© Владимир Каланов,
сайт
"Знания-сила".
После открытия Урана в 1781 году астрономы долго не могли объяснить причины отклонений в движении этой планеты по орбите от тех параметров, которые определялись законами движения планет, открытыми Иоганном Кеплером. Предполагали, что за орбитой Урана может находиться ещё одна крупная планета. Но правильность такого предположения нужно было доказать, для чего необходимо было выполнить сложные расчёты.
Нептун с расстояния 4,4 млн.км.
Нептун. Фото в условных цветах.
С древних времён люди знали о существовании пяти планет, которые видны невооруженным глазом: Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна.
И вот талантливый английский математик Джон Кауч Адамс (1819-1892) , только что окончивший колледж Св. Джона в Кембридже, в 1844-1845 годах произвёл расчеты приблизительной массы трансура́новой планеты, элементы её эллиптической орбиты и гелиоцентрическую долготу. Впоследствии Адамс стал профессором астрономии и геометрии Кембриджского университета.
В основу расчётов Адамс положил предположение, что искомая планета должна находиться на расстоянии 38,4 астрономической единицы от Солнца. Такое расстояние Адамсу подсказало так называемое правило Тициуса-Боде, устанавливающее порядок приближенного расчета расстояния планет от Солнца. В дальнейшем мы постараемся рассказать об этом правиле более подробно.
Свои расчёты Адамс представил руководителю Гринвичской обсерватории, но на них не обратили внимания.
Несколькими месяцами позже, независимо от Адамса расчёты произвёл и французский астроном Урбе́н Жан Жозеф Леверье (1811-1877) и представил их в Гринвичскую обсерваторию. Здесь сразу вспомнили о расчетах Адамса, и с 1846 года была развёрнута программа наблюдений в Кембриджской обсерватории, но результатов она не дала.
Летом 1846 года Леверье́ сделал более подробный доклад в Парижской обсерватории, познакомил коллег со своими расчётами, которые были такими же и даже более точными, чем у Адамса. Но французские астрономы, оценив математическое мастерство Леверье́, к проблеме поиска трансура́новой планеты особого интереса не проявили. Это не могло не разочаровать мэтра Леверье́, и он 18 сентября 1846 г. отправил письмо ассистенту Берлинской обсерватории Иоганну Готфриду Галле (1812-1910) , в котором, в частности, писал: «… Потруди́тесь направить телескоп в созвездие Водолея. Вы обнаружите планету девятой звёздной величины в пределах 1° от точки эклиптики с долготой 326°…»
23 сентября 1846 г., сразу же по получении письма, Иоганн Галле и его ассистент, студент-старшекурсник Генрих д’Арре направили телескоп в созвездие Водолея и обнаружили новую, восьмую планету почти точно в том месте, на которое указал Леверье́.
Парижская академия наук заявила вскоре, что новую планету "на кончике пера" открыл Урбен Леверье́. Англичане пытались протестовать и требовали признать первооткрывателем планеты Джона Адамса.
Кому же был отдан приоритет открытия - Англии или Франции? Приоритет открытия был признан за … Германией. В современных энциклопедических справочниках указано, что планету Нептун открыл в 1846 году Иоганн Галле по теоретическим предсказаниям У.Ж. Леверье и Дж.К. Адамса.
Нам кажется, что европейская наука поступила в этом вопросе справедливо по отношению ко всем троим учёным: Галле, Леверье́ и Адамсу. В истории науки осталось также и имя Генриха д’Арре, который тогда был ассистентом Иоганна Галле. Хотя, конечно, работа Галле и его ассистента по объёму и напряженности была значительно меньше той, которую проделали Адамс и Леверье́, выполнив сложные математические расчеты, за которые не взялись многие учёные-математики того времени, считая задачу неразрешимой.
Открытую планету назвали Нептуном по имени древнеримского бога морей (у древних греков на "должности" бога морей числился Посейдон). Имя Непту́на было выбрано, конечно, по традиции, но оказалось достаточно удачным в том смысле, что поверхность планеты цветом напоминает синее море, где хозяйничает Нептун. Кстати говоря, о цвете планеты стало возможным определённо судить лишь спустя почти полтора века после её открытия, когда в августе 1989 года американский космический аппарат , выполнив программу исследований вблизи Юпитера, Сатурна и Урана, пролетел над северным полюсом Непту́на на высоте всего 4500 км и передал на Землю снимки этой планеты. «Вояджер-2» остаётся пока единственным аппаратом, направленным в окрестности Непту́на. Правда, некоторые све́дения внешнего характера о Нептуне получены также с помощью , хотя он и находится на околозе́мной орбите, т.е. в ближайшем космосе.
Планета Нептун вполне могла быть открыта ещё Галилеем, который заметил её, но принял за необычную звезду. С тех пор ещё почти двести лет, до 1846 года, одна из планет-гигантов Солнечной системы пребывала в неизвестности.
Нептун, восьмая по расстоянию от Солнца планета, удалена от светила примерно на 4,5 миллиарда километров (30 а.е.) (min. 4,456, max. 4,537 млрд. км).
Нептун, как и , относится к группе газообразных планет-гигантов. Диаметр его экватора равен 49528 км, что почти в четыре раза больше земного (12756 км). Период вращения вокруг своей оси – 16 ч. 06 мин. Период обращения вокруг Солнца т.е. продолжительность года на Нептуне составляет почти 165 земных лет. Объём Непту́на в 57,7 раза больше объёма Земли, а масса в 17,1 раза больше земной. Средняя плотность вещества равна 1,64 (г/см³) , что заметно больше, чем на Уране (1,29 (г/см³) ), но значительно меньше, чем на Земле (5,5 (г/см³) ). Сила тяготения на Нептуне почти в полтора раза больше земной.
Со времён глубокой древности и до 1781 года люди считали Сатурн самой далёкой планетой. Открытый в 1781 году Уран "раздвинул" границы Солнечной системы вдвое (от 1,5 млрд. км до 3 млрд. км).
Но через 65 лет (1846 г.) открыли Нептун, и он "раздвинул" границы Солнечной системы ещё в полтора раза, т.е. до 4,5 млрд. км во все стороны от Солнца.
Как мы увидим в дальнейшем, и это не стало пределом для пространства, занимаемого нашей Солнечной системой. Через 84 года после открытия Непту́на, в марте 1930 года, американец Клайд Томбо открыл ещё одну планету – , вращающуюся вокруг Солнца на среднем от него расстоянии около 6 млрд. км.
Правда, Международный Астрономический Союз в 2006 году лишил Плутон "звания" планеты. По мнению учёных, маловат ростом оказался Плутон для такого звания, а потому переведён был в разряд карликов. Но это не меняет суть де́ла - всё равно Плутон как космическое тело входит в состав Солнечной системы. И никто не поручится, что за орбитой Плутона больше нет космических тел, которые могли бы войти в состав Солнечной системы на правах планет. Во всяком случае и за орбитой Плутона пространство наполнено разнообразными космическими объектами, что подтверждается наличием так называемого по́яса Эджворта-Ко́йпера, простирающегося на 30-100 а.е. Об этом поясе мы поговорим чуть позже (см. на "Знания-сила").
Атмосфера Нептуна
Рельеф облаков Нептуна
Атмосфера Непту́на состоит в основном из водорода, гелия, метана и аммиака́. Метан поглощает красную часть спектра и пропускает синий и зелёный цвета́. Поэтому цвет поверхности Непту́на кажется зеленовато-голубым.
Состав атмосферы следующий:
Основные компоненты: водород (H 2) 80±3,2 %; гелий (He) 19±3,2 %; метан (CH 4)
1,5±0,5 %.
Компоненты примесей:
ацетилен (C 2 H 2)
, диацетилен (C 4 H 2)
, этилен (C 2 H 4)
и этан (C 2 H 6)
, а также
угарный газ (CO)
и молекулярный азот (N 2);
Аэрозоли: аммиачный лёд, водный лед, гидросульфидно-аммониевый (NH 4 SH)
лёд, метановый лёд
(? - под вопросом).
Температура: на уровне давления 1 bar: 72 K (–201 °C);
на уровне давления 0.1 bar: 55 K (–218 °C).
Начиная с высоты около 50 км от поверхностных слоёв атмосферы и далее до высоты в несколько тысяч километров планету покрывают серебристые перистые облака́, состоящие преимущественно из замерзшего метана (см. фото справа вверху). Среди облаков наблюдаются образования, напоминающие циклонные завихрения атмосферы, подобно тому, как это имеет место на Юпитере. Такие завихрения выглядят в виде пятен и периодически возникают и исчезают.
Атмосфера постепенно переходит в жидкое, а затем и твёрдое тело планеты, как предполагается, состоящее в основном из тех же веществ - водорода, гелия, метана.
Атмосфера Непту́на очень активна: на планете дуют очень сильные ветры. Если ветры на Уране со скоростью до 600 км/ч мы называли ураганными, то как назвать ветры на Нептуне, которые дуют со скоростью 1000 км/ч? Более сильных ветро́в нет ни на одной другой планете Солнечной системы.
Нептун - самая последняя планета по удаленности от Солнца. Такое название объект получил в честь мифического персонажа древних римлян - владыки морей.
Нептун обнаружили в 1846 году. Он стал первым небесным телом, которое открыли путем точных расчетов. Другие же космические объекты были открыты в ходе регулярных исследований. Заметив сильные перемены в орбите Урана, ученые того времени начали подозревать наличие еще одной планеты. Чуть позже Нептун нашли в предполагаемой области. После данного открытия была обнаружена и его самая крупная луна - Тритон.
Проводя свои наблюдения, Галилей принял Нептун за светило на ночном небосводе. По этой причине его не признали первооткрывателем планеты.
В 1612 году Нептун приблизился к точке стояния. Именно этот момент был переходным для планеты к обратному движению. Его можно наблюдать, например, когда Земля начинает перегонять по своей орбите внешнюю. И, в связи с тем, что Нептун подходил к точке стояния, его движение было очень медленным, чтобы зафиксировать это при помощи примитивных приспособлений того времени.
Чуть позднее - в 1821 году ученый Алексим Бувар представил свои таблицы орбиты Урана. В ходе дальнейших мероприятий по изучению планеты были отмечены существенные несоответствия реального его движения с этими таблицами. Британец Т.Хасси, исходя из результатов своих работ, выдвинул версию о том, что аномалии в орбите Урана, возможно, вызваны другим небесным объектом. В 1834 произошла встреча Хасси и Бувара, на которой последний дал обещание провести новые вычисления, необходимые для определения местонахождения новой планеты. Но известно, что после данной встречи Бувара более не занимала данная тема. В 1843 Д. Куч Адамсу удалось вычислить орбиту неизвестной планеты для «оправдания» несоответствий в орбите Урана. Астроном направил итоги своей работы Джоржу Эйри, который являлся королевским астрономом. Но, как выяснилось, и он не отнесся серьезно к рассмотрению подробностей этого дела.
Урбен Леверье в 1845 году приступил к собственным расчетам. Но сотрудники главной обсерватории Парижа отказывались воспринимать идеи ученого всерьез и содействовать поиску 8-ой планеты. В 1846 году, изучив работу Леверье по оценке долготы объекта и убедившись в том, что его результат схож с Результатов Адамса, Эйри попросил Д. Чэллиса - руководителя Кембриджской обсерватории, все же приступить к поиску. Самому Чэллису неоднократно доводилось видеть Нептун на ночном небе. Но ввиду того, что астроном все время откладывал проведение анализа наблюдений, ему также не удалось стать его первооткрывателем.
Через некоторое время Леверье убеждает работника Берлинской обсерватории - Иоганна Галле в успехе планируемого исследования. Затем Генрих Д.Арре предлагает Галле произвести сравнения с ранее созданной картой части небосвода с представленными Леверье новыми координатами. Это было необходимо для определения направления движения объекта на фоне звезд. Нептун открыли в эту же ночь. Далее в течение 2-х суток ученые продолжали наблюдения за областью неба, которую определил Леверье. Им было необходимо убедиться в том, что данный объект в действительности является планетой. Итак, 23 сентября 1846 года - официальная дата обнаружения 8-ой планеты системы нашей звезды.
Чуть позже из-за данного события возникло множество споров между французскими и английскими учеными по поводу того, кого же считать первооткрывателем. В итоге ими были признаны сразу двое ученых - Адамс и Леверье. Но после обнаружения бумаг в 1998, тайно присвоенных Дж. Эггеном, оказалось, что Леверье имеет намного больше прав называться первооткрывателем Нептуна, нежели его коллега.
Восьмая планета не сразу получила свое законное название. Какоке-то время после ее обнаружения в кругу ученых она обозначалась, как «внешняя от Урана планета». Некоторые называли ее просто «планетой Леверье». Впервые название для объекта было предложено Галле. Ученый порекомендовал назвать ее «Янус». Англичанин Чайлз предложил название «Океан».
Но как первооткрыватель, Леверье счел, что именно он должен наречь обнаруженный им объект. Ученый решил назвать его Нептуном, ссылаясь на одобрение этого решения французским бюро долгот. Известно, что ранее астроном хотел наречь планету своим именем, но данное решение вызвало протест за границей.
Василий Струве -руководитель Пулковской обсерватории счел «Нептун» наиболее подходящим названием для планеты. Древние римляне считали Нептун покровителем морей, также, как греки Посейдона.
После обнаружения вплоть до 30-го года прошлого века Нептун считали крайним крупным объектом Солнечной системы. Но после более позднеего открытия Плутона, Нептун превратился в предпоследнюю планету. Но при тщательном изучении пояса Койпера, ученые старались определиться со следующим вопросом: причислять ли Плутон к планетам, или же считать его обитателем пояса Койпера? Только в 2006 году было решено оставить Плутону статус карликовой планеты. А значит и Нептун снова стали считать последней планетой в Солнечной системе.
В середине прошлого века информация о Нептуне кардинально разнились с сегодняшними данными. Например, ранее масса Нептуна приравнивалась к 1726 земным, вместо действительных 1515. Также предполагалось, что размер радиуса экватора - 3,00, вместо настоящих 3,88 от радиуса Земли.
Также до полного исследования Нептуна «Вояджером-2» считалось, что его магнитное поле идентично магнитным полям Земли и Сатурна. Но после долгих наблюдений оказалось, что оно имеет форму «наклонного ротатора».
Имея массу 1,0243 1026 кг, можно сказать, что Нептун по своим габаритам занимает среднее положение между Землей и крупными газовыми планетам. Его массовые показатели в 17 раз превышают земные. В то время, как Нептун составляет только 1⁄19 массы Юпитера. Уран с Нептуном принято причислять к подклассу газовых гигантов. Иногда их называют «ледяными гигантами». Это связанно с их "скромными" габаритами и высокой концентрацией легких элементов. Нептун также используют при изучении экзопланет, как метоним. Известные космические тела с идентичной ему массой нередко зовутся «Нептунами».
Дистанция между Нептуном и нашей звездой равна 4,55 млрд км. Полный цикл вокруг нее Нептун завершает почти за 165 лет. Сама планета находится от Земли на дистанции 4,3036 млрд км. В 2011 году Нептун полностью завершил первый оборот вокруг звезды со времен его обнаружения.
Сидерический период обращения Нептуна - 16,11 часа. В связи с тем, что поверхность Нептуна не твердая, принцип вращения его атмосферы характеризуется, как дифференциальный. Область экватора планеты обращается с 18-ти часовым периодом. Это относительно медленно по сравнению со скоростью вращения магнитного поля Нептуна. Его полярные области совершают полный оборот вокруг себя за 12 земных часов. Из всех объектов, обитающих во внутренней части нашей Солнечной системы, данный принцип вращения отмечается только у Нептуна. Этот феномен является первопричиной широтного сдвига ветров.
Известно, что Нептун оказывает достаточно сильное влияние даже на тела пояса Койпера. Нужно напомнить, что данный пояс является неким кольцом. Оно включает в себя малогабаритные ледяные планеты. Пояс чем-то схож с астероидным поясом, находящимся между Юпитером и Марсом. Пояс Койпера берет начало от определенной зоны орбиты Нептуна (30 а.е) и тянется до 55 а.е от звезды. Влияние гравитации Нептуна на объекты пояса Койпера значительное. Известно, что за все существования Солнечной системы многие объекты были «выведены» из области пояса под влиянием гравитации Нептуна. Вследствие чего на месте исчезнувших тел образовались пустоты.
Орбиты объектов, удерживаемых в области этого пояса, на протяжении значительных промежутков времени, определяются вековыми резонансами с Нептуном. Из них есть и такие, для которых данные промежутки сопоставимы со всем периодом существования нашей звездной системы.
Если говорить о внутреннем устройстве планеты, то нужно отметить, как оно схоже с внутренним строением планеты Уран. Сама атмосфера Нептуна составляет около 10-20% от его суммарной массы. В зоне ядра давление достигает 10 ГПА. Самые низкие слои атмосферы насыщены большим количеством метана, аммиака и воды.
Внутреннее устройство планеты Нептун:
1. Верхний атмосферный слой, в том числе образования облаков, находящиеся на ее высоких уровнях.
2. Атмосфера, в которой преобладает метан, водород и гелий.
3. Мантия, в которой содержится значительное количество метанового льда, воды и аммиака.
4. Каменно-ледяное ядро со временем темная и сильно нагретая область начинает преобразовываться в жидкую мантию. Показатели ее температуры колеблются от 2000 до 5000 К. Массовые показатели мантии превосходят земные в 10-15 раз. Ученые полагают, что она насыщена большим количеством метана, воды и аммиака. Данная материя также по устоявшимся среди ученых терминов называют ледяной. И это, несмотря на то, что в действительности она очень горяча. Жидкая мантия обладает отличной электропроводностью. Именно поэтому ее зачастую называют океаном жидкого аммиака. Ученые полагают, что ядро Нептуна обволакивает «алмазная жидкость». Его масса примерно в 1,2 раза превышает земную. Ядро состоит по большей части из следующих элементов: никеля, силикатов и железа.
Своим магнитным полем и магнитосферой он сильно схож с Ураном. Они также достаточно сильно наклонены от оси планеты. До изучения Нептуна «Вояджером-2» астрофизики считали, что наклон магнитосферы Урана является, так называемым, «побочным эффектом» бокового вращения. Но сегодня, получив больше информации, ученые убеждены, что такая особенность магнитосферы объясняется действием приливов во внутренних зонах.
Магнитное поле планеты имеет комплексную геометрию. В нее входит существенные включения от небиполярных компонентов, таких как квадрипольный момент. По своей мощности он превосходит дипольный. Например, у Земли, Сатурна и Юпитера он относительно мал, в связи с чем их поля не так сильно "отходят" от оси.
Головная ударная волна планеты - область магнитосферы, в которой случается изменение скорости солнечного ветра. Здесь его движение начинает ощутимо замедляться. Эта зона располагается на дистанции, измеряемой в 34,9 планетарных радиусах. Магнитопауза - это зона, где солнечные ветра уравновешиваются сильным давлением. Она находится на расстоянии 25 радиусов планеты. Длина хвоста магнитосферы простирается на расстояние, равное 72 радиусам или более.
Атмосфера планеты Нептун
В верхних слоях атмосферы Нептуна имеется гелий (19%) и водород (80%). В небольших количествах здесь также находится и метан. Видимые полосы его поглощения видны при наблюдениях в инфракрасном диапазоне. Известно, что метан хорошо поглощает красный цвет, именно поэтому атмосфера планеты имеет преимущественно синий оттенок.
Процентное содержание метана в атмосфере Нептуна практически такое же, как и у Урана. Поэтому ученые предполагают, что существует еще один особый элемент, которые придает атмосфере синеватый оттенок.
Атмосфера Нептуна делится на тропосферу и стратосферу. В тропосфере температура понижается по мере удаленности от поверхности. А в стратосфере наоборот - температура по мере приближения к поверхности повышается. Пограничной "подушкой" между ними является тропопауза. Она состоит из образований облаков, имеющих разный химический состав.
При давлении, оценивающемся 5 барами, начинают образовываться аммиачные и сероводородные облака. При давлении выше 5 бар формируются новые облака из сульфида аммония и воды. По мере приближения к поверхности планеты, при давлении в 50 бар, появляются облака из водяного пара.
Образования облаков, находящихся на высоком уровне, наблюдались «Вояджером-2» по их теням, которые проецировались на плотный нижний слой. На нем также можно было разглядеть облачные полосы, «окутывающие» планету.
Тщательные исследования Нептуна помогли ученым выявить, что низкие уровни его стратосферы мутнеют под влиянием испарений ультрафиолетового фотолиза метана. В стратосфере Нептуна были также найдены: циановодород и угарный газ. В целом температура стратосферы Нептуна значительно выше, чем температура стратосферы Урана. Причина тому- наиболее высокое процентное содержание в ней углерода. По непонятным причинам термосфера Нептуна имеет чрезвычайно высокую температуру - 750 К. Это нехарактерно для планеты, которая находится на достаточно большой дистанции от Солнца. Это значит, что на таком расстоянии термосфера не может прогреваться ультрафиолетовой радиацией до такого уровня. Ученые считают, что данная аномалия связана с взаимодействием термосферы с ионами магнитного поля Нептуна. Существует также и другая версия, объясняющая данный феномен. Считается, что разогрев термосферы осуществляется с подачи волн гравитации внутренней части планеты. Затем они просто развеиваются в атмосфере. Известно, что в термосфере имеется наличие следов угарного газа и воды. Астрофизики считают, что они оказались здесь посредством внешних источников.
На Нептуне преобладают штормы и ветра, достигающие скорости до 600 м/с. В процессе наблюдения за принципом движения облаков ученые вычислили еще одну закономерность: скорость ветров изменяется при движении от восточной области к западной. На верхних уровнях атмосферы преобладают ветра, средняя скорость движения которых равна 400 м/с. В зоне экватора и полюсов - 250 м/с.
Ветра Нептуна в основном дуют в направлении противоположном его вращению. Схема движения ветров, составленная учеными, указывает на то, что в более высоких широтах направление ветров все же совпадает с направлением вращения планеты вокруг своей оси. В более низких широтах ветра движутся преимущественно в противоположном направлении. Ученые считают, что объяснение данным различиям является «скин-эффект», а не иные атмосферные процессы. В атмосфере планеты ацетилен, метан и этан находятся в большем количестве, нежели, чем в зоне его полюсов.
Данные наблюдения практически являются объяснением существования апвеллинга в экваториальной зоне планеты. В 2007 было выяснено то, что температура в верхней области тропосферы на 10 градусов выше, чем в остальных частях планеты. Такой существенный перепад по мнению ученых повлиял на метан, изначально находившийся в застывшем состоянии. Он стал просачиваться в космическое пространство через южный полюс Нептуна. Главная причина этой аномалии по общепринятому мнению является угол наклона самого объекта.
По мере продвижения планеты к противоположной стороне звезды, ее южный полюс начнет затеняться. Это указывает на то, что Нептун будет обращен к звезде уже северным полюсом. И «высвобождение» метана в космос теперь будет осуществляться из области северного полюса.
В 1989 года космической машиной «Воядже-2» было обнаружено «Большое темное пятно». Оно представляет собой устойчивый шторм, размеры которого достигают 13 000 × 6600 км. Данная аномалия ассоциировалась у ученых с известным «Большим красным пятном», присутствующим на Юпитере. Но в 1994 году космическим телескопом «Хаббл» темное пятно Нептуна не было обнаружено на том месте, где его зафиксировал «Вояджер-2». Вместо черного пятна здесь было замечено другое образование - Стулкер. Это шторм, зафиксированный в южной стороне от «Большого темного пятна». Малое темное пятно представляет собой второй по мощности шторм, который был открыт в процессе приближения машины к планете, которое произошло в 1989 году. Сначала оно визуализировалось, как затемненная область. Но по мере приближения «Вояджера-2» к Нептуну, его очертания на снимках стали четче, за счет чего ученые сразу заметили на нем различные облачные образования: густые, более разреженные, яркие и темные.
Астрофизики считают, что более темные пятна образуются в нижних слоях тропосферы, нежели более яркие и разреженные облака
Данные штормы устойчивые со средней продолжительностью «жизни» до нескольких месяцев. Значит можно сделать вывод, что они имеют вихревую структуру. Лучше всего с темными пятнами сливаются более яркие облака метана, которые рождаются в тропопаузе.
Постоянство данных облаков указывает на то, что старые «темные пятна» все же могут продолжать существовать в качестве циклонов. Но в этом случае их темный окрас будет потерян. Данные образования могут рассеиваться, если они находятся вблизи экватора.
Несмотря на то, что Нептун и Уран схожи во многом, у Нептуна погодное разнообразие намного больше. Это объясняется его повышенной внутренней температурой. И это, несмотря на то, что Нептун располагается на большей дистанции от Солнца, нежели Уран.
Поверхностные температурные показатели данных планет приблизительно одинаковые. В верхних слоях тропосферы Нептуна температура равна -222°C. В глубинах при давлении, равном 1 бару, температурные показатели равны -201°C. Более глубокие нижние слои состоят из газов, но температура в данной области повышается. Причина именно такого распределения тепла, как и принцип нагрева, учеными пока не выяснены. Известно лишь то, что от Урана исходит в 1,1 раз количества энергии больше, чем он получает от звезды. От Нептуна исходит в 2,61 раза больше количества энергии, чем он принимает от Солнца. Количество производимого им тепла равно 161% от получаемой им звездной энергии. При том, что Нептун является самой удаленной от звезды планетой, его энергетического потенциала хватает, чтобы ветра до невероятных скоростей, которые только могут быть в пределах Солнечной системы. Данному феномену ученые дают сразу несколько толкований. Перовое - радиогенный нагрев, осуществляемый "сердцем" (ядром) Нептуна. Второе - преобразование метана в цепные углеводороды. Третье - конвекция, происходящая на более глубоких атмосферных слоях, которая провоцирует замедление гравитационных волн над областью тропопаузы.
Ученым даже сегодня трудно воссоздать процесс образования ледяных гигантов, к которым относятся Нептун и Уран. Нынешние модели указывают на то, что плотность вещества во внешней зоне Солнечной системы была чересчур низкой для образования объектов подобных размеров методом аккреции материи на ядро. Сегодня существует масса гипотез об эволюции этих двух тел. Сутью одной из самых распространенных теорий является то, что эти ледяные планеты образовались вследствие нестабильности протопланетного диска. И уже на последних стадиях формирования их атмосферы начали уноситься в космос под воздействием массивных светил класса B и O.
Суть менее популярной гипотезы - Нептун с Ураном формировались на минимальном расстоянии от Солнца. В данной области плотность вещества была выше, и вскоре планеты оказались на текущих орбитах. Теория о "переходе" Нептуна достаточно известна. Ею подразумевается, что при движении Нептуна наружу, он систематически пересекался с телами, относящимися к прото-поясу Койпера. Планета формировала новые резонансы и беспорядочно "корректировала" текущие орбиты. Предполагается, что тела рассеянного диска имеют такое положение по причине этого резонансного воздействия, спровоцированного миграцией Нептуна.
В 2004 году Аллесандро Мобиделлии предложил новую модель. Ее суть - приближение Нептуна к поясу Койпера, спровоцированное резонансным формированием 1:2 в орбите Сатурна и Нептуна. Они сыграли роль гравитационных усилителей, подтолкнувшие Нептун и Уран на новые орбиты. Кроме этого, такой резонанс способствовал изменению их местонахождения. Вполне возможно, что причиной выталкивания тел из области пояса Койпера явилась «Поздняя тяжелая бомбардировка». По мнению ученых она произошла 600 млн лет после завершения становления Солнечной системы.
На сегодня существует 14 известных спутников Нептуна. Масса самого крупного - 99,5% от общей массы всех лун планеты. Данный объект был назван Тритоном. Его открыл Уильям Лассел. Это произошло ровно через 15 дней после официального объявления об открытии Нептуна. В отличии от иных лун, находящихся в Солнечной системе, у Тритона имеется ретроградная орбита. Не исключено, что он был притянут гравитацией Нептуна, а не был сформирован в своем текущем месте обращения. Многие ученые полагают, что он мог изначально быть карликовой планетой, принадлежащей к поясу Койпера. Из-за воздействия приливного ускорения Тритон спиралеобразно и достаточно медленно продвигается к Нептуну. В конечном итоге он разрушится, когда подойдет к пределу Роша. Вследствие этого образуется новое кольцо, которое по массивности можно будет сравнить с кольцами Сатурна. По прогнозам ученых это событие произойдет через 10-100 млн лет.
В 1989 ученые получили данные о температуре, преобладающей на Тритоне. Она оставила -235 °C. В то время это было самое малое значение для тел нашей звездной системы, у которых отмечается геологическая активность. Тритон причисляется к одному из трех лун, обитающих в Солнечной системе, у которых имеется атмосфера. Двое из них - это Титан и Ио. Астрономы также не исключают у Тритона наличие внутреннего жидкого океана.
Второй по времени обнаружения спутник Нептуна - Нереида. Она также обладает неправильной формой. Эксцентриситет ее орбиты считается самым высоким из всех подобных тел внутренней области Солнечной системы.
Осенью 1989 года машине «Вояджер-2» удалось обнаружить у Нептуна наличие 6-ти новых спутников. В небольшой степени внимание ученых привлек Протей, который имеет неправильную форму, подобную Тритону. Астрономы выделили его ввиду того, что он не был стянут в сферическую форму под действием собственной силы гравитации. Это значит, что Протей, во всей видимости, обладает огромной плотностью.
К самым близким спутникам Нептуна причисляются: Наяда, Галатея, Таласса и Деспита. Орбиты данных тел настолько приближены к планете, что затрагивают зону колец планеты. Ларисса в действительности была обнаружена в 1981 году во время наблюдений перекрытия светила, зафиксированное «Вояджером-2». Но в 1989, когда машина подошла на минимальное расстояние к Нептуну, оказалось что при данном покрытии было получен снимок спутника. В 2002-2003 годах машиной «Хаббл» был зафиксирован последний, самый малый известный спутник Нептуна.
У Нептуна также, как и у Сатурна, имеется кольцевая система. Эти кольца по мнению ученых состоят из ледяных фрагментов, которые покрыты силикатами. Некоторые астрономы считают, что их основной составляющей может быть углеродные соединения, которые и придают кольцам красноватый оттенок.
Нептун невозможно увидеть без специальной аппаратуры. И все потому, что он имеет слишком слабую яркость. А это значит, что спутники Юпитера, астероиды 2 Паллада, 6Геба, 4Веста, 7Ирида и 3 Юнона будут ярче него на ночном небосводе. Для профессиональных наблюдений за планетой нужен телескоп с увеличительной способность от от 200× и более. Только с таким аппаратом можно рассмотреть голубоватый диск Нептуна, напоминающий Уран. В более простые приспособления, наприме, бинокль, Нептун будет визуализироваться, как неяркая звезда.
Ввиду значительного большого расстояния между Землей и Нептуном, его угловой диаметр изменялся лишь в пределе с 2,2 до 2,4 угл. сек. Данное значение является самым малым на фоне значений других планет Солнечной системы. Именно поэтому невооруженным глазом наблюдение за планетой невозможно. Ранее, когда ученые осуществляли исследования при помощи более примитивных приспособлений, точность большинства информации о Нептуне была низкой. Только с появлением космической машины «Хаббл» астрономы смогли получить достоверную информацию о восьмой планете Солнечной системы.
Что касается наземных наблюдений, то каждый 367-й день Нептун вступает в ретроградное движение. В следствие этого начинают образовываться иллюзорные петли, которые особенно заметы на фоне звезд в период каждого противостояния. В 2010 и 2011 года по данными петлями планеты была приведена к тем координатам, на которых она находилась во время открытия - в 1846 году.
Исследование Нептуна, проведенное в диапазоне радиоволн показало, что он систематически излучает вспышки. Это в какой-то мере объясняет принцип вращения магнитного поля Нептуна.
«Вояджер-2» смог приблизиться на максимальное расстояние к Нептуну в 1989 году. В процессе данной миссии космический аппарат также смог подойти и к Тритону. При сближении сигналы, посылаемые аппаратом, доходили зо Земли за 246 минут. В связи с этим, почти вся миссия «Вояджера-2» осуществлялась посредством заранее загруженных программ, предназначенных для управления во время сближения с Нептуном и его крупным спутником. Сначала «Вояджеру-2» удалось приблизиться к Нереиде, и только потом подойти к атмосфере планеты. После этого машина пролетела рядом с Тритоном.
«Вояджер-2» сумел подтвердить догадки ученых о существовании магнитного поля. В ходе данной миссии также удалось выяснить вопросы о наклоне орбиты. Путешествие машины к Нептуну также помогло узнать о его активной погодной системе. «Вояджером-2» было открыто 6 спутников и колец Нептуна. В 2016 году НАСА планировала новую миссию, которая называлась «Нептун Орбитер». Но сегодня о ее осуществлении руководители космического агентства даже не упоминают.
1. Нептун был открыт в 1846 году. Он стал первой планетой, которая была открыта благодаря математическим расчётам, а не путём наблюдений.
2. При радиусе 24 622 километров, Нептун почти в четыре раза шире .
3. Среднее расстояние между Нептуном и составляет 4,55 миллиардов километров. Это около 30 астрономических единиц (одна астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца).
Тритон — спутник Нептуна
8. У Нептуна 14 спутников. Крупнейший спутник Нептуна Тритон был открыт всего через 17 дней после открытия планеты.
9. Осевой наклон Нептуна похож на наклон оси Земли, поэтому планета испытывает схожие сезонные изменения. Однако, поскольку год на Нептуне по земным меркам очень длинный, каждый из сезонов длится более 40 земных лет.
10. Тритон, крупнейший спутник Нептуна, имеет атмосферу. Учёные не исключают, что под его ледяной корой может скрываться жидкий океан.
12. Единственным космическим аппаратом, который достиг Нептун, является Вояджер-2. Он был запущен в 1977 году для исследования дальних планет Солнечной системы. В 1989 году аппарат пролетел в 48 тыс. километров от Нептуна, передав на Землю уникальные снимки его поверхности.
13. Из-за свой эллиптической орбиты Плутон (ранее — девятая планета Солнечной системы, сейчас — карликовая планета) иногда находится ближе к Солнцу, чем Нептун.
14. Нептун оказывает большое влияние на весьма отдалённый от него пояс Койпера, который состоит из материалов, оставшихся после формирования Солнечной системы. Благодаря гравитационной силе притяжения планеты за время существования Солнечной системы в структуре пояса образовались промежутки.
15. Нептун имеет мощный внутренний источник тепла, природа которого пока не ясна. Планета излучает в пространство в 2,6 раза больше тепла, чем получает от Солнца.
16. Некоторые исследователи предполагают, что на глубине 7000 километров условия на Нептуне таковы, что метан распадается на водород и углерод, а последний кристаллизуется в форме алмаза. Поэтому не исключено, что в нептунианском океане может существовать такое уникальное природное явление, как алмазный град.
17. Верхние области планеты достигают температуры -221,3 ° С. Но глубоко внутри слоев газа на Нептуне температура постоянно растет.
18. Изображения Нептуна, переданные Вояджером-2, могут быть единственными близкими снимками планеты, которые у нас будут в течение следующих десятилетий. В 2016 году НАСА планировала послать к планете «Нептун Орбитер», однако до сих пор никаких дат запуска космического аппарата не озвучивается.
19. Ядро Нептуна, как полагают, имеет массу в 1,2 раза больше массы всей Земли. Общая масса Нептуна превосходит земную в 17 раз.
20. Продолжительность дня на Нептуне равна 16 земным часам.
Также читайте нас на нашем канале в Яндекс.Дзене20 фактов о ближайшей к Солнцу планете — Меркурии
Нептун - восьмая и самая дальняя планета Солнечной системы. Нептун также является четвёртой по диаметру и третьей по массе планетой. Масса Нептуна в 17,2 раза, а диаметр экватора в 3,9 раза больше таковых у Земли. Планета была названа в честь римского бога морей. Его астрономический символ Neptune symbol.svg - стилизованная версия трезубца Нептуна.
Обнаруженный 23 сентября 1846 года, Нептун стал первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам, а не путём регулярных наблюдений. Обнаружение непредвиденных изменений в орбите Урана породило гипотезу о неизвестной планете, гравитационным возмущающим влиянием которой они и обусловлены. Нептун был найден в пределах предсказанного положения. Вскоре был открыт и его спутник Тритон, однако остальные 12 спутников, известные ныне, были неизвестны до XX века. Нептун был посещён лишь одним космическим аппаратом, «Вояджером-2», который пролетел вблизи от планеты 25 августа 1989 года.
Нептун по составу близок к Урану, и обе планеты отличаются по составу от более крупных планет-гигантов - Юпитера и Сатурна. Иногда Уран и Нептун помещают в отдельную категорию «ледяных гигантов». Атмосфера Нептуна, подобно атмосфере Юпитера и Сатурна, состоит в основном из водорода и гелия, наряду со следами углеводородов и, возможно, азота, однако содержит в себе более высокую пропорцию льдов: водного, аммиачного, метанового. Ядро Нептуна, как и Урана, состоит главным образом из льдов и горных пород. Следы метана во внешних слоях атмосферы, в частности, являются причиной синего цвета планеты.
В атмосфере Нептуна бушуют самые сильные ветры среди планет Солнечной системы, по некоторым оценкам, их скорости могут достигать 2100 км/ч. Во время пролёта «Вояджера-2» в 1989 году в южном полушарии Нептуна было обнаружено так называемое Большое тёмное пятно, аналогичное Большому красному пятну на Юпитере. Температура Нептуна в верхних слоях атмосферы близка к -220 °C. В центре Нептуна температура составляет по различным оценкам от 5400 K до 7000-7100 °C, что сопоставимо с температурой на поверхности Солнца и сравнимо с внутренней температурой большинства известных планет. У Нептуна есть слабая и фрагментированная кольцевая система, возможно, обнаруженная ещё в 1960-е годы, но достоверно подтверждённая «Вояджером-2» лишь в 1989 году.
В 1948 году в честь открытия планеты Нептун было предложено назвать новый химический элемент под номером 93 нептунием.
12 июля 2011 года исполнился ровно один Нептунианский год или 164,79 земных лет - с момента открытия Нептуна 23 сентября 1846 года.
Название
Некоторое время после открытия Нептун обозначался просто как «внешняя от Урана планета» или как «планета Леверье». Первым, кто выдвинул идею об официальном наименовании, был Галле, предложивший название «Янус». В Англии Чайлз предложил другое название: «Океан».
Утверждая, что имеет право дать наименование открытой им планете, Леверье предложил назвать её Нептуном, ложно утверждая, что такое название одобрено французским бюро долгот. В октябре он пытался назвать планету по своему имени, «Леверье», и был поддержан директором обсерватории Франсуа Араго, однако эта инициатива натолкнулась на существенное сопротивление за пределами Франции. Французские альманахи очень быстро вернули название Гершель для Урана, в честь её первооткрывателя Уильяма Гершеля, и Леверье для новой планеты.
Директор Пулковской обсерватории Василий Струве отдал предпочтение названию «Нептун». О причинах своего выбора он сообщил на съезде Императорской Академии наук в Петербурге 29 декабря 1846 года. Это название получило поддержку за пределами России и вскоре стало общепринятым международным наименованием планеты.
В римской мифологии Нептун - бог моря и соответствует греческому Посейдону.
Статус
С момента открытия и до 1930 года Нептун оставался самой далёкой от Солнца известной планетой. После открытия Плутона Нептун стал предпоследней планетой, за исключением 1979-1999 годов, когда Плутон находился внутри орбиты Нептуна. Однако исследование пояса Койпера в 1992 году привело к тому, что многие астрономы стали обсуждать вопрос о том, считать Плутон планетой или частью пояса Койпера. В 2006 году Международный астрономический союз принял новое определение термина «планета» и классифицировал Плутон как карликовую планету, и, таким образом, вновь сделал Нептун последней планетой Солнечной системы.
Эволюция представлений о Нептуне
Ещё в конце 1960-х представления о Нептуне несколько отличались от сегодняшних. Хотя были относительно точно известны сидерический и синодические периоды обращения вокруг Солнца, среднее расстояние от Солнца, наклон экватора к плоскости орбиты, были и параметры, измеренные менее точно. В частности, масса оценивалась в 17,26 земных вместо 17,15; экваториальный радиус в 3,89 вместо 3,88 от земных. Звёздный период обращения вокруг оси оценивался в 15 часов 8 минут вместо 15 часов и 58 минут, что является наиболее существенным расхождением текущих знаний о планете со знаниями того времени.
В некоторых моментах разночтения были и позже. Первоначально, до полёта Вояджера-2, предполагалось, что магнитное поле Нептуна имеет такую же конфигурацию, как поле Земли или Сатурна. По последним представлениям, поле Нептуна имеет вид т. н. «наклонного ротатора». Географические и магнитные «полюса» Нептуна (если представить его поле дипольным эквивалентом) оказались под углом друг к другу более 45°. Таким образом, при вращении планеты её магнитное поле описывает конус.
Физические характеристики
Сопоставление размеров Земли и Нептуна
Обладая массой в 1,0243·1026 кг Нептун является промежуточным звеном между Землёй и большими газовыми гигантами. Его масса в 17 раз превосходит земную, но составляет лишь 1/19 от массы Юпитера. Экваториальный радиус Нептуна равен 24 764 км, что почти в 4 раза больше земного. Нептун и Уран часто считаются подклассом газовых гигантов, который называют «ледяными гигантами» из-за их меньшего размера и большей концентрации летучих веществ. При поиске экзопланет Нептун используется как метоним: обнаруженные экзопланеты со схожей массой часто называют «Нептунами», также часто астрономы используют как метоним Юпитер («Юпитеры»).
Орбита и вращение
За один полный оборот Нептуна вокруг Солнца наша планета совершает 164,79 оборота.
Среднее расстояние между Нептуном и Солнцем - 4,55 млрд км (около 30,1 средних расстояний между Солнцем и Землёй, или 30,1 а. е.), и полный оборот вокруг Солнца у него занимает 164,79 лет. Расстояние между Нептуном и Землёй составляет от 4,3 до 4,6 млрд км. 12 июля 2011 года Нептун завершил свой первый с момента открытия планеты в 1846 году полный оборот. С Земли он будет виден иначе, чем в день открытия, в результате того, что период обращения Земли вокруг Солнца (365,25 дней) не является кратным периоду обращения Нептуна. Эллиптическая орбита планеты наклонена на 1,77° относительно орбиты Земли. Вследствие наличия эксцентриситета 0,011, расстояние между Нептуном и Солнцем изменяется на 101 млн км - разница между перигелием и афелием, то есть ближайшей и самой отдалённой точками положения планеты вдоль орбитального пути. Осевой наклон Нептуна - 28,32°, что похоже на наклон оси Земли и Марса. В результате этого планета испытывает схожие сезонные изменения. Однако из-за длинного орбитального периода Нептуна сезоны длятся в течение сорока лет каждый.
Сидерический период вращения для Нептуна равен 16,11 часов. Вследствие осевого наклона, сходного с Земным (23°), изменения в сидерическом периоде вращения в течение его длинного года не являются значимыми. Поскольку Нептун не имеет твёрдой поверхности, его атмосфера подвержена дифференциальному вращению. Широкая экваториальная зона вращается с периодом приблизительно 18 часов, что медленнее, чем 16,1-часовое вращение магнитного поля планеты. В противоположность экватору, полярные области вращаются за 12 часов. Среди всех планет Солнечной системы такой вид вращения наиболее ярко выражен именно у Нептуна. Это приводит к сильному широтному сдвигу ветров.
Орбитальные резонансы
Диаграмма показывает орбитальные резонансы, вызванные Нептуном в поясе Койпера: 2:3 резонанс (Плутино), «классический пояс», с орбитами, на которые Нептун существенного влияния не оказывает, и 1:2 резонанс (Тутино)
Нептун оказывает большое влияние на весьма отдалённый от него пояс Койпера. Пояс Койпера - кольцо из ледяных малых планет, подобное поясу астероидов между Марсом и Юпитером, но намного протяжённее. Он располагается в пределах от орбиты Нептуна (30 а. е.) до 55 астрономических единиц от Солнца. Гравитационная сила притяжения Нептуна оказывает наиболее существенное влияние на облако Койпера (в том числе в плане формирования его структуры), сравнимое по доле с влиянием силы притяжения Юпитера на пояс астероидов. За время существования Солнечной системы некоторые области пояса Койпера были дестабилизированы гравитацией Нептуна, и в структуре пояса образовались промежутки. В качестве примера можно привести область между 40 и 42 а. е.
Орбиты объектов, которые могут удерживаться в этом поясе в течение достаточно долгого времени, определяются т. н. вековыми резонансами с Нептуном. Для некоторых орбит это время сравнимо с временем всего существования Солнечной системы. Эти резонансы появляются, когда период обращения объекта вокруг Солнца соотносится с периодом обращения Нептуна как небольшие натуральные числа, например, 1:2 или 3:4. Таким образом объекты взаимостабилизируют свои орбиты. Если, к примеру, объект будет совершать оборот вокруг Солнца в два раза медленнее Нептуна, то он пройдёт ровно половину пути, тогда как Нептун вернётся в своё начальное положение.
Наиболее плотно населённая часть пояса Койпера, включающая в себя более 200 известных объектов, находится в резонансе 2:3 с Нептуном]. Эти объекты совершают один оборот каждые 1? оборота Нептуна и известны как «плутино», потому что среди них находится один из крупнейших объектов пояса Койпера - Плутон. Хотя орбиты Нептуна и Плутона пересекаются, резонанс 2:3 не позволит им столкнуться. В других, менее «населённых», областях существуют резонансы 3:4, 3:5, 4:7 и 2:5. В своих точках Лагранжа (L4 and L5), зонах гравитационной стабильности, Нептун удерживает множество астероидов-троянцев, как бы таща их за собой по орбите. Троянцы Нептуна находятся с ним в резонансе 1:1. Троянцы очень устойчивы на своих орбитах и поэтому гипотеза их захвата гравитационным полем Нептуна маловероятна. Скорее всего, они сформировались вместе с ним.
Внутреннее строение
Внутреннее строение Нептуна напоминает внутреннее строение Урана. Атмосфера составляет примерно 10-20 % от общей массы планеты, и расстояние от поверхности до конца атмосферы составляет 10-20 % расстояния от поверхности до ядра. Вблизи ядра давление может достигать 10 ГПа. Объёмные концентрации метана, аммиака и воды найдены в нижних слоях атмосферы.
Внутреннее строение Нептуна:
1. Верхняя атмосфера, верхние облака
2. Атмосфера, состоящая из водорода, гелия и метана
3. Мантия, состоящая из воды, аммиака и метанового льда
4. Каменно-ледяное ядро
Постепенно эта более тёмная и более горячая область уплотняется в перегретую жидкую мантию, где температуры достигают 2000-5000 К. Масса мантии Нептуна превышает земную в 10-15 раз, по разным оценкам, и богата водой, аммиаком, метаном и прочими соединениями. По общепринятой в планетологии терминологии, эту материю называют ледяной, даже при том, что это горячая, очень плотная жидкость. Эту жидкость, обладающую высокой электропроводимостью, иногда называют океаном водного аммиака. На глубине 7000 км условия таковы, что метан разлагается на алмазные кристаллы, которые «падают» на ядро. Согласно одной из гипотез, имеется целый океан «алмазной жидкости». Ядро Нептуна состоит из железа, никеля и силикатов и, как полагают, имеет массу в 1,2 раза больше, чем у Земли. Давление в центре достигает 7 мегабар, то есть примерно в 7 млн раз больше, чем на поверхности Земли. Температура в центре, возможно, достигает 5400 К.
Магнитосфера
И своей магнитосферой, и магнитным полем, сильно наклонённым на 47° относительно оси вращения планеты, и распространяющегося на 0,55 от её радиуса (приблизительно 13 500 км), Нептун напоминает Уран. До прибытия к Нептуну «Вояджера-2» учёные полагали, что наклонённая магнитосфера Урана была результатом его «бокового вращения». Однако теперь, после сравнения магнитных полей этих двух планет, учёные полагают, что такая странная ориентация магнитосферы в пространстве может быть вызвана приливами во внутренних областях. Такое поле может появиться благодаря конвективным перемещениям жидкости в тонкой сферической прослойке электропроводных жидкостей этих двух планет (предполагаемая комбинация из аммиака, метана и воды), что приводит в действие гидромагнитное динамо. Магнитное поле на экваториальной поверхности Нептуна оценивается в 1,42 T в течение магнитного момента 2,16·1017 Tm. Магнитное поле Нептуна имеет комплексную геометрию, которая включает относительно большие включения от не биполярных компонентов, включая сильный квадрупольный момент, который по мощности может превышать дипольный. В противоположность этому - у Земли, Юпитера и Сатурна относительно небольшой квадрупольный момент, и их поля менее отклонены от полярной оси. Головная ударная волна Нептуна, где магнитосфера начинает замедлять солнечный ветер, проходит на расстоянии в 34,9 планетарных радиусов. Магнитопауза, где давление магнитосферы уравновешивает солнечный ветер, находится на расстоянии в 23-26,5 радиусов Нептуна. Хвост магнитосферы длится примерно до расстояния в 72 радиуса Нептуна, и очень вероятно, что гораздо дальше.
Атмосфера
В верхних слоях атмосферы обнаружен водород и гелий, которые составляют соответственно 80 и 19 % на данной высоте. Также наблюдаются следы метана. Заметные полосы поглощения метана встречаются на длинах волн выше 600 нм в красной и инфракрасной части спектра. Как и в случае с Ураном, поглощение красного света метаном является важнейшим фактором, придающим атмосфере Нептуна синий оттенок, хотя яркая лазурь Нептуна отличается от более умеренного аквамаринового цвета Урана. Так как содержание метана в атмосфере Нептуна не сильно отличается от такового в атмосфере Урана, предполагается, что существует также некий, пока неизвестный, компонент атмосферы, способствующий образованию синего цвета. Атмосфера Нептуна подразделяется на 2 основные области: более низкая тропосфера, где температура снижается вместе с высотой, и стратосфера, где температура с высотой, наоборот, увеличивается. Граница между ними, тропопауза, находится на уровне давления в 0,1 баров. Стратосфера сменяется термосферой на уровне давления ниже, чем 10-4 - 10-5 микробаров. Термосфера постепенно переходит в экзосферу. Модели тропосферы Нептуна позволяют полагать, что в зависимости от высоты, она состоит из облаков переменных составов. Облака верхнего уровня находятся в зоне давления ниже одного бара, где температура способствует конденсации метана.
На фото, сделанном «Вояджером-2», виден вертикальный рельеф облаков
При давлении между одним и пятью барами, формируются облака аммиака и сероводорода. При давлении более 5 баров облака могут состоять из аммиака, сульфида аммония, сероводорода и воды. Глубже, при давлении в приблизительно 50 бар, могут существовать облака из водяного льда, при температуре, равной 0 °C. Также, не исключено, что в данной зоне могут быть найдены облака из аммиака и сероводорода. Высотные облака Нептуна наблюдались по отбрасываемым ими теням на непрозрачный облачный слой ниже уровнем. Среди них выделяются облачные полосы, которые «обёртываются» вокруг планеты на постоянной широте. У данных периферических групп ширина достигает 50-150 км, а сами они находятся на 50-110 км выше основного облачного слоя. Изучение спектра Нептуна позволяет предполагать, что его более низкая стратосфера затуманена из-за конденсации продуктов ультрафиолетового фотолиза метана, таких как этан и ацетилен. В стратосфере также обнаружены следы циановодорода и угарного газа. Стратосфера Нептуна более тёплая, чем стратосфера Урана из-за более высокой концентрации углеводородов. По невыясненным причинам, термосфера планеты имеет аномально высокую температуру около 750 К. Для столь высокой температуры планета слишком далека от Солнца, чтобы оно могло так разогреть термосферу ультрафиолетовой радиацией. Возможно, данное явление является следствием атмосферного взаимодействия с ионами в магнитном поле планеты. Согласно другой теории, основой механизма разогревания являются волны гравитации из внутренних областей планеты, которые рассеиваются в атмосфере. Термосфера содержит следы угарного газа и воды, которая попала туда, возможно, из внешних источников, таких как метеориты и пыль.
Климат
Одно из различий между Нептуном и Ураном - уровень метеорологической активности. «Вояджер-2», пролетавший вблизи Урана в 1986 году, зафиксировал крайне слабую активность атмосферы. В противоположность Урану, Нептун демонстрировал заметные погодные перемены во время съёмки с «Вояджер-2» в 1989 году.
Большое тёмное пятно (вверху), Скутер (белое облачко посередине), и Малое тёмное пятно (внизу)
Погода на Нептуне характеризуется чрезвычайно динамической системой штормов, с ветрами, достигающими порой сверхзвуковых скоростей (около 600 м/с). В ходе отслеживания движения постоянных облаков было зафиксировано изменение скорости ветра от 20 м/с в восточном направлении к 325 м/с на западном. В верхнем облачном слое скорости ветров разнятся от 400 м/с вдоль экватора до 250 м/с на полюсах. Большинство ветров на Нептуне дуют в направлении, обратном вращению планеты вокруг своей оси. Общая схема ветров показывает, что на высоких широтах направление ветров совпадает с направлением вращения планеты, а на низких широтах противоположно ему. Различия в направлении воздушных потоков, как полагают, следствие «скин-эффекта», а не каких-либо глубинных атмосферных процессов. Содержание в атмосфере метана, этана и ацетилена в области экватора превышает в десятки и сотни раз содержание этих веществ в области полюсов. Это наблюдение может считаться свидетельством в пользу существования апвеллинга на экваторе Нептуна и его понижения ближе к полюсам. В 2007 году было замечено, что верхняя тропосфера южного полюса Нептуна была на 10 °C теплее, чем остальная часть Нептуна, где температура в среднем составляет -200 °C. Такая разница в температуре достаточна, чтобы метан, который в других областях верхней части атмосферы Нептуна находится в замороженном виде, просачивался в космос на южном полюсе. Эта «горячая точка» - следствие осевого наклона Нептуна, южный полюс которого уже четверть нептунианского года, то есть примерно 40 земных лет, обращён к Солнцу. По мере того, как Нептун будет медленно продвигаться по орбите к противоположной стороне Солнца, южный полюс постепенно уйдёт в тень, и Нептун подставит Солнцу северный полюс. Таким образом, высвобождение метана в космос переместится с южного полюса на северный. Из-за сезонных изменений облачные полосы в южном полушарии Нептуна, как наблюдалось, увеличились в размере и альбедо. Эта тенденция была замечена ещё в 1980 году, и, как ожидается, продлится до 2020 с наступлением на Нептуне нового сезона. Сезоны меняются каждые 40 лет.
Штормы
Большое тёмное пятно, фото с «Вояджера-2»
В 1989 году Большое тёмное пятно, устойчивый шторм-антициклон размерами 13 000 - 6600 км, был открыт аппаратом НАСА «Вояджер-2». Этот атмосферный шторм напоминал Большое красное пятно Юпитера, однако 2 ноября 1994 года космический телескоп «Хаббл» не обнаружил его на прежнем месте. Вместо него новое похожее образование было обнаружено в северном полушарии планеты. Скутер - это другой шторм, обнаруженный южнее Большого тёмного пятна. Его название - следствие того, что ещё за несколько месяцев до сближения «Вояджера-2» с Нептуном было ясно, что эта группка облаков перемещалась гораздо быстрее Большого тёмного пятна. Последующие изображения позволили обнаружить ещё более быстрые, чем «скутер», группы облаков. Малое тёмное пятно, второй по интенсивности шторм, наблюдавшийся во время сближения «Вояджера-2» с планетой в 1989 году, расположено ещё южнее. Первоначально оно казалось полностью тёмным, но при сближении яркий центр Малого тёмного пятна стал виднее, что можно заметить на большинстве чётких фотографий с высоким разрешением. «Тёмные пятна» Нептуна, как полагают, рождаются в тропосфере на более низких высотах, чем более яркие и заметные облака. Таким образом, они кажутся своеобразными дырами в верхнем облачном слое. Поскольку эти штормы носят устойчивый характер и могут существовать в течение нескольких месяцев, они, как считается, имеют вихревую структуру. Часто связываются с тёмными пятнами более яркие, постоянные облака метана, которые формируются в тропопаузе. Постоянство сопутствующих облаков показывает, что некоторые прежние «тёмные пятна» могут продолжить своё существование как циклон, даже при том что они теряют тёмный окрас. Тёмные пятна могут рассеяться, если они движутся слишком близко к экватору или через некий иной неизвестный пока механизм.
Внутреннее тепло
Более разнообразная погода на Нептуне, по сравнению с Ураном, как полагают, - следствие более высокой внутренней температуры. При этом Нептун в полтора раза удалённее от Солнца, чем Уран, и получает лишь 40 % от солнечного света, который получает Уран. Поверхностные же температуры этих двух планет примерно равны. Верхние области тропосферы Нептуна достигают весьма низкой температуры в -221,4 °C. На глубине, где давление равняется 1 бару, температура достигает -201,15 °C. Глубже идут газы, однако температура устойчиво повышается. Как и с Ураном, механизм нагрева неизвестен, но несоответствие большое: Уран излучает в 1,1 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Нептун же излучает в 2,61 раза больше, чем получает, его внутренний источник тепла производит 161 % от получаемого от Солнца. Несмотря на то что Нептун - самая далёкая планета от Солнца, его внутренней энергии достаточно для наличия самых быстрых ветров в Солнечной системе. Предлагается несколько возможных объяснений, включая радиогенный нагрев ядром планеты (как Земля греется калием-40, к примеру), диссоциация метана в другие цепные углеводороды в условиях атмосферы Нептуна, а также конвекция в нижней части атмосферы, которая приводит к торможению гравитационных волн над тропопаузой.
Образование и миграция
Симуляция внешних планет и пояса Койпера: а) До того как Юпитер и Сатурн вступили в резонанс 2:1; б) Рассеяние объектов пояса Койпера в Солнечной системе после изменения орбиты Нептуна; c) После выбрасывания тел пояса Койпера Юпитером.
Для формирования ледяных гигантов - Нептуна и Урана - оказалось трудно создать точную модель. Современные модели полагают, что плотность материи во внешних регионах Солнечной системы была слишком низкой для формирования таких крупных тел традиционно принятым методом аккреции материи на ядро. Чтобы объяснить эволюцию Урана и Нептуна, было выдвинуто множество гипотез.
Одна из них считает, что оба ледяных гиганта не сформировались методом аккреции, а появились из-за нестабильностей внутри изначального протопланетного диска, и позднее их атмосферы были «сдуты» излучением массивной звезды класса O или B.
Другая концепция заключается в том, что Уран и Нептун сформировались близко к Солнцу, где плотность материи была выше, и впоследствии переместились на текущие орбиты. Гипотеза перемещения Нептуна пользуется популярностью, потому что позволяет объяснить текущие резонансы в поясе Койпера, в особенности, резонанс 2:5. Когда Нептун двигался наружу, он сталкивался с объектами прото-пояса Койпера, создавая новые резонансы и хаотично меняя существующие орбиты. Считается, что объекты рассеянного диска оказались в текущем положении из-за взаимодействия с резонансами, создаваемыми миграцией Нептуна.
Предложенная в 2004 году компьютерная модель Алессандро Морбиделли из обсерватории Лазурного берега в Ницце предположила, что перемещение Нептуна к поясу Койпера могло быть инициировано формированием резонанса 1:2 в орбитах Юпитера и Сатурна, который послужил, своего рода, гравитационным усилием, которое толкнуло Уран и Нептун на более высокие орбиты и заставило их поменять местоположение. Выталкивание объектов из пояса Койпера в результате этой миграции может также объяснить «Позднюю тяжёлую бомбардировку», произошедшую через 600 миллионов лет после формирования Солнечной системы, и появление у Юпитера троянских астероидов.
Спутники и кольца
У Нептуна на данный момент известно 13 спутников. Масса крупнейшего составляет более, чем 99,5 % от суммарной массы всех спутников Нептуна, и лишь он массивен настолько, чтобы стать сфероидальным. Это Тритон, открытый Уильямом Ласселом всего через 17 дней после открытия Нептуна. В отличие от всех остальных крупных спутников планет в Солнечной системе, Тритон обладает ретроградной орбитой. Возможно, он был захвачен гравитацией Нептуна, а не сформировался на месте, и, возможно, когда-то был карликовой планетой в поясе Койпера. Он достаточно близок к Нептуну, чтобы постоянно находиться в синхронном вращении.
Нептун (вверху) и Тритон (ниже)
Из-за приливного ускорения Тритон медленно двигается по спирали к Нептуну, и, в конечном счёте, будет разрушен при достижении предела Роша, в результате чего образуется кольцо, которое может быть более мощным, чем кольца Сатурна (это произойдёт через относительно небольшой в астрономических масштабах период времени: от 10 до 100 миллионов лет). В 1989 году Тритона была проведена оценка температуры, которая составила -235 °C (38 К). На тот момент это было наименьшее измеренное значение для объектов в Солнечной системе, обладающих геологической активностью. Тритон является одним из трёх спутников планет Солнечной системы, имеющих атмосферу (наряду с Ио и Титаном). Не исключено существование под ледяной корой Тритона жидкого океана, подобного океану Европы.
Второй (по времени открытия) известный спутник Нептуна - Нереида, спутник неправильной формы с одним из самых высоких эксцентриситетов орбиты среди прочих спутников Солнечной системы. Эксцентриситет в 0,7512 даёт ей апоапсиду, в 7 раз большую её периапсиды.
Спутник Нептуна Протей
С июля по сентябрь 1989 года «Вояджер-2» обнаружил 6 новых спутников Нептуна. Среди них примечателен спутник Протей неправильной формы. Он примечателен тем, каким большим может быть тело его плотности, без стягивания в сферическую форму собственной гравитацией. Второй по массе спутник Нептуна составляет лишь четверть процента от массы Тритона.
Четыре самые внутренние спутника Нептуна - Наяда, Таласса, Деспина и Галатея. Их орбиты так близки к Нептуну, что находятся в пределах его колец. Следующая за ними, Ларисса, была первоначально открыта в 1981 году при покрытии звезды. Сначала покрытие было приписано дугам колец, но когда «Вояджер-2» посетил Нептун в 1989 году, выяснилось, что покрытие было произведено спутником. Между 2002 и 2003 годом было открыто ещё 5 спутников Нептуна неправильной формы, что было анонсировано в 2004 году. Поскольку Нептун был римским богом морей, его спутники называют в честь меньших морских божеств.
Кольца
Кольца Нептуна, снятые «Вояджером-2»
У Нептуна есть кольцевая система, хотя гораздо менее существенная, чем, к примеру, у Сатурна. Кольца могут состоять из ледяных частиц, покрытых силикатами, или основанным на углероде материалом, - наиболее вероятно, это он придаёт им красноватый оттенок. В систему колец Нептуна входит 5 компонентов.
[править] Наблюдения
Нептун не виден невооружённым глазом, так как его звёздная величина находится между +7,7 и +8,0. Таким образом, Галилеевы спутники Юпитера, карликовая планета Церера и астероиды 4 Веста, 2 Паллада, 7 Ирида, 3 Юнона и 6 Геба ярче его на небе. Для уверенного наблюдения планеты необходим телескоп c увеличением от 200 и выше и диаметром не менее 200-250 мм.. В этом случае можно увидеть Нептун как небольшой голубоватый диск, похожий на Уран. В бинокль 7-50 его можно заметить как слабую звезду.
Из-за значительности расстояния между Нептуном и Землёй угловой диаметр планеты меняется лишь в пределах 2,2-2,4 угловых секунд. Это наименьшее значение среди остальных планет Солнечной системы, поэтому визуальное наблюдение деталей поверхности данной планеты затруднено. Поэтому точность большинства телескопических данных о Нептуне была невысокой до появления космического телескопа «Хаббл» и крупных наземных телескопов с адаптивной оптикой. В 1977 году, к примеру, не был достоверно известен даже период вращения Нептуна.
Для земного наблюдателя каждые 367 дней Нептун вступает в кажущееся ретроградное движение, таким образом, образуя своеобразные воображаемые петли на фоне звёзд во время каждого противостояния. В апреле и июле 2010 года и в октябре и ноябре 2011 года эти орбитальные петли приведут его близко к тем координатам, где он был открыт в 1846 году.
Наблюдения за Нептуном в диапазоне радиоволн показывают, что планета является источником непрерывного излучения и нерегулярных вспышек. И то и другое объясняют вращающимся магнитным полем планеты. В инфракрасной части спектра на более холодном фоне чётко видны волнения в глубине атмосферы Нептуна(т. н. «штормы»), порождённое теплом от сжимающегося ядра. Наблюдения позволяют с высокой долей достоверности установить их форму и размер, а также отслеживать их передвижения.
Исследования
Изображение Тритона с «Вояджера-2»
Ближе всего к Нептуну «Вояджер-2» подошёл 25 августа 1989 года. Так как Нептун был последней крупной планетой, которую мог посетить космический аппарат, было решено совершить близкий пролёт вблизи Тритона, не считаясь с последствиями для траектории полёта. Схожая задача стояла и перед «Вояджером-1» - пролёт вблизи Сатурна и его крупнейшего спутника - Титана. Изображения Нептуна, переданные на Землю «Вояджером-2», стали основой для появления в 1989 году в Публичной телевещательной службе (PBS) программы на всю ночь под названием «Нептун всю ночь».
Во время сближения сигналы с аппарата шли до Земли 246 минут. Поэтому, по большей части, миссия «Вояджера-2» опиралась на предварительно загруженные команды для сближения с Нептуном и Тритоном, чем на команды с Земли. «Вояджер-2» совершил достаточно близкий проход вблизи от Нереиды, прежде чем прошёл всего в 4400 км от атмосферы Нептуна 25 августа. Позднее в тот же день «Вояджер» пролетел вблизи Тритона.
«Вояджер-2» подтвердил существование магнитного поля планеты и установил, что оно наклонено, как и поле Урана. Вопрос о периоде вращения планеты был решён измерением радиоизлучения. «Вояджер-2» также показал необычно активную погодную систему Нептуна. Было открыто 6 новых спутников планеты и колец, которых, как оказалось, было несколько.
Около 2016 года НАСА планировала послать к Нептуну КА «Нептун Орбитер» (en:Neptune Orbiter). В настоящее время никаких предположительных дат старта не называется, и стратегический план исследования Солнечной системы больше не включает этот аппарат.
