Нептун. 2

       «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ» 

     Н Е П Т У Н

     (реферат) 
 
 

     Содержание

1. История открытия ……………………………………………………….…4

1.1 Название ……………………………………………………………….…6

1.2 Статус ………………………………………………………………….…7

2. Физические характеристики ………………………………………….…..8

2.1 Внутреннее строение ……………………………………………….…....8

2.2 Атмосфера …………………………………………………………….…10

2.3 Магнитосфера …………………………………………………………...11

2.4 Кольца …………………………………………………………………...12

3. Климат ………………………………………………………………….…..14

3.1 Штормы …………………………………………………………………16

3.2 Внутреннее тепло ………………………………………………………17

4. Орбита и вращение ………………………………………………….……18

4.1 Орбитальные резонансы ……………………………………………….19

5. Образование и миграция ……………………………………………..….20

6. Спутники ……………………………………………………………….......22

7. Наблюдения ……………………………………………………………......23

8. Исследования …………………………………………………………...…24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Непту́н — восьмая и самая дальняя планета Солнечной системы. Нептун также четвёртый по диаметру и третий по массе. Нептун в 17 раз массивнее Земли и немного более массивный, чем похожий на него Уран, который в 15 раз превосходит Землю по массе и менее плотный, чем Нептун. Планета была названа в честь римского бога морей. Его астрономический символ , стилизованная версия трезубца бога Нептуна.

     Обнаруженный 23 сентября 1846 года, Нептун был первой планетой, найденной в соответствии с математическими расчётами, а не путём регулярных наблюдений. Непредвиденные изменения в орбите Урана привели к выводу, что они обусловлены гравитационным возмущающим влиянием неизвестной планеты. Нептун был найден в пределах предсказанного положения. Вскоре был обнаружен и его спутник Тритон, однако остальные 12 спутников, известных ныне, не были обнаружены 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, но у обоих есть различия по составу от больших планет-гигантов — Юпитера и Сатурна. Астрономы иногда помещают их в отдельную категорию, «ледяные гиганты». Атмосфера планеты подобна атмосфере Юпитера и Сатурна в том, что состоит в основном из водорода и гелия, содержит в себе более высокую пропорцию льда, например водного, аммиачного и метанового наряду со следами углеводородов и возможно азота. В контраст этому недра Нептуна состоят главным образом из горных пород и льдов подобно Урану. Следы метана во внешних областях планеты частично являются причиной голубоватого оттенка атмосферы планеты.

     В атмосфере Нептуна бушуют самые  сильные ветры среди планет Солнечной системы, по некоторым оценкам — со скоростями до 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 очень близка к −218 °C. В центре Нептуна температура составляет примерно 7000 °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.

1. История открытия

     Зарисовки Галилео Галилея показывают, что 28 декабря 1612 года, а затем 29 января 1613 года он наблюдал Нептун. Однако в обоих случаях Галилей принял планету за неподвижную звезду в соединении с Юпитером на ночном небе. Поэтому открытие Нептуна не приписывают Галилею.

     Во  время первого периода наблюдений в декабре 1612 года Нептун был в  точке стояния, как раз в день наблюдений он перешёл к попятному движению. Видимое попятное движение наблюдается, когда Земля обгоняет по своей орбите внешнюю планету. Поскольку Нептун был вблизи точки стояния, движение планеты было слишком слабым, чтобы быть замеченным с помощью маленького телескопа Галилея.

     В 1821 году Алексей Бувард опубликовал астрономические таблицы орбиты Урана. Более поздние наблюдения показали существенные отклонения от таблиц. Это привело Буварда к предположению, что неизвестное пока тело возмущает орбиту Урана своей гравитацией. В 1843, Джон Куч Адамс вычислил орбиту гипотетической восьмой планеты, чтобы объяснить изменения в орбите Урана. Он послал свои вычисления сэру Джорджу Эйри, королевскому астроному, а тот в ответном письме попросил у Куча разъяснений. Адамс начал набрасывать ответ, но почему-то так и не отправил его и в дальнейшем не настаивал на серьёзной работе над проблемой Урана.

     Рис. 1. Урбен Леверье, математик открывший Нептун 

     Урбен Леверье независимо от Адамса в 1845—1846 годы быстро провёл свои собственные расчёты, но соотечественники не разделяли его энтузиазма. В июне, ознакомившись с первой опубликованной Леверье оценкой долготы планеты и её схожести с оценкой Адамса, Эйри убедил директора Кембриджской обсерватории Джеймса Чайлза начать поиски планеты. Чайлз безуспешно обыскивал небо в поисках восьмой планеты в течение августа и сентября. На деле Чайлз дважды наблюдал Нептун, но вследствие того, что он отложил обработку результатов наблюдений на более поздний срок ему не удалось своевременно идентифицировать искомую планету.

     Тем временем, Леверье удалось убедить  астронома Берлинской обсерватории Иоганна Готфрида Галле заняться поисками планеты. Гейнрих д’Арре, студент обсерватории, предложил Галле сравнить недавно нарисованную карту неба в районе предсказанного Леверье местоположения с видом неба на текущий момент, чтобы заметить передвижение планеты относительно неподвижных звёзд. Планета была обнаружена в первую же ночь примерно после одного часа поисков. Вместе с директором обсерватории, Иоганном Энке, в течение двух ночей они продолжили наблюдение участка неба, где находилась планета, в результате чего им удалось обнаружить её передвижение относительно звёзд, и убедиться, что это действительно новая планета. Нептун был обнаружен 23 сентября 1846 года, в пределах 1° от координат, предсказанных Леверье, и примерно в 12° от координат, предсказанных Адамсом.

     Вслед за открытием последовала большая  конкуренция между англичанами  и французами за право считать  открытие Нептуна своим. В конечном счете, консенсус был найден, и было принято решение считать Адамса и Леверье сооткрывателями. В 1998 году были вновь найдены так называемые «бумаги Нептуна» (имеющие историческое значение бумаги из Гринвичской обсерватории), которые были незаконно присвоены астрономом Олином Дж. Эггеном и хранились у него в течении почти трёх десятилетий, и были найдены в его владении только после его смерти. После пересмотра документов некоторые историки теперь полагают, что Адамс не заслуживает равных с Леверье прав на открытие Нептуна. Это, впрочем, подвергалось сомнениям и ранее, например, Деннисом Реулинсом, ещё с 1966 года. В 1992 году в статье в журнале «Dio» он назвал требования британцев признать равноправие Адамса на открытие воровством. «Адамс проделал некоторые вычисления, но он был довольно неуверен в том, где находится Нептун» — сказал Николас Коллеструм из Университетского колледжа Лондона в 2003 году.

     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. До этого все планеты, кроме Урана и Земли, были названы в честь римских богов.

     С момента открытия и до 1930 года Нептун был 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. 
 
 
 
 
 
 

2. Физические характеристики

     Рис. 2. Сопоставление размеров Земли и Нептуна 

     С 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»).

1. Внутреннее строение

     Внутреннее  строение Нептуна напоминает внутреннее строение Урана. Атмосфера составляет примерно 10-20 процентов 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 гигапаскалей. Объёмные концентрации метана, аммиака и воды найдены в нижних слоях атмосферы.

     Рис.3. Внутреннее строение Нептуна: 

     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 кельвинов. Масса мантии Нептуна  превышает Земную в 10-15 раз, по разным оценкам, и богата водой, аммиаком, метаном и прочими соединениями. Как является общепринятым в планетологии, 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 километров условия таковы, что метан разлагается на алмазные кристаллы которые «падают» на ядро. Ядро Нептуна состоит из железа, никеля и силикатов. Ядро, как полагают, весит в 1,2 раза больше Земли. Давление в центре достигает 7 мегабар, что в миллионы раз больше, чем на поверхности Земли. Температура в центре, возможно, достигает 5400 кельвинов.

2. Атмосфера

     В верхних слоях атмосферы обнаружен водород и гелий. Они составляют 80 и 19 % атмосферы на этой высоте, соответственно. 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 — часть того, что придаёт 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 содержания метана в атмосфере Урана, полагают, что всё же некий пока неизвестный компонент атмосферы способствует синему цвету. Атмосфера Нептуна подразделяется на 2 основные области: более низкая тропосфера, где температура падает с высотой, и стратосфера, где температура с высотой увеличивается. Граница между ними, тропопауза, находится на уровне давления в 0,1 баров. Стратосфера замещается термосферой на уровне давления ниже, чем 10^-4 — 10^-5 микробаров. Термосфера постепенно переходит в экзосферу. Модели тропосферы Нептуна позволяют полагать, что она состоит из облаков переменных составов, в зависимости от высоты. Облака верхнего уровня находятся на уровне давления ниже одного бара, где температура подходящая для конденсации метана.

     Рис.4. Вертикальный рельеф облаков (фото сделано «Вояджером-2»)  

     При давлении между одним и пятью  барами, как полагают, формируются  облака аммиака и сульфида водорода. При давлении более 5 баров облака могут состоять из того же аммиака, сульфида аммония, сульфида водорода и воды. Более глубоко, при давлении в приблизительно 50 бар, могут быть облака из водяного льда, там температура равна 0 C°, не исключено, что и там могут быть найдены облака из аммиака и сульфида водорода. 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 этих периферических групп ширина достигает 50-150 километров, и находятся они 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 в приблизительно 750 кельвинов. Для столь высокой температуры планета слишком далека от Солнца, чтобы оно могло так разогреть термосферу ультрафиолетовой радиацией. Возможно, это следствие атмосферного взаимодействия с ионами в магнитном поле планеты. Другой кандидат на механизм разогревания: 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.

3. Магнитосфера

     И своей магнитосферой, и магнитным полем, сильно наклонённым на 47° относительно его оси вращения, и распространяющегося на 0,55 от радиуса планеты (приблизительно 13500 км), Нептун напоминает Уран. До прибытия к Нептуну «Вояджера — 2» учёные полагали, что наклонённая магнитосфера Урана была результатом его «бокового вращения». Однако после сравнения магнитных полей этих двух планет учёные теперь 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 μT в течении магнитного момента 2,16×10¹⁷ Tm³. Магнитное поле Нептуна имеет комплексную геометрию, которая включает относительно большие отклонения от не биполярных компонентов, включая сильный квадрупольный момент, который по мощности может превышать дипольный. В противоположность — 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.

4. Кольца

     Рис.5. 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, которые наиболее вероятно придаёт им красноватый оттенок. В систему колец Нептуна входит 5 компонентов. Относительно узкое, самое внешнее, расположенное в 63 тысячах километров от центра планеты — кольцо Адамса; кольцо Леверье на удалении в 53000 километров от центра и более широкое; более слабое кольцо Галле на расстоянии в 42000 километров. Слабое продление кольца Леверье наружу называется Лассел, и оно ограничено своим внешним краем — кольцом Араго — на расстоянии в 57000 километров. Первое кольцо Нептуна было обнаружено в 1968 году командой астрономов во главе с Эдвардом Гайненом. Но позже считалось, что это кольцо могло быть неполным, дефектным. Такое мнение возобладало после наблюдения за покрытием колец звездой в 1984 году, когда кольца затмили звезду во время её входа в тень, а не по выходу из неё. Изображения «Вояджера-2» от 1989 года уладили эту проблему, поскольку было обнаружено ещё несколько слабых колец, но с достаточно массивной структурой. Причина этого так и не выяснена до сих пор, но это могло произойти из-за гравитационного взаимодействия с маленькими спутниками на орбите поблизости от колец. Наиболее удалённое кольцо Адамс, как теперь известно, содержит 5 «дужек» под названием: «Храбрость», «Liberté», «Egalité  1», «Egalité  2», и «Fraternité» (Свобода, равенство и братство). Существование этих дуг было трудно объяснить, потому что законы механики предсказывают, что дуги должны были бы за достаточно короткий момент времени соединиться в однородное кольцо. Считалось, что в таком положении дуги удерживает гравитационный эффект спутника Нептуна — Галатеи, которая обращается вокруг Нептуна вблизи от внутренней границы кольца Адамса. Однако новые исследования показывают, что влияние гравитации Галатеи недостаточно для того, чтобы удерживать материал колец в том положении, в котором он находится сейчас. Наблюдаемые результаты можно объяснить присутствием ещё одного спутника Нептуна, который может иметь достаточно малый размер (до 6 км), и вследствие этого может быть ещё не открыт. Наблюдения с поверхности Земли, опубликованные в 2005 году, показали, что кольца Нептуна намного более непостоянны, чем ранее мыслилось. Изображения, полученные обсерваторией Кек (Гавайские острова) в 2002 и 2003 году показывают значительные перемены по сравнению с изоображениями «Вояджера-2». В частности, кажется что дуга «Liberté» может исчезнуть всего через столетие.

3. 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.

     Рис.6. 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). Максимальная зарегистрированная скорость ветра на Нептуне достигала 2000 км/с, что является рекордом для Солнечной системы. 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 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.