НЕПТУ́Н

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 22. Москва, 2013, стр. 482-483

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Л. В. Ксанфомалити

НЕПТУ́Н, вось­мая, наи­бо­лее уда­лён­ная от Солн­ца пла­не­та Сол­неч­ной сис­те­мы, ас­тро­но­мич. знак .

История открытия

Впер­вые Н. на­блю­дал Г. Га­ли­лей в кон. 1612 – нач. 1613: он об­на­ру­жил не­боль­шое пе­ре­ме­ще­ние све­ти­ла сре­ди звёзд, но не сде­лал вы­во­дов о су­ще­ст­во­ва­нии но­вой пла­не­ты. В 1843 Джон Ка­уч Адамс пред­по­ло­жил, что за­ме­чен­ные ра­нее от­кло­не­ния по­ло­же­ния Ура­на от пред­вы­чис­лен­ных зна­че­ний объ­яс­ня­ют­ся влия­ни­ем на Уран внеш­ней, не­из­вест­ной то­гда пла­не­ты; в 1845 он вы­чис­лил её ве­ро­ят­ное по­ло­же­ние. В 1845–46 бо­лее точ­ные рас­чё­ты про­вёл и опуб­ли­ко­вал У. Ле­ве­рье. В 1846 нем. ас­тро­но­мы И. Гал­ле и Г. д’Аррест об­на­ру­жи­ли но­вую пла­не­ту вбли­зи тео­ре­ти­че­ски пред­ска­зан­ных ко­ор­ди­нат. Для пла­не­ты пред­ла­га­лись на­зва­ния: Янус, Оке­ан, Неп­тун, Ле­ве­рье. Од­на­ко уже к кон. 1846 за­кре­пи­лось назв. «Н.» (в честь бо­га Неп­ту­на в др.-рим. ми­фо­ло­гии) как бо­лее со­от­вет­ст­вую­щее тра­ди­ции име­но­ва­ния пла­нет. В совр. фи­зи­ке пла­нет «неп­ту­на­ми» час­то на­зы­ва­ют об­шир­ный класс эк­зо­пла­нет (вне­сол­неч­ных пла­нет) с мас­са­ми 10–20 масс Зем­ли и сход­ным с Н. строе­ни­ем.

Че­рез 17 дней по­сле от­кры­тия Н. англ. ас­тро­ном У. Лас­сел об­на­ру­жил его круп­ней­ший спут­ник, на­зван­ный Три­то­ном (в греч. ми­фо­ло­гии – сын По­сей­до­на, со­от­вет­ст­вую­ще­го рим. бо­гу Неп­ту­ну). Сле­дую­щий спут­ник Н. (Не­реи­да) был от­крыт лишь в 1949.

Общая характеристика планеты

Масса Н. 1,043·10 26  кг (17,2 мас­сы Зем­ли). Боль­шая по­лу­ось ор­би­ты Н. со­став­ля­ет 30,1 а. е. (4503 млн. км). Из­лу­че­ние Солн­ца дос­ти­га­ет Неп­ту­на за 4 ч 10 мин. Ор­би­та Н. на­кло­не­на к плос­ко­сти эк­лип­ти­ки под уг­лом 1,77°, к плос­ко­сти эк­ва­то­ра Солн­ца – под уг­лом 6,43°. Экс­цен­три­си­тет ор­би­ты Н. равен 0,011. Си­де­ри­че­ский пе­ри­од об­ра­ще­ния во­круг Солн­ца ок. 164,79 зем­ных лет (со вре­ме­ни сво­его от­кры­тия Н. сде­лал лишь один обо­рот во­круг Солн­ца). Ср. ор­би­таль­ная ско­рость пла­не­ты 5,44 км/с. Эк­ва­то­ри­аль­ный ра­ди­ус Н. 24764 км (ок. 3,9 ра­диу­сов Зем­ли), по­ляр­ное сжа­тие 0,0171. Ср. плот­ность 1638 кг/м3. Пе­ри­од вра­ще­ния, най­ден­ный по мо­ду­ля­ции маг­нит­но­го по­ля, со­став­ля­ет 16 ч 6 мин 36 с. Н. не име­ет твёр­дой по­верх­но­сти, пе­рио­ды вра­ще­ния ви­ди­мой по­верх­но­сти его ши­рот­ных зон раз­ли­ча­ют­ся. Ус­ко­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния на эк­ва­то­ре 11,34 м/с2, при­чём цен­тро­беж­ные си­лы, воз­ни­каю­щие из-за бы­ст­ро­го вра­ще­ния Н., умень­ша­ют ус­ко­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния на 0,29 м/с2. Ср. по­ток сол­неч­но­го из­лу­че­ния на ор­би­те Н. 1,609 Вт/м2 (в 906 раз мень­ше, чем на ор­би­те Зем­ли). Ви­ди­мая звёзд­ная ве­ли­чи­на Н. на зем­ном не­бе ок. 8 (в 7 раз сла­бее пре­де­ла, дос­туп­но­го не­воо­ру­жён­но­му гла­зу). Угол, под ко­то­рым ви­ден диск Н. с Зем­ли, со­став­ля­ет 2,3 , по­это­му в на­зем­ных на­блю­де­ни­ях раз­ли­чить к.-л. де­та­ли на Н. прак­ти­че­ски не уда­ёт­ся.

Состав и строение

До кон. 20 в. Н. от­но­си­ли к груп­пе пла­нет-ги­ган­тов. Од­на­ко по­сле по­лу­че­ния ин­фор­ма­ции, пе­ре­дан­ной КА «Во­яд­жер-2» (сбли­зив­ше­го­ся с Н. в 1989), а так­же по­яв­ле­ния но­вых тео­ре­тич. ра­бот и ор­га­ни­за­ции на­блю­де­ний с ор­би­таль­ной об­сер­ва­то­рии «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST) пред­став­ле­ния о Н. под­верг­лись су­ще­ст­вен­но­му пе­ре­смот­ру. Н. и Уран бы­ли вы­де­ле­ны из груп­пы пла­нет-ги­ган­тов в отд. класс – ле­дя­ных ги­ган­тов, или пла­нет-океа­нов. «Льда­ми» в дан­ном слу­чае на­зы­ва­ют ле­ту­чие ве­ще­ст­ва (для Н. – пре­ж­де все­го во­ду, ме­тан и ам­ми­ак), ко­то­рые в оп­ре­де­лён­ных фи­зич. ус­ло­ви­ях пе­ре­хо­дят в твёр­дую фа­зу. По совр. оцен­кам, мас­са та­ких льдов (гл. обр. во­дя­но­го льда) ок. 62% мас­сы Н.; на скаль­ные (си­ли­кат­ные) по­ро­ды при­хо­дит­ся ок. 24% мас­сы Н., а на ге­лий-во­до­род­ную (H/He) ат­мо­сфе­ру – лишь ок. 13% мас­сы Н. (в то вре­мя как H/He со­став­ля­ют бо­лее 90% мас­сы Юпи­те­ра и ок. 80% мас­сы Са­тур­на).

Пред­став­ле­ния о внутр. строе­нии Н. опи­ра­ют­ся на тео­рию фи­гур га­зо-жид­ких тел. Рас­чёт­ные мо­де­ли ос­но­ва­ны на том, что вра­ще­ние из­ме­ня­ет струк­ту­ру га­зо-жид­ко­го те­ла и при­во­дит к от­кло­не­нию гра­ви­тац. по­тен­циа­ла от сфе­ри­че­ски-сим­мет­рич­но­го. Боль­шин­ст­во рас­чё­тов ба­зи­ру­ет­ся на т. н. трёх­слой­ной мо­де­ли пла­не­ты: яд­ро из скаль­ных (си­ли­кат­ных) по­род, же­ле­за и ни­ке­ля; сред­ний (жид­кий) слой, со­стоя­щий из сме­си скаль­ных по­род, льда и ио­ни­зо­ван­ных H/He; ат­мо­сфе­ра (пре­иму­щест­вен­но H/He). Мас­са яд­ра оце­ни­ва­ет­ся в 7% от мас­сы пла­не­ты, темп-ра в цен­тре мо­жет до­сти­гать 5400 К, дав­ле­ние 7 млн. атм (7·1011 Па) и бо­лее.

Атмосфера

Рис. 1. Фотография Нептуна, полученная КА «Вояджер-2» (1989). В центре – Большое тёмное пятно, размеры которого сравнимы с размерами Земли.
Рис. 2. Облака (по виду подобные земным перистым) на высоте около 100 км над основным облачным слоем Нептуна. Снимок сделан КА «Вояджер-2».

Вы­со­та ат­мо­сфе­ры Н. – ок. 3000 км. Её верх­ние слои на 80% со­сто­ят из мо­ле­ку­ляр­но­го во­до­ро­да, на 19% из ге­лия, ок. 1% при­хо­дит­ся на ме­тан, име­ют­ся сле­ды эта­на, аце­ти­ле­на, а так­же ам­миа­ка и гид­ро­суль­фи­да ам­мо­ния, ко­то­рые об­ра­зу­ют об­лач­ный по­кров Н. Спек­траль­ные по­ло­сы по­гло­ще­ния ме­та­на в крас­ном и ближ­нем ИК-диа­па­зо­нах при­да­ют Н. си­не-го­лу­бой цвет. Од­на­ко цвет Н. от­ли­ча­ет­ся от зе­ле­но­ва­то­го цве­та Ура­на при сход­ст­ве в со­ста­ве и темп-ре ви­ди­мой по­верх­но­сти этих пла­нет. Рас­чё­ты по­ка­зы­ва­ют, что для обес­пе­че­ния та­ко­го цве­та Н. в его ат­мо­сфе­ре дол­жен при­сут­ст­во­вать ещё ка­кой-то не­из­вест­ный по­гло­ти­тель. Темп-ра в ат­мо­сфе­ре Н. на уров­не дав­ле­ния 1 атм (105 Па) со­став­ля­ет 72 К и рас­тёт с глу­би­ной. В верх­ней час­ти тро­по­сфе­ры темп-ра на 20 гра­ду­сов ни­же. Та­кая темп-ра на­мно­го пре­вы­ша­ет рав­но­вес­ную: Н. из­лу­ча­ет в 2,6 ра­за боль­ше энер­гии, чем по­лу­ча­ет от Солн­ца. На мощ­ные собств. ис­точ­ни­ки энер­гии ука­зы­ва­ют так­же бур­ные ме­тео­ро­ло­гич. про­цес­сы в ат­мо­сфе­ре Н.: ско­рость вет­ров дос­ти­га­ет сверх­зву­ко­вых зна­че­ний. На­прав­ле­ние зна­чит. час­ти зо­наль­ных вет­ров про­ти­во­по­лож­но вра­ще­нию пла­не­ты. С КА «Во­яд­жер-2» при сбли­же­нии с Н. бы­ло об­на­ру­же­но неск. ги­гант­ских ат­мо­сфер­ных вих­рей, наи­боль­ший из ко­то­рых – т. н. Боль­шое тём­ное пят­но в юж. по­лу­ша­рии (рис. 1) про­тя­жён­но­стью бо­лее 10 тыс. км, на­по­ми­на­ет Боль­шое крас­ное пят­но на Юпи­те­ре. Про­дол­жи­тель­ность су­ще­ст­во­ва­ния по­доб­ных вих­рей не­из­вест­на, но в 1994 на­блю­де­ния с HST это­го вих­ря не об­на­ру­жи­ли, хо­тя поя­ви­лось но­вое пят­но в сев. по­лу­ша­рии. На вы­со­те ок. 100 км над осн. ви­ди­мым об­лач­ным сло­ем рас­по­ла­га­ют­ся вы­тя­ну­тые об­ла­ка из кон­ден­си­ров. ме­та­на с при­ме­ся­ми (рис. 2). Вы­ше на­блю­да­ет­ся дым­ка из уг­ле­род­со­дер­жа­щих со­еди­не­ний, об­ра­зую­щих­ся при фо­то­ли­зе ме­та­на. Об­ла­ка вод­но­го со­ста­ва долж­ны на­хо­дить­ся в глу­би­не ат­мо­сфе­ры, на уров­не дав­ле­ния ок. 50 атм (5·106 Па) и темп-ры 0 °С. Во внеш­ней час­ти ат­мо­сфе­ры (в раз­ре­жен­ной тер­мо­сфе­ре) темп-ра дос­ти­га­ет 750 К. Ме­ха­низм ра­зо­гре­ва тер­мо­сфе­ры ос­та­ёт­ся не­дос­та­точ­но яс­ным.

Магнитосфера

Рис. 3. Схема дипольного магнитного поля, которым можно представить магнитное поле Нептуна.

Маг­нит­ное по­ле Н. име­ет не­обыч­ную струк­ту­ру, на­зван­ную «на­клон­ным ро­та­то­ром». При­бли­жён­но маг­нит­ное по­ле Н. мож­но пред­ста­вить маг­нит­ным ди­по­лем (рис. 3), но име­ют­ся зна­чи­тель­ные со­став­ляю­щие и выс­ших (не­ди­поль­ных) по­ряд­ков. Ось маг­нит­но­го ди­по­ля от­кло­не­на на 47° от оси вра­ще­ния, ко­то­рая, в свою оче­редь, на­кло­не­на на 29° к плос­ко­сти ор­би­ты. В ре­зуль­та­те ось ди­по­ля опи­сы­ва­ет (с пе­рио­дом 16,11 ч) в про­стран­ст­ве ко­нус с уг­лом рас­кры­ва 94°. Кро­ме то­го, ось ди­по­ля сме­ще­на на 13 тыс. км от цен­тра пла­не­ты. По-ви­ди­мо­му, по­ле воз­бу­ж­да­ет­ся в жид­кой про­во­дя­щей сре­де, т. е. в сред­нем слое Н. («океа­не»), на уров­не 0,55 ра­диу­са Н. Сме­ще­ние оси, воз­мож­но, объ­яс­ня­ет­ся взаи­мо­дей­ст­ви­ем гло­баль­но­го океа­на с твёр­дым ядром Н. Ве­ли­чи­на маг­нит­ной ин­дук­ции на эк­ва­то­ре Н. со­став­ля­ет (14–19)·10–6 Тл. Маг­ни­то­сфе­ра взаи­мо­дей­ст­ву­ет с сол­неч­ным вет­ром и на рас­стоя­нии 35 ра­диу­сов Н. соз­да­ёт удар­ную вол­ну. Хвост маг­ни­то­сфе­ры про­сти­ра­ет­ся на рас­стоя­ние не ме­нее 72 ра­диу­сов Н. За­ре­ги­ст­ри­ро­ва­но ра­дио­из­лу­че­ние Н., со­стоя­щее из фо­но­во­го не­пре­рыв­но­го из­лу­че­ния и не­ре­гу­ляр­ных вспы­шек.

Кольца и спутники

Сис­те­ма Н. вклю­ча­ет слож­ную струк­ту­ру из 5 уз­ких ароч­ных ко­лец и спут­ни­ков (на 2012 от­кры­то 13). Коль­ца рас­по­ло­же­ны в ин­тер­ва­ле рас­стоя­ний 41,9–62,9 тыс. км от цен­тра Н. Не­рав­но­мер­ное рас­пре­де­ле­ние час­тиц в коль­цах Н. ука­зы­ва­ет на на­ли­чие ре­зо­нанс­ных яв­ле­ний ме­ж­ду коль­ца­ми и спут­ни­ка­ми и мик­ро­спут­ни­ка­ми Н. (в т. ч., воз­мож­но, со спут­ни­ка­ми, плос­кость ор­би­ты ко­то­рых не со­впа­да­ет с плос­ко­стью ко­лец).

Поч­ти все спут­ни­ки Н. пред­став­ля­ют со­бой те­ла не­пра­виль­ной фор­мы с раз­ме­ра­ми от де­сят­ков км до 150 км (два спут­ни­ка име­ют раз­ме­ры 350–400 км). Три­тон – круп­ней­ший спут­ник Н. и один из круп­ней­ших спут­ни­ков в Сол­неч­ной сис­те­ме (см. Спут­ни­ки пла­нет) – име­ет фор­му ша­ра диа­мет­ром 2705 км. Боль­шин­ст­во ма­лых спут­ни­ков Н. на­хо­дит­ся в зо­не его ко­лец.

Происхождение

Совр. тео­рии пред­по­ла­га­ют, что Н. сфор­ми­ро­вал­ся позд­нее пла­нет-ги­ган­тов за гра­ни­цей льдов про­то­пла­нет­но­го дис­ка, ко­то­рый к то­му вре­ме­ни уже по­те­рял осн. мас­су га­зо­вых ком­по­нен­тов (см. Кос­мо­го­ния). Об этом сви­де­тель­ст­ву­ет хи­мич. со­став Н.: по­ни­жен­ное (по срав­не­нию с пла­нета­ми-ги­ган­та­ми) со­дер­жа­ние H/He и зна­чит. обо­га­щён­ность (по срав­не­нию с Солн­цем) хи­мич. эле­мен­та­ми, тя­же­лее He (N, S, Ar, Kr, Хе). Н. сфор­ми­ро­вал­ся, по-ви­ди­мо­му, на зна­чи­тель­но мень­шем рас­стоя­нии от Солн­ца, чем рас­по­ло­же­на его совр. ор­би­та. В пер­вые 600 млн. лет по­ло­же­ние Н. в Сол­неч­ной сис­те­ме под­вер­га­лось зна­чит. ми­гра­ции. На этот факт ука­зы­ва­ет, в ча­ст­но­сти, воз­ник­но­ве­ние ре­зо­нанс­ных ор­бит у транс­неп­ту­но­вых объ­ек­тов.

Лит.: Ксан­фо­ма­ли­ти Л. В. Па­рад пла­нет. М., 1997; Hubbard W. B. Neptune’s deep che­mistry // Science. 1997. Vol. 275. № 5304; El­kins-Tanton L. T. Uranus, Neptune, Pluto, and the outer Solar System. N. Y., 2006; Birch R. Neptune. 2nd ed. N. Y., 2008; Сол­неч­ная сис­те­ма / Сост. В. Г. Сур­дин. М., 2009.

Вернуться к началу