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海王星是遠日行星之一。按照同太陽的平均距離由近及遠排列,為第八顆行星。它的亮度僅為7.85等,只有在天文望遠鏡里才能看到它。由於它那熒熒的淡藍色光,西方人用羅馬神話中的海神——「尼普頓」的名字來稱呼它。

1 海王星 -簡介

海王星的大氣層以氫和氦為主,還有微量的甲烷。在大氣層中的甲烷,只是使行星呈現藍色的一部分原因。因為海王星的藍色比有同樣份量的天王星更為鮮豔,因此應該還有其他的成分對海王星明顯的顏色有所貢獻。海王星有太陽系最強烈的風,測量到的時速高達2,100公里。1989年航海家2號飛掠過海王星,對南半球的大黑斑和木星的大紅斑做了比較。海王星雲頂的溫度是-218 °C(55K),因為距離太陽系最遠,是太陽系最冷的地區之一。海王星核心的溫度約為7,000 °C,可以和太陽的表面比較,也和大多數已知的行星相似。

海王星在1846年9月23日被發現,是唯一利用數學預測而非有計劃的觀測發現的行星。天文學家利用天王星軌道的攝動推測出海王星的存在與可能的位置。迄今只有航海家2號曾經在1989年8月25日拜訪過海王星。在2003年,美國國家航空暨太空總署提出有如卡西尼-惠更斯計劃科學水準的海王星軌道探測計劃,但不使用熱滋生反應提供電力的推進裝置;這項計劃由噴射推進實驗室和加州理工學院一起完成。

2 海王星 -行星資料

< 質量><>
質量 (地球 = 1)1.7135e+01
赤道半徑 (km)24,746
赤道半徑 (地球 = 1)3.8799e+00
平均密度 (gm/cm^3)1.64
平均日距 (km)4,504,300,000
平均日距(地球 = 1)30.0611
自轉周期 (小時)16.11
公轉周期 (年)164.79
平均公轉速度 (km/秒)5.45
公轉軌道偏心率0.0097
自轉軸傾角(度)29.56
公轉傾角 (度)1.774
赤道表面重力 (m/秒^2)11.0
赤道逃逸速度 (km/秒)23.50
視覺幾何反射率0.41
星等 (Vo)7.84
平均雲層溫度-193 to -153°C
大氣壓 (巴)1-3
大氣成份氫85% 氦13% 甲烷2%

3 海王星 -歷史

發現

伽利略在1612年12月28日首度觀測並描繪出海王星,1613年1月27日又再次觀測,但因為觀測的位置在夜空中都靠近木星(在合的位置),這兩次機會伽利略都誤認海王星是一顆恆星。相信是恆星,而不相信自己的發現,是因為1612年12月第一次觀測的,海王星在留轉向退行的位置,因為剛開始退行時的運動還十分微小,以至於伽利略的小望遠鏡查覺不出位置的改變。

海王星勒維耶,用數學發現海王星的人
在1821年,Alexis Bouvard出版了天王星的軌道表, 隨後的觀測顯示出與表中的位置有越來越大的偏差,使得Bouvard假設有一個攝動體存在。在1843年約翰·柯西·亞當斯計算出會影響天王星運動的第八顆行星軌道,並將計算結果皇家天文學家喬治·艾里,他問了亞當斯一些計算上的問題,亞當斯雖然草擬了答案但未曾回復。

在1846年,法國工藝學院的天文學教師勒維耶,在得不到同袍的支持下,以自己的熱誠獨立完成了海王星位置的推算。但是,在同一年,約翰·赫歇耳也開始擁護以數學的方法去搜尋行星,並說服詹姆斯·查理士著手進行。

在多次躭擱之後,查理士在1846年7月勉強開始了搜尋的工作;而在同時,勒維耶也說服了柏林天文台的約翰·格弗里恩·伽勒搜尋行星。當時仍是柏林天文台的學生達赫斯特(Heinrich d'Arrest)表示正好完成了勒維耶預測天區的最新星圖,可以做為尋找新行星時與恆星比對的參考圖。在1846年9月23日晚間,海王星被發現了,與勒維耶預測的位置相距不到1°,但與亞當斯預測的位置相差10°。事後,查理士發現他在8月時已經兩度觀測到海王星,但因為對這件工作漫不經心而未曾進一步的核對。

由於有民族優越感和民族主義的作祟,使得這項發現在英法兩國餘波盪漾,國際間的與論最終迫使勒維耶接受亞當斯也是共同的發現者。然而,在1998年,史學家才得以重新檢視天文學家Olin Eggen遺產中的海王星文件(來自格林威治天文台的歷史文件,明顯是被Olin Eggen竊取近卅年,在他逝世之後才得重見天日),在檢視過這些文件之後,有些史學家認為亞當斯不應該得到如同勒維耶的殊榮。

命名

海王星海王星的衛星海衛八
發現之後的一段時間,海王星不是被稱為天王星外的行星就是勒維耶的行星。伽雷是第一位建議取名的人,他建議的名稱是Janus(羅馬神話中看守門戶的雙面神)。在英國,查理士將之命名為Oceanus;在法國,Arago建議稱為勒維耶,以回應法國之外強烈的抗議聲浪。法國天文年曆當時以赫歇耳稱呼天王星,相對於以勒維耶稱呼這顆新發現的行星。 同時,在分開和獨立的場合,亞當斯建議修改天王星的名稱為喬治,而勒維耶經由經度委員會建議以Neptune(海王星)作為新行星的名字。Struve 在1846年12月29日於聖彼得堡科學院挺身而出支持勒維耶建議的名稱。很快的,海王星成為國際上被接受的新名稱。在羅馬神話中的Neptune等同於希臘神話的Poseidon,都是海神,因此中文翻譯成海王星。 新發現的行星遵循了行星以神話中的眾神為名的原則,而除了天王星之外,都是在遠古時代就被命名的

中文的海王星翻譯回英文是sea king star, 在韓文、日文和越南文的漢字表示法都是海王星(韓文是해왕성)。

在印度,這顆行星的名稱是Varuna(Devanāgarī),也是印度神話中的海神,與希臘-羅馬神話中的Poseidon/Neptune意義是相同的。

4 海王星 -結構

質量和結構

海王星海王星和地球大小比較
海王星外觀為藍色,原由是其大氣層中的甲烷。海王星大氣層85%是氫氣,13%是氦氣,2%是甲烷,除此之外還有少量氨氣。

海王星可能有一個固態的核,其表面可能復蓋有一層冰。外面的大氣層可能分層。海王星表面溫度為攝氏-218度,表面風速可達每小時2000公里。

此外,海王星有磁場和極光。還有因甲烷受太陽照射而產生的煙霧。

海王星的赤道半徑為24750公里,是地球赤道半徑的3.88倍,海王星呈扁球形,它的體積是地球體積的57倍,質量是地球質量的17.22倍, 平均密度為每立方厘米1.66克。海王星在太陽系中,僅比木星和土星小,是太陽系的第三大行星。

因為她們質量較典型類木行星小,而且密度、組成成份、內部結構也與類木行星有顯著差別,海王星和天王星一起常常被歸為類木行星的一個子類:遠日行星(英文:en:ice giant)。在尋找太陽系外行星領域,海王星被用作一個通用代號,指所發現的有著類似海王星質量的系外行星,就如同天文學家們常常說的那些系外「木星」。

海王星大氣的主要成分是氫和著較小比例的氦,此外還含有痕量的甲烷。甲烷分子光譜的主吸收帶位於可見光譜紅色端的600 納米波長,大氣中甲烷對紅色端光的吸收使得海王星呈現藍色色調。

因為軌道距離太陽很遠,海王星從太陽得到的熱量很少,所以海王星大氣層頂端溫度只有-218 °C (55 K)。由大氣層頂端向內溫度穩步上升。和天王星類似,星球內部熱量的來源仍然是未知的,而結果卻是顯著的:作為太陽系最外部的行星,海王星內部能量卻大到維持了太陽系所有行星系統中已知的最高速風暴。對其內部熱源有幾種解釋,包括行星內核的放射熱源 ,行星生成時吸積盤塌縮能量的散熱,還有重力波對平流圈界面的擾動。

內部結構


海王星海王星內部結構
海王星內部結構和天王星相似。行星核是一個質量大概不超過一個地球質量的由岩石和冰構成的混合體。海王星地幔總質量相當於10到15個地球質量,富含水,氨,甲烷和其它成份。作為行星學慣例,這種混合物被叫作冰,雖然其實是高度壓縮的過熱流體。這種高電導的流體通常也被叫作水-氨大洋。大氣層包括大約從頂端向中心的10%到20%,高層大氣主由80%氫和19%氦組成。甲烷,氨和水的含量隨高度降低而增加。更內部大氣底端溫度更高,密度更大,進而逐漸和行星地幔的過熱液體混為一體。海王星內核的壓力是地球表面大氣壓的數百萬倍。通過比較轉速和扁率可知海王星的質量分佈不如天王星集中。

天氣和磁場

在海王星和天王星之間的一個區別是典型氣象活動的水平。1986年當旅行者2號航天器飛經天王星時,該行星視覺上相當平淡,而在1989年旅行者2號飛越期間,海王星展現了著名的天氣現象。海王星的大氣有太陽系中的最高風速,據推測源於其內部熱流的推動,它的天氣特徵是極為劇烈的風暴系統,其風速達到超音速速度直至大約 2,100km/h。在赤道帶區域,更加典型的風速能達到大約1,200km/h。

海王星旅行者2號所拍攝到的大黑斑

1989年,美國航空航天局的旅行者2號航天器發現了大黑斑,它是一個歐亞大陸大小的颶風系統。這個風暴類似木星上的大紅斑。然而在1994年11月2日, 哈勃太空望遠鏡在海王星上沒有看見大黑斑,反而在北半球發現了類似大黑斑的一場新的風暴。大黑斑失蹤的原因尚未知曉。一種可能的理論是來自行星核心的熱傳遞擾亂了大氣均衡並且打亂了現有的循環樣式。

滑行車(英文:Scooter)是位於大黑斑更南面的另一場風暴,是一組白色雲團。1989年,當它在旅行者2號造訪前的那幾個月被發現時,就被命名了這個綽號:因為它比大黑斑移動得更快。隨後圖像顯示出還有比滑行車移動得更快的雲團。小黑斑是一場南部的颶風風暴,在1989旅行者2號訪問期間強度排在第二位。它最初是完全黑暗的,但在"旅行者"接近過程中,一個明亮的核心逐漸形成,並且出現在大多數最高解析度的圖像上。2007年又發現海王星的南極比其表面平均溫度(大約為−200°C)高出約10°C。這樣高出10°C的溫度足以把甲烷釋放到太空,而在其它區域海王星的上層大氣層中甲烷是被凍結著的。這個相對熱點的形成是因為海王星的軌道傾角使得其南極在過去的40年受到太陽光照射,而一海王星年相當於165地球年。 隨著海王星慢慢地移近太陽,它南極將逐漸變暗,並且換成北極被太陽光照亮,這將使得甲烷釋放區域從南極轉移到北極。

5 海王星 -行星環

海王星海王星的圓環
這顆藍色行星有著暗淡的天藍色圓環,但與土星比起來相去甚遠。 當這些環由以愛德華Guinan為首的團隊發現時,曾被認為也許是不完整的。 然而,「旅行者2號」的發現表明並非如此。

這些行星環有一個特別的「堆狀」結構其起因目前不明,但也許可以歸結於附近軌道上的小衛星的引力相互作用。

認為海王星環不完整的證據首次出現在80年代中期,當時觀測到海王星在掩星前後出現了偶爾的額外「閃光」。旅行者2號在1989年拍攝的圖像發現了這個包含幾個微弱圓環的行星環系統,從而解決了這個問題。最外層的圓環,亞當斯,包含三段顯著的弧,現在名為「Liberté 」,「Egalité」和「Fraternité 「(自由、平等、博愛)。 弧的存在非常難於理解,因為運動定律預示弧應在不長的時間內變成分佈一致的圓環。目前認為環內側的衛星海衛六的引力作用束縛了弧的運動。

"旅行者"的照相機發現了其他幾個環。除了狹窄的、距海王星中心63,000千米的亞當斯環之外, 勒維耶環距中心53,000千米,更寬、更暗的伽勒環距中心42,000千米。勒維耶環外側的暗淡圓環被命名為拉塞爾;再往外是距中心57,000千米的Arago環。

2005年新發表的在地球上觀察的結果表明,海王星的環比原先以為的更不穩定。凱克天文台在2002年和2003年拍攝的圖像顯示,與"旅行者2號"拍攝時相比,海王星環發生了顯著的退化。特別是「Liberté」環,也許在一個世紀左右就會消失。

6 海王星 -衛星

海王星海王星(上面)和海衛一 (底部)
海王星有13顆已知的天然衛星。其中最大的、也是唯一擁有足夠質量成為球體的海衛一在海王星被發現17天以後就被威廉·拉塞爾發現了。與其他大型衛星不同,海衛一運行於逆行軌道,說明它是被海王星俘獲的,大概曾經是一個柯伊伯帶天體。它與海王星的距離足夠近使它被鎖定在同步軌道上,它將緩慢地經螺旋軌道接近海王星,當它到達洛希極限時最終將被海王星的引力撕開。海衛一是太陽系中被測量的最冷的天體,溫度為−235°C (38K)。

海王星第二個已知衛星(依距離排列)是形狀不規則的海衛二,它的軌道是太陽系中離心率最大的衛星軌道之一。 從1989年7月到9月,「旅行者2號」發現了六個新的海王星衛星。其中形狀不規則的海衛八以擁有在其密度下不會被它自身的引力變成球體的最大體積而出名。儘管它是質量第二大的海王星衛星,它只是海衛一質量的四百分之一。最靠近海王星的四個衛星,海衛三、海衛四、海衛五和海衛六,軌道在海王星的環之內。第二靠外的海衛七在1981年它掩星的時候被觀察到。起初掩星的原因被歸結為行星環上的弧,但據1989年「旅行者2號」的觀察,才發現是由衛星造成的。2004年宣布了在2002年和2003之間發現的五個新的形狀不規則衛星。由於海王星得名於羅馬神話的海神,它的衛星都以低等的海神命名。

7 海王星 -觀察

肉眼看不到海王星,其亮度介乎視星等+7.7和+8.0,比木星的伽利略衛星, 矮行星、穀神星和小行星、灶神星、智神星、虹神星、婚神星和韶神星都暗。在天文望遠鏡或優質的雙筒望遠鏡中,海王星顯現為一個小小的藍色圓盤,看上去與天王星很相似。藍色來自在於它大氣中的甲烷。它在視覺上的細小給研究造成了困難;多數從望遠鏡中獲得的數據是相當有限的,直到出現哈伯太空望遠鏡和大型地基望遠鏡與自適應光學技術才獲得改觀。 

8 海王星 -軌道與自轉

海王星的軌道周期(年)大約相當於164.79地球年。自從於1846年被發現至今,它還沒有繞軌道轉一整圈。海王星將於2011年7月12日回到繞日公轉軌道上它被發現時的那個點。由於地球處於其365.25天周期軌道的不同地點,屆時我們看到的海王星並不會處在它被發現時在天空中的那個位置。從地球上觀察,海王星沖日周期為367天,這些周期使它在2010年4月和7月以及2011年10月和11月接近1846年它被發現時的坐標。在2010年8月20日,海王星將於發現它的1846年中的同一天再度沖日。

海王星的自轉周期(日)大約是16.11小時。由於它的自轉軸傾角為28°,與地球(23°)相近,海王星日與地球日時間長度的不同與其漫長的年比起來就算不得什麼了。
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