Хотя, разумеется, слово «гигант» будет немножко сильно сказано по отношению к Нептуну, планеты хоть и весьма большой по космическим меркам, но, тем не менее, по размерам значительно уступающей другим планетам-гигантам нашей солнечной системы: Юпитеру, Сатурну и Урану. К слову об Уране, планета эта по размерам хотя и больше Нептуна, но по массе Нептун на 18% таки больше Урана. В целом эту планету, названную из-за своего голубого цвета на честь античного бога морей, Нептуном можно считать самой маленькой из планет гигантов и заодно самой массивной – плотность Нептуна в разы сильнее, нежели у других планет. А вот по сравнению с Солнцем, что Нептун, что наша Земля, крохотно малы, если представить что Солнце наше размером с дверь, то Земля размером с монетку, а Нептун по величине такой же, как большой бейсбольный мяч.
История открытия
Орбита небесного тела является наиболее длинной. Полностью планета проделывает полный оборот вокруг светила за 164,79 земных лет. Такая неторопливость и сбила с толку великого Галилео Галилея, который впервые наблюдал небесное тело в 1612 году. Он счел его неподвижной звездой. Что и стоило ему славы первооткрывателя, а встреча с Нептуном задержалась почти на двести лет.
В 1821 году исследователь Урана Алексис Бувар обновлял астрономические таблицы его орбиты. Стало понятно, что имеются странные аномалии, вызвать которые могло только другое небесное тело, скорее всего — планета. Но более подробно к этому вопросу ученые не возвращались еще более 20-ти лет. В 1843 году английский астроном Джон Куч Адамс смог вычислить орбиту гипотетически существующей планеты. Его расчеты причин изменений орбиты Урана были отправлены королевскому астроному, но углубляться в новые исследования никто не стал.
Чуть позже расчеты произвел Урбен Леверье. Парижские коллеги не поддержали его. И только в июне 1846 года удалось убедить директора обсерватории в Кембридже начать поиски математически рассчитанной планеты. Два месяца велись наблюдения, но обработку результатов отложили, поэтому планету так и не идентифицировали.
В сентябре 1846 года Леверье обратился к берлинским астрономам. Ему помог студент, Генрих д’Арре, предложив сравнить карту Лаверье с актуальным небом. Только так можно было подтвердить движение небесного тела. Догадка подтвердилась при первом же наблюдении. Сам директор обсерватории Иоганн Энке Галле лично присутствовал при наблюдениях, убеждаясь — это действительно неизвестная ранее планета. Открытие Нептуна зарегистрировано 23 сентября 1846 года.
Британские и французские ученые еще долго оспаривали пальму первенства открытия Нептуна. В конце-концов решили поделить это право между Адамсом и Леверье. Но уже в 20-ом веке в архиве Гринвичской обсерватории нашлись документы, которые позволили историкам оспорить заслуги Адамса. Его расчеты были приблизительными, а отказ от дальнейших исследований позволяет назвать притязания британцев на равные права в открытии Нептуна настоящим воровством.
Название
Сначала планета вообще не имела названия, ее упоминали как «внешняя планета», «следующая за Ураном» либо просто как «планета Леверье». Галле, предложил назвать открытое небесное тело Янусом, английские астрономы — Океаном. Имя бога морей было предложено самим Леверье, хотя надеялся, что предпочтение отдадут «планете Леверье». Но такой вариант поддерживался только во Франции. Остальной научный мир единодушно присвоил планете имя «Нептун».
В астрономии Нептун обозначается символом — это стилизованный трезубец повелителя морей.
Характеристики планеты
Почти все известные данные о планете базируются на наблюдении через телескопы и данных астрономического зонда «Вояджер-2». Невооруженным глазом увидеть Нептун невозможно.
Планета относится к газовым гигантам, занимая среди них последнее, четвертое место. Но по плотности он лидер — 1,638 гр/см3. Радиус его в четыре раза больше земного и составляет 25000км. По общепринятой гипотезе планета представляет собой гигантский шар изо льда, скальных пород и газа. Лед, покрывающий Нептун, по массе в 17 раз превосходит массу Земли.
По строению предполагают его близким к Урану, это трехслойный сфероид. Поверхности, аналогичной земной или марсианской, Нептун не имеет. Изнутри раскален, снаружи очень холодный. По другой теории мантия ядра планеты составляет раскаленная алмазная жидкость. Внутренняя мантия — водный аммиак с метановым льдом. Ядро состоит в основном из железа и никеля.
Поверхность Нептуна
Нептун принадлежит к семейству ледяных гигантов Солнечной системы, поэтому лишен твердой поверхности. Наблюдаемая нами сине-зеленая дымка – результат иллюзии. Это верхушки глубоких газовых облаков, уступающих место воде и прочим расплавленным льдам.
Если вы попытаетесь пройтись по поверхности Нептуна, то тут же провалитесь вниз. При спуске увеличатся температура и давление. Так что точка поверхности отмечается на месте, где показатель давления достигает 1 бар.
Состав и структура
«Поверхность» Нептуна – одно из наиболее активных мест в Солнечной системе
При радиусе в 24622 км Нептун стоит на 4-м месте по величине среди солнечных планет. По массе (1.0243 х 1026 кг) в 17 раз превосходит земную. Присутствие метана впитывает красные длины волн и отбивает синие. Ниже представлен рисунок строения Нептуна.
Внутренняя структура Нептуна
Состоит из скалистого ядра (силикаты и металлы), мантии (водные, метановые и аммиачные льды), а также гелиевой, метановой и водородной атмосферы. Последняя делится на тропосферу, термосферу и экзосферу.
В тропосфере температура уменьшается с высотой, а в стратосфере растет с повышением. В первой давление удерживается на 1-5 бар, поэтому здесь и расположена «поверхность».
Верхний слой состоит из водорода (80%) и гелия (19%). Можно отметить облачные формирования. Сверху температура позволяет метану конденсироваться, а также есть аммиачные, водные, сульфидно-аммониевые и сероводородные облака. В нижних областях давление достигает 50 бар, а температурная отметка – 0.
Атмосфера Нептуна с отображением характерных особенностей
В термосфере наблюдается высокий нагрев (476.85°C). Нептун крайне далеко расположен от звезды, поэтому нужен другой механизм нагрева. Это может быть контакт атмосферы с ионами в магнитном поле или же гравитационные волны самой планеты.
Поверхность Нептуна лишена твердости, поэтому атмосфера вращается дифференциально. Экваториальная часть совершает обороты с периодом в 18 часов, магнитное поле – 16.1 часов, а полярная зона – 12 часов. Именно поэтому возникают сильные ветры. Три масштабных зафиксировал Вояджер-2 в 1989 году.
Первый шторм простирался на 13000 х 6600 км и смахивал на Большое Красное Пятно Юпитера. В 1994 году телескоп Хаббл попытался отыскать Большое Темное Пятно, но его не было. Зато на территории северного полушария образовалось новое.
Большое Темное Пятно, запечатленное телескопом Хаббл
Скутер – еще один шторм, представленный светлым облачным покровом. Они находятся южнее Большого Темного Пятна. В 1989 году также заметили и Маленькое Темное Пятно. Сначала оно казалось полностью темным, но когда аппарат приблизился, то удалось зафиксировать яркое ядро.
Внутренне тепло
Пока никто не знает, почему Нептун нагревается внутри. Планета расположена самой последней, но находится в одной температурной категории с Ураном. По факту, Нептун производит в 2.6 раз больше энергии, чем получает от звезды.
Внутренний нагрев в сочетании с морозным пространством приводит к серьезному температурному колебанию. Формируются ветры, способные разогнаться до 2100 км/ч. Внутри есть каменистое ядро, прогревающееся на тысячи градусов. Вы можете посмотреть какая поверхность Нептуна на верхнем фото, чтобы запомнить главные формирования атмосферы гиганта.
Атмосфера и климат
Радиотелескоп «Хаббл» позволил определить, что атмосфера Нептуна имеет примерно 80% водорода, 19% гелия и 1% метана. Поэтому с Земли Нептун видится ярко-голубым. По яркости окраски он превосходит даже Уран, имеющего гораздо больше метана в атмосфере. Ученые предполагают, что метан Нептуна находится в соединении с неизвестным веществом. Облака вращаются в противоположную сторону от вращения самого небесного тела.
Планета слишком далека от Солнца, поэтому верхние слои атмосферы держится на уровне -221°С. При этом Нептун излучает тепла больше, чем получает от нашей звезды, почти в 2,5 раза.
По некоторым данным ядро Нептуна — второе Солнце, поэтому нагревается сердце планеты до +7000°С. Такие перепады температуры порождают невиданные по масштабам шторма.
Атмосфера Нептуна имеет широтные полосы. Все они крайне беспокойные — бури здесь обычное явление. В некоторых широтах ветер достигает скорости 600 км/сек. Бури (или «темные пятна») были зафиксированы «Вояджером-2». Он же передал данные об особо мощных ураганах, ветер в центре которых достигал 2100 км/сек. По масштабам они равны Большому красному пятну Юпитера, только длятся всего по несколько месяцев. Вихревые антициклоны появляются и в тропосфере (Большие и Малые темные пятна). Довольно часты здесь и всполохи северного сияния.
Необычным явлением на восьмой планете являются «белые шторма», которые называются «Скутер». Они намного меньше темных пятен, существуют еще более короткий период времени. Предполагают, что это своеобразные ливневые системы.
Области
Состав атмосферы Нептуна условно подразделяется на 2 области, которые и формируют её базу.
- Низкая (тропосфера). Здесь происходит снижение температуры по мере набора высоты.
- Высокая (стратосфера). В этом случае температурный режим по мере подъёма, наоборот, повышается.
В качестве границы между данными слоями выступает тропопауза, показатель давления которой равен 0,1 бар. После стратосферы по мере изменения давления следует термосфера. Далее наблюдается плавный и постепенный переход термосферы в экзосферу.
Составленная модель тропосферы способствует убеждению в том, что исходя из высоты, в составе присутствуют облака переменных составов. Что касается облачности верхнего уровня, она располагается в области давления меньше 1 бара, где метан подвергается конденсации.
Внутреннее строение Нептуна:
- Верхняя атмосфера, верхние облака
- Атмосфера, состоящая из водорода, гелия и метана
- Мантия, состоящая из водяного, аммиачного и метанового льда
- Каменно-ледяное ядро
Облачность
При уровне давления, равном 1-5 бар, происходит создание аммиачных облаков и сероводородных сгустков. Когда оно повышается, в составе может наблюдаться аммиак, сульфид аммония, сероводород, вода. При погружении вглубь, когда давление достигает отметки 50 бар, есть вероятность существования облаков из водяного льда, температура при этом нулевая.
Состав атмосферы Нептуна подразумевает существование высотных облаков, которые можно было обнаружить по теням, отбрасываемым на слой непрозрачного типа. В этой же области наблюдается выделение так называемых полос облаков, которые фигурируют на постоянной широте. На термосфере планеты наблюдается высокая температура, составляющая 750 К.
Таким образом, атмосферный состав планеты до сих пор до конца не изучен.
Трудности исследования
Выводы о том, какая атмосфера у Нептуна, что характерно для его структуры, делаются во многом на основе уже полученных данных об Уране, Юпитере и Сатурне. Удаленность планеты от Земли значительно затрудняет ее изучение.
В 1989 году вблизи Нептуна пролетал космический аппарат «Вояджер-2». Это была единственна встреча ледяного гиганта с земным посланником. Плодотворность ее, впрочем, очевидна: большую часть сведений о Нептуне науке предоставил именно этот корабль. В частности, «Вояджер-2» обнаружил Большое и Малое темные пятна. Оба зачерненных участка хорошо были видны на фоне голубой атмосферы. На сегодняшний день непонятно, какова природа этих образований, но предполагается, что это вихревые потоки или циклоны. Они появляются в верхних слоях атмосферы и на огромной скорости проносятся вокруг планеты.
Вечное движение
Многие параметры обуславливает наличие атмосферы. Нептуна характеризует не только необычный цвет, но и постоянное движение, создаваемое ветром. Скорость, с которой облака облетают планету в районе экватора, превышает тысячу километров в час. Двигаются они при этом в противоположном относительно вращения самого Нептуна вокруг оси направлении. При этом оборачивается планета еще быстрее: полный поворот занимает всего 16 часов и 7 минут. Для сравнения: один оборот вокруг Солнца занимает почти 165 лет.
Очередная загадка: скорость ветра в атмосфере у газовых гигантов увеличивается при удалении от Солнца и достигает пика на Нептуне. Это явление пока не получило обоснования, как и некоторые температурные особенности планеты.
Распределение тепла
Погода на планете Нептун характеризуется постепенным изменением температуры в зависимости от высоты. Тот слой атмосферы, где располагается условная поверхность, полностью соответствует второму названию космического тела (ледяная планета). Температура здесь опускается почти до -200 ºC. Если перемещаться от поверхности выше, то будет ощутимо увеличение тепла вплоть до 475º. Ученые до сих пор не нашли достойного объяснения таким перепадам. Как предполагается, Нептун обладает внутренним источником тепла. Такой «обогреватель» должен вырабатывать в два раза больше энергии, нежели приходит на планету от Солнца. Тепло от этого источника в сочетании с долетающей сюда от нашей звезды энергией, вероятно, и является причиной сильных ветров.
Однако ни солнечный свет, ни внутренний «обогреватель» не могут повысить температуру на поверхности так, чтобы здесь была ощутима смена времен года. И хотя другие условия для этого соблюдаются, отличить зиму от лета на Нептуне невозможно.
Магнитосфера
Исследования «Вояджера-2» помогли ученым узнать многое о магнитном поле Нептуна. Оно сильно отлично от земного: источник располагается не в ядре, а в мантии, благодаря чему магнитная ось планеты сильно смещена относительно ее центра.
Одна из функций поля — защита от солнечного ветра. Форма магнитосферы Нептуна сильно вытянута: защитные линии в той части планеты, которая освещена, располагаются на расстоянии в 600 тыс. км от поверхности, а с противоположной стороны — более чем в 2 млн км.
Вояджер зафиксировал непостоянность напряжения поля и расположения магнитных линий. Такие свойства планеты также еще не объяснены до конца наукой.
Самая далекая планета солнечной системы
«А как же Плутон?», – вероятно, спросите вы. На самом деле тут все не так просто как кажется на первый взгляд. C момента своего открытия, в 1846 году, Нептун с полным правом считался самой далекой планетой от Солнца. Но вот в 1930 году был обнаружен маленький Плутон, который находится еще дальше. Вот только тут есть один нюанс, орбита Плутона сильно вытянута по эллипсу таким образом, что в определенные моменты своего движения Плутон оказывается ближе к Солнцу, нежели Нептун. Последний раз подобное астрономическое явления происходило с 1978 по 1999 год – в течение 20 лет Нептун опять имел звание полноправной «самой далекой планеты от Солнца».
Некоторые астрономы, чтобы избавиться от этих путанностей, даже предлагали «разжаловать» Плутон от звания планеты, дескать, это просто маленькое небесное тело, летающее по орбите, или присвоить статус «карликовой планеты», впрочем, споры на этот счет ведутся до сих пор.
Особенности планеты
Свой яркий голубой облик Нептун имеет благодаря сильной плотности облаков в атмосфере планеты, облака эти таят в себе пока еще до конца неизвестные нашей науке химические соединения, которые при поглощении солнечного света окрашиваются в голубые цвета. Один год на Нептуне равен нашим 165 годам, именно за такое время Нептун проходит свой полный цикл по орбите вокруг Солнца. А вот сутки на Нептуне не такие длинные, как год, они даже короче наших земных, так как длятся всего 16 часов.
Температура
Так как солнечные лучи до отдаленного «голубого гиганта» доходят в уже очень маленьком количестве, закономерно, что на поверхности его очень и очень холодно – средняя температура поверхности там составляет -221 градус по Цельсию, что в два раза ниже температуры замерзания воды. Одним словом, окажись вы на Нептуне, то в мгновения ока превратились бы в ледышку.
Размер
Как уже было сказано выше он в 17 раз больше нашей Земли. Ниже на картинке показательно сравнение размеров наших планет.
Вращение и орбита
Как уже говорилось, из-за самой протяженной орбиты нептунианский год длится 164,79 земных лет. В июле 2011 года как раз завершился один виток планеты вокруг светила.
Другие параметры планеты также удивительны и непонятны:
- Ее ось наклонена всего на 28,32°, это довольно близко к показателю Земли. И, хотя он так далеко от Солнца», на нем имеется четко выраженная смена времен года. Происходит она один раз в 40 лет. Объяснить такую выраженную сезонность у самой отдаленной планеты ученые пока не могут
- Удивительна и скорость вращения Нептуна вокруг своей оси. Полный оборот происходит за 16 часов. Это выше показателей «земной группы». Ночь при этом более продолжительна, чем день
- Орбита восьмой планеты максимально близка по форме к кругу. Это объясняется тем, что эксцентриситет ее орбиты (0,0097) второй наименьший после Венеры. По этой орбите Нептун летит со второй космической скоростью (23,5 км/сек)
- Гравитация Нептуна также близка к Земной (11,15 м/сек2).
Спутники и кольца
Как все известные газовые гиганты, Нептун имеет много спутников. На сегодняшний день их обнаружено тринадцать. Первый, самый крупный, Тритон, был обнаружен спустя год после открытия самого Нептуна. Но следующие спутники разглядели только в 20-том веке. Все они получили названия согласно именам мифологической свиты Нептуна.
Тритон достоин отдельного упоминания. Ученые не без основания считают, что это скорее всего бывшая карликовая планета, попавшая в зону гравитации Нептуна. Об этом говорит ретроградное (обратное) движение спутника по сравнению с другими. Он единственный из спутников имеет форму шара. Это настоящий мир льда, самое холодное место Солнечной системы, где температура опускается ниже -235°С. Сквозь лед на его поверхности постоянно происходят выбросы пыли и азота. Через несколько сотен миллионов лет Тритон притянется к Нептуну, разобьётся о его поверхность в пыль и станет еще одним кольцом.
Сегодня таких колец обнаружено шесть. Впервые их достоверно разглядели в 70-ых годах прошлого века. Им присвоили имена астрономов, который участвовал в открытии Нептуна — Леверье, Лассел, Галле, Аламс и Араго. Основными считают кольца Леверье, Адамса и Галле. Кольца Нептуна не столь явно выражены, поэтому их полноценное строение с помощью снимков с «Вояджера-2» в 1989 году. Кольца Нептуна содержат различный лед и углеродные частицы.
Масса Нептуна
Масса Нептуна составляет 17,147 масс Земли. Среди всех планет Солнечной системы Нептун стоит на третьем месте по массе.
Масса и плотность Нептуна:
Масса Нептуна составляет 1,02 · 1026кг или, если быть точнее, 1,0243 ⋅ 1026 кг. Она составляет 17,147 масс Земли .
Среди всех планет Солнечной системы Нептун стоит на третьем месте по массе (после Юпитера, Сатурна).
Масса, как физическая величина, является мерой гравитационных свойств тела (гравитации, притяжения) и мерой его инертности. Соответственно различают гравитационную массу тела и инертную массу тела. В современной физике гравитационная масса и инертная масса считаются равными.
Как следствие проявления гравитационных свойств и действия закона всемирного тяготения два тела притягиваются друг к другу тем сильнее, чем больше их массы. Или чем больше масса тела, тем с большей силой она притягивает другие тела. Гравитационная масса определяет меру такого гравитационного притяжения (силы гравитационного притяжения).
Согласно закону всемирного тяготения сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием r, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния:
F = G · m1 · m2 / r2 ,
где G – гравитационная постоянная, равная примерно 6,67⋅10−11 м³/(кг·с²).
При этом масса тела не зависит от скорости движения тела и остается неизменным при любых процессах.
Масса измеряется в килограммах и относится к одной из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).
Исходя из массы Нептуна, как физической величины рассчитываются и другие параметры планеты: плотность, ускорение свободного падения, сила тяжести, первая космическая скорость, вторая космическая скорость и пр.
Средняя плотность Нептуна(ρ) – 1,638 г/см³ или 1 638 кг/м³. Для сравнения: средняя плотность Земли (ρ) – 5,5153 г/см³.
Сила тяжести и ускорение свободного падения на Нептуне:
Ускорение свободного падения на экваторе Нептуна (g) равно 11,15 м/с² или 1,336 g Земли. Для сравнения: на Земле ускорение свободного падения составляет 9,81 м/с2 и меняется от 9,832 м/с² на полюсах до 9,78 м/с² на экваторе.
Сила тяжести на Нептунев 1,336 раза больше, чем на Земле. Это означает, что человек, весящий 72 кг, будет весить на Нептуне всего 96,192 кг, т.е. около 96 кг. Каждый шаг потребует в 1,336 раз больше усилий, чем на Земле. Если быть точнее, то вес человека на Земле равен 72 кг · 9,81 м/с2 = 706,32 Н, а вес на Нептуне равен 72 кг · 11,15 м/с2 = 802,8 Н. В то время масса человека на Нептуне (72 кг) будет одинаковой, что и на Земле (72 кг).
Вес – это сила, с которой любое тело, находящееся в поле сил тяжести (как правило, создаваемое каким-либо небесным телом, например, Землёй, Солнцем и т. д.), действует на опору или подвес, препятствующие свободному падению тела. Вес тела, покоящегося в инерциальной системе отсчёта, равен силе тяжести, действующей на тело. Сила тяжести – это сила притяжения тела к небесному телу.
Вес (сила тяжести) рассчитывается по формуле F = m·g ,
где
F – сила тяжести, Н,
m – масса тела, кг,
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Сколько лететь от Земли
Долго. Это если кратко, при современных технологиях, разумеется. Ведь расстояние от Нептуна до Солнца составляет 4,5 миллиарда километров, а расстояние от Земли до Нептуна 4,3 миллиарда километров соответственно. Единственный отправленный с Земли к Нептуну спутник Вояджер-2, запущенный в 1977 году, долетел к точке назначения лишь к 1989 году, где сфотографировал «большое темное пятно» на поверхности Нептуна и наблюдал ряд мощных бурь в атмосфере планеты.
Первая космическая скорость и вторая космическая скорость на Нептуне:
Первая космическая скорость(v1)на Нептунеравна 16,97 км/с. Для сравнения: первая космическая скорость на Земле равна 7,91 км/с.
Первая космическая скорость (круговая скорость) – это минимальная (для заданной высоты над поверхностью планеты) горизонтальная скорость, которую необходимо придать объекту, чтобы он совершал движение по круговой орбите вокруг планеты.
Первая космическая скорость определяется массой и радиусом небесного тела, а также высотой над его поверхностью.
Первая космическая скорость вычисляется по формулам:
,
,
где
М – масса планеты, кг,
R – радиус орбиты, м,
R0 – радиус планеты, м,
h – высота над поверхностью планеты, м.
Вторая космическая скорость(v2)на Нептунеравна 23,5 км/с. Она в 2,1 раза больше второй космической скорости на Земле. Для сравнения: вторая космическая скорость на Земле равна 11,19 км/с.
Вторая космическая скорость (параболическая скорость, скорость освобождения, скорость убегания) – это наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту (например, космическому аппарату), масса которого пренебрежимо мала по сравнению с массой небесного тела (например, планеты), для преодоления гравитационного притяжения этого небесного тела и покидания замкнутой орбиты вокруг него.
Вторая космическая скорость определяется радиусом и массой небесного тела.
Вторая космическая скорость вычисляется по формулам:
,
.
