Нептун – четвёртая по диаметруи третья помассепланета Солнечной системы. Планета была названа в честьримского бога морей.

Обнаруженный 23 сентября1846 года, Нептун стал первой планетой, открытой благодаряматематическимрасчётам, а не путём регулярных наблюдений. Обнаружение непредвиденных изменений в орбитеУранапородило гипотезу о неизвестной планете,гравитационнымвозмущающим влиянием которой они и обусловлены. Нептун был найден в пределах предсказанного положения. 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. Директор Пулковской обсерваторииВасилий Струвеотдал предпочтение названию «Нептун». Это название получило поддержку за пределамиРоссиии вскоре стало общепринятым международным наименованием планеты.

Среднее расстояние между Нептуном и Солнцем – 4,55 млрд. км (около 30,1 а.е.), и полный оборот вокруг Солнца у него занимает 164,79 лет. Нептун обладает массой в 1,0243×10²⁶ кг. Экваториальный радиус Нептуна равен 24 764 км. Эллиптическая орбита планеты наклонена на 1,77° относительно орбиты Земли. 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. Поскольку Нептун не имеет твёрдой поверхности, его атмосфера подвержена дифференциальному вращению. Широкая экваториальная зона вращается с периодом приблизительно 18 часов, что медленнее, чем вращение магнитного поля планеты. В противоположность экватору, полярные области вращаются за 12 часов. Это приводит к сильному широтному сдвигу ветров.

Внутреннее строение

Нептун имеет следующее внутреннее строение:

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

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,аммиакаиводынайдены в нижних слоях атмосферы.

Постепенно эта более тёмная и более горячая область уплотняется в перегретую жидкую мантию, где температуры достигают 2000-5000 К. Мантии Нептуна 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,никеляисиликатов. Давление в центре достигает 7мегабар, температура в центре, возможно, достигает 5400К.

Атмосфера

В верхних слоях атмосферы обнаружен водородигелий, которые составляют соответственно 80 и 19% на данной высоте. Также наблюдаются следыметана. Заметные полосы поглощения метана встречаются на длинах волн выше 600 нм в красной и инфракрасной частиспектра. 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.Стратосферасменяетсятермосферой, а термосферапостепенно переходит вэкзосферу. 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.

При давлении между одним и пятью барами, формируются облака аммиакаисероводорода. 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 фотолизаметана, таких какэтаниацетилен. В стратосфере также обнаружены следыциановодородаиугарного газа. По невыясненным причинам, термосфера планеты имеет аномально высокую температуру около 750К. Для столь высокой температуры планета слишком далека от Солнца, чтобы оно могло так разогреть термосферу ультрафиолетовой радиацией. Возможно, данное явление является следствием атмосферного взаимодействия сионамив 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

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.

Содержание в атмосфере метана,этанаиацетиленав областиэкваторапревышает в десятки и сотни раз содержание этих веществ в области полюсов. Это наблюдение может считаться свидетельством в пользу существованияапвеллингана экваторе Нептуна и его понижения ближе к полюсам. В 2007 годубыло 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 примерно 40 земных лет обращён кСолнцу. 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. Сезоны меняются каждые 40 лет.

В 1989 годуБольшое тёмное пятно, устойчивый шторм-антициклон размерами 13000× 6600 км, был открыт аппаратомНАСА«Вояджер-2». Этот атмосферный шторм напоминалБольшое красное пятноЮпитера, однако2 ноября1994 годакосмический 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 в1989 году, расположено ещё южнее. «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 втропопаузе. Постоянство сопутствующих облаков показывает, что некоторые прежние «тёмные пятна» могут продолжить своё существование какциклон, 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.

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. Несмотря на то, что Нептун значительно удалён от Солнца, его внутренней энергии достаточно для наличия самых быстрых ветров вСолнечной системе, по некоторым оценкам, их скорости могут достигать 2100 км/ч. Предлагается несколько возможных объяснений этого, включая радиогенный нагрев ядром планеты, диссоциация метана в другие цепные углеводороды в условиях атмосферы Нептуна, а также конвекция в нижней части атмосферы, которая приводит к торможениюгравитационных волннад тропопаузой.

Магнитосфера

И своей магнитосферой, имагнитным полем, сильно наклонённым на 47° относительно оси вращения планеты, и распространяющегося на 0,55 от её радиуса (приблизительно 13 500 км), Нептун напоминает Уран. 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 (предполагаемая комбинация из аммиака, метана и воды), что приводит в действиегидромагнитное динамо. Магнитное поле Нептуна имеет комплексную геометрию, которая включает относительно большие включения от не биполярных компонентов, включая сильныйквадрупольныймомент, который по мощности может превышатьдипольный.

Головная ударная волнаНептуна, 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.

Орбитальные резонансы

Нептун оказывает большое влияние на весьма отдалённый от него пояс Койпера.Пояс Койпера– кольцо из ледяных малых планет, подобное поясу астероидов междуМарсомиЮпитером, но намного протяжённее. Он располагается в пределах от орбиты Нептуна (30 а.е.) до 55 астрономических единиц от Солнца.

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 1½ оборота Нептуна и известны как «плутино», потому что среди них находится один из крупнейших объектов – 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 своихточках Лагранжа(L4 and L5), зонах гравитационной стабильности, Нептун удерживает множествоастероидов-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.

Образование и миграция

Современные модели полагают, что плотность материи во внешних регионах Солнечной системы была слишком низкой для формирования таких крупных тел традиционно принятым методом аккрецииматерии 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 звездыклассаO 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 дискаоказались в текущем положении из-за взаимодействия с резонансами, создаваемыми миграцией Нептуна.

Предложенная в 2004 годукомпьютерная модельАлессандро Морбиделлиизобсерватории Лазурного берегавНиццепредположила, 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 Юпитератроянских 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. ЭтоТритон, открытый Уильямом Ласселом. 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 всинхронном вращении. Из-за приливного ускорения Тритон медленно двигается по спирали к Нептуну, и, в конечном счёте, будет разрушен, в результате чего образуется кольцо, которое может быть более мощным, чемкольца Сатурна(это произойдёт через относительно небольшой в астрономических масштабах период времени: от 10 до 100 миллионов лет).

В 1989 годубыла проведена оценка температуры Тритона, 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 сИоиТитаном). Не исключено существование под ледяной корой Тритона жидкого океана, подобного океануЕвропы.

Второй (по времени открытия) известный спутник Нептуна – Нереида, спутник неправильной формы с одним из самых высоких эксцентриситетов (0,7512) орбиты среди прочих спутников Солнечной системы.

В 1981 годубыл открыт спутникЛарисса. С июля по сентябрь1989 года«Вояджер-2» обнаружил 6 новых спутников Нептуна. Среди них – спутникПротейнеправильной формы, примечательный тем, каким большим может быть тело его плотности, без стягивания в сферическую форму собственной гравитацией. Он – второй по массе спутник Нептуна составляет лишь четверть процента от массы Тритона.

Четыре самые внутренние спутника Нептуна – это Наяда,Таласса,ДеспинаиГалатея. Их орбиты так близки к Нептуну, что находятся в пределах его колец. Между2002и2003 годомбыло открыто ещё 5 спутников Нептуна неправильной формы, что было анонсировано в2004 году. Поскольку Нептун был римским богом морей, его спутники называют в честь меньших морских божеств.

У Нептуна есть кольцевая система, хотя гораздо менее существенная, чем, к примеру, уСатурна. Кольца могут состоять из ледяных частиц, покрытыхсиликатами, или основанным науглеродематериалом, − наиболее вероятно, это он придаёт им красноватый оттенок. В систему колец Нептуна входит 5 компонентов.