Uranus is one of the extreme worlds in the Solar System. Its large axial tilt of 98^o and orbital period of 84 years lead to unique seasons. It has been visited only by the Voyager 2 spacecraft and remains one of the poorly understood planets in the Solar System. Uranus’ atmosphere is primarily composed of atomic and molecular hydrogen (H and H₂, respectively), helium (He), and methane (CH₄). One of the strongest emission lines from the Sun in the ultraviolet is Lyman alpha (Lyα, 1215.67 Å). It is efficiently scattered by H and H₂, and absorbed by hydrocarbons (mostly, CH₄) in planetary atmospheres. This makes remote sensing observations at Lyα and associated wavelengths an excellent tool to study giant planets’ upper atmospheres. At giant planets, the upper atmosphere plays a key role in various processes such as photochemistry, interaction with the plasma environment and possibly solar wind, magnetosphere-ionosphere coupling, atmospheric escape, and interaction with ring particles. In this thesis, we analysed Hubble Space Telescope (HST) observations of Uranus obtained at Lyα and 1280 Å wavelengths, and performed radiative transfer simulations considering resonant scattering by H, Rayleigh-Raman scattering by H₂, and absorption by CH₄. The results and insights into Uranus’ neutral upper atmosphere gained from the work are presented in a series of papers.

Our analyses of the first spatially resolved images of Uranus’ Lyα emissions, obtained in 1998 and 2011, revealed an extended exosphere of gravitationally bound hot H. The abundance of this hot H varied with time and cannot be explained by production mechanisms involving solar UV radiation alone, pointing to additional energetic processes (Paper I). Further, we analysed Uranus’ Raman-scattered Lyα emissions at 1280 Å, unique among the Solar System giant planets. Using the observed brightness of these emissions, we constrained the vertical distribution of methane in Uranus’ upper atmosphere, providing key inputs for photochemical modelling (Paper II). Our 2024 HST observations revealed a significant increase in exospheric hot H abundance compared to 1998 and 2011, indicating an increase in energetic processes creating this hot H. We also found a persistent azimuthal variation in the exospheric Lyα emissions. Thus, we provide tentative evidence of the role of energetic particles in the Uranian magnetosphere in producing the hot H observed in the exosphere (Paper III).

Uranus är en av de mest extrema planeterna i solsystemet. Dess stora axellutning på 98^o och omloppstid på 84 jordår leder till unika årstider. Planeten har endast besökts av rymdsonden Voyager 2 och är alltjämt en av de planeter i solsystemet vi vet minst om. Uranus atmosfär består huvudsakligen av atomärt och molekylärt väte (H och H₂, respektive), helium (He) och metan (CH₄). Den starka Lyman-alfa-strålningen (Lyα, 1215.67 Å) från solen sprids effektivt av H och H₂ och absorberas av kolväten (mestadels CH₄). Detta gör fjärranalysobservationer via Lyα och relaterade våglängder till ett utmärkt verktyg för att studera Uranus övre atmosfär. På jätteplaneter spelar den övre atmosfären en nyckelroll i olika processer såsom fotokemi, växelverkanmed plasmamiljön och solvinden, kopplingen mellan magnetosfären och jonosfären, atmosfärsflykt och växelverkan med partiklar från planetens ringar. I denna avhandling studerade vi Uranus neutrala övre atmosfär med hjälp av observationer gjorda av Hubbleteleskopet (HST) vid våglängderna Lyα och 1280 Å. Vi gjorde även simuleringar av strålningstransport där vi tog hänsyn till resonansspridning av H, Rayleigh-Raman-spridning av H₂ och absorption av CH₄. Våra resultat presenteras i en serie artiklar.

Våra analyser av de första rumsligt upplösta bilderna av Lyα emissioner från 1998 och 2011 avslöjade en utsträckt exosfär av gravitationsbundet hett väte, vars förekomst varierade med tiden och inte kan förklaras av produktionsmekanismer som enbart involverar solens UV-strålning, vilket pekar på att ytterligareenergetiska processer påverkar systemet (Paper I). Vidare analyserade vi Uranus Ramanspridda Lyα-emissioner vid 1280 Å, som förekommer unikt vid Uranus bland solsystemets jätteplaneter. Med hjälp av den observerade styrkan hos dessa emissioner begränsade vi den vertikala fördelningen av metan i Uranus övre atmosfär, vilket gav viktiga indataför fotokemisk modellering (Paper II). Våra HST observationer från 2024 avslöjade en signifikant ökning av förekomsten av exosfäriskt hett väte jämfört med 1998 och 2011, vilket indikerar en ökad betydelse av de energiska processer som skapar detta heta väte. Vi upptäckte också en beständig azimutal variation i de exosfäriska Lyα-emissionerna kring Uranus. Vi presentera preliminära belägg för att energiska partiklar från Uranus magnetosfär spelar en roll i produktionen av det heta väte som observeras i exosfären (Paper III).