Нептун - ледяной гигант-океан

Где-то далеко в космосе, на задворках нашей Солнечной системы находится красивейшая планета - голубой гигант Нептун. Издалека его можно даже спутать с Землей - глубокая аквамариновая окраска, бело-голубые облака, плывущие по поверхности, наклон оси вращения не слишком отличается от земного. Даже крупный, всегда обращенный к планете одной стороной спутник, где-то похож на нашу Луну.

Какой-нибудь уставший, изможденный странствиями по галактике космонавт будущего с близорукостью, сломанным компасом, пробитой астероидом системой навигации, глядя издалека на Нептун уже приготовится к мягкой посадке на зеленую травку. Ведь даже сила тяжести у поверхности Нептуна - почти земная! Однако, распахнув люк своего звездолета, незадачливому космонавту вместо уютной твердой Земли предстоит долгое падение в ледяные недра планеты-океана...

27 фото + 1 видео

Единственным земным аппаратом, побывавшем у Нептуна, был "Вояджер-2".
В конце января 1986 г. совершив гравитационный манёвр у Урана, спустя почти 9 лет своего космического путешествия, после посещения систем Юпитера и Сатурна, "Вояджер-2" выходит на финишную прямую к единственной планете Солнечной системы невидимой простым глазом. - До Нептуна ещё 3,5 года и почти 2 млрд. километров пути...

Полет "Вояджеров" (начиная от орбиты Марса)

Если вы откроете учебник астрономии годов издания эдак 1987-88, о Нептуне там будет буквально несколько строчек. - Период обращения вокруг Солнца, масса, радиус, да что атмосфера содержит водород и метан. Собственный период обращения оценивали весьма приблизительно - то в 15 часов, то в 19,5.

Были известны только 2 спутника - Тритон и Нереида.
О магнитосфере и наличии колец - вообще не было ничего известно.

До полета "Вояджера-2" лучшие наземные снимки Нептуна в инфракрасном (ИК)-диапазоне позволяли различить лишь большие, в четверть диска, светлые пятна. Сделать такие снимки стоило большого труда.
В видимом диапазоне рассмотреть какие-либо детали вообще не представлялось возможным.

Давайте попробуем посмотреть на нашу самую дальнюю планету глазами "Вояджера".

26 апреля 1989 г. - до Нептуна 5 месяцев.
"Вояджер-2" приближается к планете с южного, освещенного Солнцем, полюса. Двойное фото с расстояния 176 млн. км.
Второй снимок сделан спустя пять часов, - за это время планета повернулась на 100 градусов. Изображение справа имеет сетку широты и долготы для наглядности.

Третье фото с расстояния 57 млн. км, 16 июля.
Маленькое темное пятно в нижней части снимка вращалось быстрее, чем большое (ближе к экватору в левой части снимка). - Ветры на Нептуне имеют разные скорости на разных широтах - в верхнем облачном слое вдоль экватора могут достигать 1450 км/ч, на полюсах - до 900 км/ч. Причем, дуют они в разных широтных направлениях.

Большинство экваториальных ветров на Нептуне направлено к западу. Разумеется, относительно вращающейся к востоку, планеты. А вот ветра в полярных областях дуют как раз на восток.

Движение атмосферных потоков без учета вращения планеты

Но экваториальная скорость самой планеты настолько высока (9 720 км/ч), что как бы быстро ни дули на запад сверхураганные ветры, результирующая скорость всегда остается направленной к востоку. И Нептун вращается как и положено - с запада на восток (против часовой стрелки.)

Фото с дистанции 16 млн. км и 14,8 млн. км (14 августа).
Атмосфера планеты видна уже в бОльших подробностях. Большое Темное Пятно (БТП), видимое в центре, имеет размер около 13 000 км на 6 600 км - по длине это больше диаметра Земли.

О Большом Темном Пятне (БТП) Нептуна нужно сказать отдельно. - "Вояджер" обнаружил на Нептуне несколько темных пятен. Самое большое было заметное даже с расстояния в десятки миллионов километров. Ученые после некоторых раздумий и прикидок, какое бы незаезженное имя ему дать, назвали образование "Большим Темным Пятном".

По сути это огромный антициклон, вращавшийся против часовой стрелки и завершавший один оборот за 16 земных суток.
Скорости ветров вблизи пятна достигали огромной величины 2 400 км/ч! Это самые сильные планетарные ветра во всей Солнечной системе.

Удивительно, что по размеру БТП было сравнимо с Большим Красным Пятном Юпитера, - находилось в тех же умеренно южных широтах, и выглядело как аналогичное вихревое атмосферное образование.

Только если БТП Нептуна неслось к западу со скоростью 1 170 км/ч, то по сравнению с ним Красное пятно Юпитера ползет прямо-таки с черепашьей скоростью: его дрейф составляет всего 11 км/ч.

За короткое время пролета "Вояджера" Большое Темное Пятно значительно изменилось в размерах . А когда в 1994 г. (спустя 5 лет) телескоп "Хаббла" наблюдал Нептун, - пятно и вовсе исчезло. Правда, вместо него в северном полушарии планеты появилось другое темное пятно.

Атмосфера Нептуна состоит из водорода (~80%) и гелия (~19%).
Характерный голубой оттенок Нептуну придает метан (~1,5 %), - у него сильные полосы поглощения в красной части спектра. Хотя ученые предполагают, что такой глубокий тон окраске планеты придает ещё какое-то неизвестное химическое соединение. У того же Урана, с содержанием метана в атмосфере 2,3%, окраска несравненно бледнее.

В стратосфере Нептуна не жарко - 55К (-218°С). Много разных углеводородов - этана, ацетилена, этилена (продуктов ультрафиолетового фотолиза метана), циановодорода и угарного газа.

А вот в расположенной гораздо выше термосфере, аномально тепло +480°С. Если нашу термосферу разогревает порой до 3 000°С (особенно в периоды повышенной солнечной активности) ионизация ультрафиолетом атмосферного кислорода, то на Нептуне УФ-радиации для этого явно недостаточно.
Пока этот момент остается неясным..

Разница между первым и вторым фото - 17,6 часов. За это время БТП совершило чуть менее одного оборота Нептуна, меньшее темное пятно (его так и назвали Малое Темное Пятно) - чуть более одного поворота.

Третье фото - за 4 дня и 20 часов до максимального сближения с планетой. Скорость "Вояджера-2" - 19 км\с.


Это сообщение отредактировал GreenRediska - 31.01.2019 - 15:49

В тропосфере (слой под стратосферой) уже начинает теплеть - на верхней границе облачного слоя температура 72К (-200°С) и чем глубже, тем она будет выше.

Высота атмосферы может достигать 3—5 тыс. км, а давление на ее дне - 200 тыс. атмосфер. По-видимому, на дне нептунианской атмосферы находится океан из воды, насыщенной различными ионами. Однако границы между атмосферой и мантией-океаном не существует, одно постепенно переходит в другое.

Фото с 4,2 млн. км.
Оба темных пятна поближе. Яркое треугольное образование между ними, названное "Скутер", - метановое облако.

Это сообщение отредактировал GreenRediska - 31.01.2019 - 15:44

На Нептуне в 900 раз более низкая освещенность, чем на Земле. Однако, самые холодные области, всего 52 К (-221°С), лежат как раз на солнечной стороне планеты.

Тут надо сказать, что планета в тепловом отношении сидит как бы на самообеспечении. - Энергетические дотации Нептуну от Солнца, составляют всего 0,5 % от земных. При этом Нептун выделяет и излучает энергии в 2,7 раза больше того, что планета получает от звезды.
Пока механизм этого внутреннего энерговыделения тоже остается невыясненным.

До Нептуна - 590 000 км

2 часа до максимального сближения, 157 000 км.
Хорошо видимые тут облака, наблюдались на 29° с. ш. у восточного терминатора Нептуна. Ширина полос облаков - от 50 до 200 километров, а высота около 50 км.

Ось вращения Нептуна наклонена к плоскости его орбиты под углом 28,3 градусов. Это сравнимо с нашим, земным наклоном оси в 23.5 градуса. Так что на Нептуне происходят примерно такие же смены сезонов, как и на Земле.
Лето для южного полушария Нептуна началось в 2005 году.

Малое Темное Пятно вблизи

25 августа 1989 г. "Вояджер-2" максимально сближается с Нептуном в районе северного полюса планеты. - От поверхности облачного слоя аппарат отделяло 4 400 км.

Зонд передает на Землю 9 тыс. снимков Нептуна. Обнаруживает шесть новых спутников планеты: Наяду, Талассу, Деспину, Галатею, Лариссу и Протей.
По периодичности радиовсплесков от заряженных частиц находит точный период вращения Нептуна: 16,11 ч.

Обнаруживает магнитное поле, - не совсем обычное и наклоненное на 47° к оси вращения планеты. Будь у нас такое магнитное поле, был бы наш северный геомагнитный полюс где-нибудь в Караганде. Ну, хорошо, - в Южно-Сахалинске.

В тот же день "Вояджер" отправился к самому крупному спутнику планеты - Тритону.

На северном полюсе ничего было не видать, ибо полярная ночь, - поэтому комбинированное фото из пяти изображений южного полушария Нептуна.

Различимы пояса облаков и Большое Темное Пятно размером с Землю с тянущимися за ним белыми облаками, на 22° ю. ш. Расстояние от Большого Темного Пятна до южного полюса Нептуна - 27 200 км.

А пока "Вояджер" направляется к Тритону, вспомним про нашего космонавта, в самом начале вывалившегося из корабля на Нептун вместо Земли.
Итак, что бы он предположительно мог увидеть, шагнув из люка в тропосферу, где давление составляет около 1 атмосферы, как раз как на поверхности Земли?

Здесь, на высоте около 24 550 км (считая от центра Нептуна) располагается верхняя граница облачного метанового слоя, плывущего в водородно-гелиевом воздухе. Температура -200°С, ветрено.

Спустя 25 км, при давлении в 3 атмосферы, вероятно, расстилаются облака аммиака. Ещё ниже космонавту могут попадаются облака из кристаллов метана, сероводорода и сульфида аммония.

На глубине с давлением 50 атмосфер - наш нептуноплаватель начнет потихоньку отогреваться - температура около 0°С, - парят кристаллические облака водного льда, а глубже - и вовсе "тепленькая пойдет".

Ученые сходятся во мнении, что воды на Нептуне много. Вопрос в каком агрегатном состоянии она там находится с глубиной и ростом давления и температуры..

Границы между атмосферой и мантией, как уже говорилось, наш космонавт не увидит, - На глубине 4-5 тыс. км от поверхности где условно начинается мантия, при давлении 1 млн. атмосфер смесь воды, метана и аммиака может образовать твердые или газожидкие льды даже при очень высоких температурах - до 5 000 °С.

Здесь мы вплотную подходим к вопросу, почему Нептун и Уран выделяют в отдельный класс ледяных планет. - Отнюдь, не потому, что на них холодно.

У астрономов так бывает, что вроде бы простые понятные слова означают совсем не то, что у других людей. Если ученый говорит "лёд" - присмотритесь к нему повнимательней, - а не планетолог ли он, часом? У планетолога лёд - это не коньки, не бурение лунок на зимней рыбалке и не забытое в морозилке пиво. Лёд - это вода, метан, аммиак и некоторые другие летучие (в земных условиях) молекулярные соединения в любом агрегатном состоянии - газ, жидкость, лед, сверхкритическая жидкость, не важно.
(С металлами у астрономов такая же история. Для астронома "металлы" - это все, что не водород и не гелий.)

Наличие, как основных составляющих планеты, воды, аммиака, метана, сероводорода и определило Нептун и Уран, а также некоторые экзопланеты в отдельный класс - ледяные гиганты.
На долю ледяной мантии Нептуна приходится до 70% всей массы планеты, причем основная ее часть - вода.

"Пролетая" или вернее, "проплывая" сквозь мантию, наш космонавт может в прямом смысле увидеть небо в алмазах.
На глубине 7 000 км от поверхности давление и температура так велики, что углерод метана трансформируется в алмазные кристаллы, которые "падают" на ядро. Согласно одной из гипотез, имеется целый океан "алмазной жидкости".

Совсем недавно ученые смоделировали внутренние условия ледяных планет-гигантов на уровне 8 000 км ниже поверхности. Они использовали оптический лазер для создания ударных волн в полистироле.
В итоге, - действительно получили небольшие алмазные структуры шириной до нескольких нанометров. По прогнозам, на Уране и Нептуне алмазы станут намного больше, до миллиона каратов.

«Раньше исследователи только предполагали формирование алмазов. Когда я увидел результаты последнего эксперимента, это был один из лучших моментов моей научной карьеры!» – радостно сообщает Доминик Краус, автор исследования из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

Наноалмазы, растущие на полистирольной пленке. Изображение получено с помощью сканирующего электронного микроскопа.

А тем временем наш космонавт опускается все ниже. Преодолев 17 500 км атмосферы и мантии, он наконец достигает каменного ядра Нептуна размером как раз почти с Землю. Ядро Нептуна предположительно состоит из железа, никеля и силикатов и, как полагают, имеет массу в 1,2 раза больше, чем у Земли.
Давление в центре достигает 7 млн. атмосфер, а температура возможно, даже выше, чем на поверхности Солнца - 7000°С.

Теперь пусть наш космонавт проспится полежит пока на вожделенной "тверди" ядра, а мы вернемся к "Вояджеру", исследующему кольца и спутники Нептуна.

Кольца и спутники
На сегодняшний день у Нептуна насчитывается 14 спутников. 13 из них - ничем не примечательные ледяные булыжники, диаметром 50—200 км (Протей - 420 км). Половину из них Нептун, вполне вероятно, надергал себе из пояса Койпера. Остальная половина - обломочный материал от ранее существовавших спутников Нептуна. Они разрушились в результате столкновений, вызванных впёршимся в систему, как слон в посудную лавку, Тритоном.

Деспина (диаметр 150 км) над Нептуном.
Снимки сделаны с интервалом 9 минут

Что касается Тритона (диаметр - 2 700 км), то со всей очевидностью можно заявить, что этот спутник был захвачен Нептуном, а не образовался вместе с ним. - Он вращается по ретроградной орбите, т.е. в направлении противоположном вращению самого Нептуна.

Такая несуразная орбита через сотню миллионов лет приведет к разрушению Тритона. Как наша Луна с "нормальным" вращением удаляется от нас, так и Тритон в противоположность Луне, приближается к Нептуну. Где и будет разорван приливными силами гиганта.

Температура его поверхности всего 38К (-235°С), но при этом существует тончайшая азотная атмосфера. БОльшая часть поверхности покрыта азотным, водным и углекислотными льдами.

Вполне возможно, что и у Тритона есть внутренний океан, только не водный, а из смеси воды и аммиака, - температура недр вряд ли сильно превышает -100°С.

Снизу на фото — огромная южная полярная шапка, вероятно покрытая метановым льдом.
Но самое интересное - темные полосы в нижней части снимка. Они примерно параллельны друг другу и исходят из черных точек. Это так называемые криовулканы — выходы струй газов из недр, нечто вроде гигантских фумарол.

Размеры темных шлейфов криовулканов - десятки, иногда сотни километров. С газом летит нечто вроде сажи, что и откладывается в виде полос. Они формируются ветром, который ощутим даже в разреженной атмосфере Тритона. Вероятно, «фумаролы» действуют, когда из-за сезонного потепления нагреваются подповерхностные слои летучих веществ.

На высоте 15 километров они вдруг резко меняют направление под 90°, вероятно под действием ещё каких-то течений в атмосфере.

Художественное представление гейзеров Тритона

5 колец Нептуна чрезвычайно слаборазличимые и темные. - Вероятно, за счет высвобождения углерода из какой-то органики под действием бомбардировки заряженными частицами. БОльшая часть колец очень разреженная и пыльная (доля пыли в них составляет от 20% до 70%).

Внешнее кольцо - незамкнутое и состоит как бы из отдельных дуг-арок.
Хотя подобные дугообразные образования давно должны были соединиться в однородное кольцо, - этого не поисходит и дуги удивительно стабильны.
Предполагают, что в таком положении дуги удерживает гравитационное влияние двух спутников Нептуна - Галатеи и ещё какого-то, пока не открытого.

Увидеть кольца даже с «Вояджера» человек не смог бы. Телекамере аппарата понадобилась 10-минутная экспозиция, чтобы накопить достаточно света для изображения. Поэтому сам Нептун в центральной части изображения сильно «передержан» и закрыт.

Прощальный взгляд "Вояджера" на полумесяцы Нептуна и Тритона с расстояния 4,86 ​​млн. километров.
С такого ракурса Нептун люди ещё не видели (север находится справа).

Космический зонд уходит на юг (под 48° к плоскости эклиптики), к границам Солнечной системы.
А дальше... В 20 319 г. он пройдет в 3,5 св. годах от звезды Проксима Центавра.
В 296 036 г. "Вояджер-2" подойдет к Сириусу на расстояние 4,3 св. года.
Почти через миллион лет он уйдет от Солнца на расстояние 47,4 световых года..

Пока космических миссий к Нептуну не намечается. "Вояджер-2" направляется к звездам, а человечеству остается вести наблюдения за самой дальней планетой с Земли или околоземного пространства.

Снимки с ближайших к Нептуну после Вояджера аппаратов "Кассини" и "Новые горизонты" не слишком детализированы, мягко говоря.
(Спустя полтора месяца, 25 августа 2014 г., "Новые горизонты" в 25-ю годовщину сближения Вояджера с планетой, пересекает орбиту Нептуна.)

Фото с космического телескопа "Хаббл", 1994 г.
Быстрые изменения динамичной атмосферы Нептуна в октябре-ноябре 1994 года, когда Нептун находился на расстоянии 4.5 млрд. км от Земли.

Розовые облака на самом деле белые, просто сняты в ИК-диапазоне.

Фото телескопа "Хаббл", 1996, 1998 и 2002 г.
Сравнивая изображения, можно заметить, как возрастает количество белых облачных слоев в южном полушарии Нептуна в преддверии лета.

Фото Паломарской обсерватории в ИК-диапазоне, 1999 г.
Здесь снимки до и после применения адаптивной оптики, - зеркал изменяющих свою форму для компенсации влияния турбулентной атмосферы Земли на 5-метровом телескопе Хейла.

Фото в условных цветах Нептуна и Тритона. Паломарская обсерватория, 2003 г.
Ученые следят за погодой на планете.

Фото с телескопа "Хаббл" в оптике и ИК-диапазоне, 2011 г.
4 фото, сделанные с интервалом в 4 часа, охватывают один нептунианский день.
Видны метановые облака (розовым).

Совсем недавно, благодаря применению системы адаптивной оптики на Очень Большом Телескопе (VLT), - одной из мощнейших наземных систем для наблюдения за космосом, астрономы получили неплохие снимки Нептуна. 2018 г.

По качеству полученные изображения превосходят аналогичные снимки, сделанные космическим телескопом «Хаббл».
(Ну, что делать, за неимением другого зонда непосредственно у Нептуна, хоть такие снимки..)