚当斯”环，亚当斯也是海王星的发现者之一。这个环分为三段，叫“自由”、“平等”、“博爱”。到底是什么原因导致光环分了段，还有待科学家们继续研究。
旅行者2号拍到的海王星光环，环上有缺口
旅行者2号还发现了不少海王星的新卫星，但是大多数都是体积很小的歪瓜裂枣，明显是被捕获的。比较大的只有海卫一、海卫二和海卫八。
海卫一是海王星最大的卫星。它也是太阳系中唯一沿行星自转方向逆行的大卫星。海卫一的表面温度极低，为-240℃，部分地区被水冰和雪覆盖，时常下雪。海卫一上存在冰火山活动，喷射出冰冻的甲烷或氮冰微粒，喷射高度可达32公里。海卫一的地质活动非常活跃，表面有断层、高山、峡谷和冰川，表明它可能经历过类似地震的地质活动。
海卫一表面
海卫一的表面特征非常独特，存在许多陨石坑、熔岩流形成的圆形坑、冰丘、平坦的火山平原以及大大小小的土石堆。这些特征表明，海卫一的地质活动非常活跃，可能存在着液态水和液态氮的海洋。海卫一的发现，为科学家们研究海王星的卫星系统提供了重要的线索。
旅行者2号拜访海卫一的过程，就跟旅行者1号拜访泰坦差不多。反正没有后续计划了。那就尽量多绕一绕，未来的方向已经不重要了。旅行者2号就这么离开了海卫一，飞向更加遥远的星际空间。
在未来的几十年里，这两颗探测器的传奇还在继续。我们下次再说。
