Этот газовый гигант, находящийся на восьмой позиции от Солнца, всегда привлекал внимание астрономов и исследователей своей необычной природой и таинственностью.
В этой статье мы исследуем Нептун, раскроем его характеристики, проведем описание его удивительных особенностей, изучим орбиту, строение и состав этой планеты. Наши знания о Нептуне основаны на десятилетиях исследований, и, несмотря на далекое расстояние до этой планеты, мы раскроем перед вами множество интересных и захватывающих фактов, которые делают Нептун одним из самых удивительных объектов во Вселенной.
Общие сведения
Нептун – это восьмая планета от Солнца и четвертая по размеру среди всех планет в Солнечной системе. Несмотря на то что она занимает четвертое место по размерам, масса Нептуна превосходит массу Урана. Теоретически, Нептун можно увидеть в бинокль, если вы знаете точное место его нахождения на небе. Однако даже при использовании большого телескопа, сложно разглядеть на Нептуне что-либо, кроме небольшого диска. Наблюдения Нептуна – это задача, требующая определенной технической подготовки, так как ее блеск во время противостояния едва превышает восьмую звездную величину.
Формирование планеты
Нептун, как и остальные планеты Солнечной системы, сформировался примерно 4,5 миллиарда лет назад. Согласно представлениям ученых, в прошлом эта голубая планета находилась ближе к Солнцу, чем в настоящее время, и заняла свою текущую позицию во внешней части Солнечной системы около 4 миллиардов лет назад.
Физические характеристики
Масса Нептуна составляет промежуточное значение между массой Земли и массой крупных газовых гигантов. Его экваториальный радиус впечатляюще большой и составляет около 24 764 километров, что почти в четыре раза превосходит радиус Земли. Нептун и его близкий соратник, Уран, часто классифицируются как “ледяные гиганты” среди газовых гигантов из-за их отличительных особенностей, таких как меньший размер и отличающийся состав атмосферы, включая меньшее количество летучих газов. В астрономии Нептун часто используется в качестве метонима, и экзопланеты, обнаруженные с схожей массой, часто называются “нептунами”. Также астрономы могут использовать метоним “юпитеры” для обозначения подобных газовых гигантов.
Нептун оказывает значительное воздействие на отдаленный пояс Койпера, который представляет собой кольцо из ледяных малых планет. Этот пояс схож по своей природе с поясом астероидов, находящимся между орбитами Марса и Юпитера, но он гораздо более обширен. Располагаясь в пределах от орбиты Нептуна (30 астрономических единиц от Солнца) до 55 астрономических единиц, пояс Койпера ощущает сильное гравитационное воздействие со стороны Нептуна.
Гравитационная сила Нептуна оказывает значительное воздействие на структуру и формирование пояса Койпера, а эта роль сопоставима с воздействием гравитации Юпитера на пояс астероидов.
За время существования Солнечной системы гравитация Нептуна привела к дестабилизации некоторых участков пояса Койпера, что привело к образованию пустых промежутков в этой области. В качестве примера можно привести область между 40 и 42 астрономическими единицами от Солнца.
Орбита и вращение
Среднее расстояние между Нептуном и Солнцем составляет около 4,55 миллиарда километров, что эквивалентно 30,1 астрономической единице (а.е.). Этой планете требуется около 164,79 земных лет, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца. Первый полный оборот Нептуна после его открытия в 1846 году был завершен 12 июля 2011 года. Нептун виден с Земли в разное время года из-за различий в периодах обращения планеты и Земли вокруг Солнца. Орбита Нептуна является немного вытянутой, с наклоном в 1,77 градусов относительно орбиты Земли. Эксцентриситет орбиты, то есть степень её вытянутости, составляет 0,011. Это означает, что расстояние между Нептуном и Солнцем изменяется на 101 миллион километров. Осевой наклон Нептуна составляет 28,32 градуса, что схоже с наклоном оси вращения Земли и Марса.
Структура
Внутреннее устройство Нептуна аналогично внутреннему устройству Урана. Атмосфера этой планеты составляет примерно 10-20% от общей массы Нептуна, и расстояние от его поверхности до верхней границы атмосферы составляет 10-20% от расстояния от его поверхности до ядра. Вблизи ядра давление может достигать 10 гигапаскалей. В нижних слоях атмосферы обнаружены высокие концентрации метана, аммиака и воды.
Со временем, эта более тёмная и нагретая область начинает уплотняться, превращаясь в перегретую жидкую мантию, где температуры поднимаются до 2000-5000 К. Масса мантии Нептуна оказывается превышающей массу Земли в 10-15 раз по разным оценкам. В этой мантии присутствуют вещества, такие как вода, аммиак и метан, и несмотря на высокие температуры, её называют ледяной, хотя это на самом деле плотная жидкость. Эта жидкость обладает высокой электропроводимостью и иногда называется океаном водного аммиака.
На глубине около 7000 километров, условия таковы, что метан превращается в алмазные кристаллы, которые “оседают” на ядро. Согласно одной из гипотез, существует целый океан “алмазной жидкости”. Ядро Нептуна состоит из железа, никеля и силикатов и, предположительно, имеет массу в 1,2 раза больше, чем у Земли. Давление в центре этой планеты достигает 7 мегабар, что примерно в 7 миллионов раз больше, чем на поверхности Земли. Температура в центре, вероятно, достигает 5400 Кельвинов.
Атмосфера
Атмосфера Нептуна, в основном, состоит из водорода и гелия, а также содержит небольшое количество метана. Этот метан придает атмосфере Нептуна характерный синий цвет из-за поглощения красного света.
Из-за значительного удаления от Солнца, на поверхности Нептуна встречаются очень низкие температуры, около -200°C.
Атмосферу Нептуна можно разделить на две основные области: нижнюю тропосферу, где температура обычно понижается с увеличением высоты, и стратосферу, где температура, наоборот, увеличивается с высотой. Граница между ними, называемая тропопаузой, находится на уровне давления около 0,1 бар. Стратосфера постепенно переходит в термосферу на более низких давлениях, примерно менее чем 10−4 — 10−5 микробар. Термосфера, в свою очередь, плавно переходит в экзосферу.
Модели тропосферы Нептуна указывают на наличие облаков разного состава в зависимости от высоты. В верхних слоях тропосферы, где давление ниже одного бара, образуются облака из метана, благодаря низкой температуре, которая способствует конденсации этого газа. На более высоких давлениях, между одним и пятью барами, облака состоят из аммиака и сероводорода. При давлении более 5 бар облака могут включать в себя аммиак, сульфид аммония, сероводород и воду. Еще глубже, при давлении около 50 бар, могут существовать облака изо льда, приближенные к температуре 0 °C. Также считается возможным, что в этой области могут существовать облака, содержащие аммиак и сероводород.
Погода
Атмосфера Нептуна характеризуется чрезвычайной динамикой, с образованием бурь и штормов, в которых скорость ветра может достигать почти сверхзвуковых значений, около 600 метров в секунду.
В ходе наблюдений за движением постоянных облаков были зафиксированы изменения скорости ветра от 20 м/с в восточном направлении к 325 м/с на западном. В верхних слоях атмосферы скорость ветра изменяется от 400 м/с вдоль экватора до 250 м/с на полюсах. Большинство ветров на Нептуне дуют в направлении, противоположном направлению вращения планеты вокруг своей оси. Общая схема ветров показывает, что на высоких широтах направление ветров совпадает с направлением вращения планеты, в то время как на низких широтах направление противоположно ему.
Эти различия в направлении ветров, как предполагается, обусловлены “скин-эффектом” и не связаны с глубинными атмосферными процессами. В области экватора содержание метана, этана и ацетилена в атмосфере сильно превышает их содержание в области полюсов, что может быть признаком наличия вертикального движения атмосферных масс, поднимающихся на экваторе и опускающихся ближе к полюсам.
Магнитное поле
Нептун, как и Уран, обладает наклонённой магнитосферой и магнитным полем. Угол наклона магнитного поля Нептуна составляет 47 градусов относительно его оси вращения, и оно распространяется на примерно 55% от радиуса планеты, что составляет около 13 500 километров. Это явление делает Нептун и Уран схожими в этом отношении. Преди прибытия к Нептуну зонда “Вояджер-2”, учёные считали, что наклоненная магнитосфера Урана связана с его особым методом вращения. Однако сравнение магнитных полей обеих планет привело к предположению, что такая необычная ориентация магнитосферы может быть вызвана внутренними приливами.
Спутники и кольца
У Нептуна обнаружено 14 спутников. Первым спутником, который был найден после открытия самой планеты в 1846 году, был Тритон, и его открытием занимался Уильям Лассел всего через семнадцать дней. Затем, в 1949 году, Джерард П. Койпер обнаружил ещё одного спутника Нептуна и дал ему имя Нереида. Третья луна, Ларисса, была обнаружена в 1981 году группой астрономов.
В 1989 году, космический аппарат “Вояджер-2” подтвердил открытие Лариссы и обнаружил ещё пять внутренних спутников Нептуна, их названия – Наяда, Таласса, Деспина, Галатея и Протей. Затем, в 2001 году, были обнаружены ещё пять спутников внешнего кольца – Галимеда, Сао, Псамафа, Лаомедея и Несо. И, наконец, самой последней, в 2013 году, была обнаружена маленькая луна по имени Гиппокамп.
Как и у других газовых гигантов, таких как Юпитер, Сатурн и Уран, у Нептуна также есть система колец. Эти кольца были впервые обнаружены в 1984 году и подробно изучены космическим аппаратом “Вояджер-2” в 1989 году.
Общее количество колец в системе Нептуна составляет пять. Они были названы в честь астрономов, которые внесли значительный вклад в изучение этой планеты: Галле, Леверье, Лассела, Араго и Адамс. Кроме того, во внешнем кольце Адамса существуют четыре скопления пылевых частиц, которые называются дугами: Свобода (Liberté), Равенство (Égalité), Братство (Fraternité) и Храбрость (Courage).
Интересно, что, несмотря на то, что согласно законам механики дуги должны были бы объединиться в однородное кольцо, они остаются стабильными структурами. Ученые считают, что это может быть результатом воздействия гравитации спутника Нептуна, названного Галатеей.
Нептун и Земля
Нептун не может быть увиден без использования телескопа, так как его видимая яркость находится в диапазоне между +7,7 и +8,0 звёздной величины. В связи с этим Галилеевы спутники Юпитера, а также другие объекты, такие как карликовая планета Церера и астероиды Веста, Паллада, Ирида, Юнона и Геба, имеют яркость, превышающую его на ночном небе.
Исследование
Нептун стал первой планетой, которую удалось обнаружить благодаря математическим вычислениям. В ходе телескопических наблюдений, проведенных Галилео Галилеем в 1612-1613 годах, были зафиксированы некоторые данные о этом ледяном гиганте, но астроном не смог идентифицировать его как планету и принял за звезду.
Значительный шаг в понимании Нептуна был сделан в 1846 году благодаря усилиям двух выдающихся ученых. Британский математик и астроном Джон Кауч Адамс, а также французский астроном Урбен Леверье, независимо друг от друга, провели сложные математические расчеты и определили положение Нептуна в небесах. Леверье даже сообщил о своих расчетах немецкому астроному Иоганну Готтфриду Галле, который, следуя этим данным, смог обнаружить Нептун 23 сентября 1846 года в Берлинской обсерватории. Это открытие позволило увеличить число известных планет до восьми.
Единственным космическим аппаратом, который приближался к Нептуну, был “Вояджер-2”. Ближе всего он подошел к этой планете 25 августа 1989 года. Поскольку Нептун был последней большой планетой, которую “Вояджер-2” мог посетить, было принято решение совершить близкий пролет вблизи ее спутника Тритона, несмотря на возможные изменения траектории полета. Подобная задача также стояла перед “Вояджером-1” при его пролете вблизи Сатурна и его крупнейшего спутника Титана.
Миссия “Neptune Odyssey” разрабатывается НАСА с целью отправить космический зонд к планете Нептун. Планируется, что миссия начнется в 2031 году, и ожидается, что зонд достигнет Нептуна в 2043 году.
Кроме того, Китайское национальное космическое управление также рассматривает концепцию запуска зондов, аналогичных “Вояджерам”, в рамках проекта, предварительно названного “Interstellar Express”. Планируется запустить оба зонда в 2024 году в разных направлениях с целью изучения противоположных сторон гелиосферы. Второй зонд, названный IHP-2, должен пролететь мимо Нептуна в январе 2038 года.
Название
Некоторое время после обнаружения Нептуна, его называли “внешней планетой относительно Урана” или “планетой Леверье”, так как не было официального имени. Галле первым предложил имя “Янус”, в то время как в Англии Чайлз предложил имя “Океан”. Однако Леверье утверждал, что у него есть право дать планете имя, и предложил название “Нептун”, утверждая ложно, что это название было одобрено французскими географическими властями. Это предложение соответствовало общей практике названия планет в честь богов и богинь из греческой и римской мифологии, за исключением Земли.
Интересные факты
Различия в погоде на Нептуне и Уране, предположительно, связаны с более высокой внутренней температурой на Нептуне. Интересно, что несмотря на то, что Нептун находится на полтора раза дальше от Солнца, чем Уран, и получает всего 40% солнечного света по сравнению с Ураном, его погода более разнообразна.
Спутник Нептуна, Тритон, имеет массу, которая составляет более 99,5% от общей массы всех спутников, вращающихся вокруг Нептуна.
Хотя спутник Тритон пережил все крупные спутники Нептуна, его ожидает неизбежная участь в будущем. Наблюдения свидетельствуют о том, что он постепенно приближается к планете. В какой-то момент он перейдет предел Роша, и гравитация Нептуна начнет разрывать Тритон на множество частей. Эти обломки образуют вокруг планеты огромное кольцо, которое по своей массе и размерам будет даже больше, чем кольца Сатурна. Однако такие события произойдут только в далеком будущем. Расчеты показывают, что разрушение Тритона произойдет примерно через 3,6 миллиарда лет.
Нептун не является видимой планетой для невооруженного глаза из-за своего большого удаления от Земли.
Ученые провели эксперименты, которые подтвердили наличие алмазов в атмосфере Нептуна и Урана.
Нептун – самая маленькая среди всех газовых гигантов в нашей Солнечной системе.
Синий цвет атмосферы Нептуна обусловлен важным фактором – поглощением метаном красного света.
Во время пролета космического аппарата “Voyager 2” в 1989 году в южном полушарии Нептуна было замечено так называемое “Большое Темное Пятно”, аналогичное “Большому Красному Пятну” на Юпитере. Однако 2 ноября 1994 года космический телескоп “Hubble” не обнаружил его в том же месте.
Вывод
Изучение планеты Нептун является захватывающей и важной областью астрономических исследований. Нептун представляет собой уникальный объект в Солнечной системе, обладающий множеством удивительных особенностей. Важными характеристиками Нептуна являются его экзотическая атмосфера и климат, сильные ветры, динамичные атмосферные явления, такие как штормы и облака разнообразных химических составов. Атмосфера Нептуна содержит гелий, водород, метан и другие химические соединения, что придает ей характерный голубой цвет.
В целом, Нептун остается загадочной и удивительной планетой, и дальнейшие исследования этой планеты и ее спутников обещают расширить наше понимание процессов, протекающих внутри и вокруг него, а также помочь нам лучше понять эволюцию и характеристики газовых гигантов в Солнечной системе и за ее пределами.
