海王星(Neptune)是太陽(yáng)系中的第八顆行星，也是國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)認(rèn)可的太陽(yáng)系中距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的行星。它在太陽(yáng)系中擁有第四大的直徑、第三大的質(zhì)量，是密度最大的氣態(tài)巨行星。海王星的質(zhì)量是地球的17倍，略高于它的”雙胞胎”天王星。與天王星相比，海王星的密度更高，體積較小，這是因?yàn)樗蟮馁|(zhì)量導(dǎo)致更多的引力對(duì)大氣的壓縮作用。這顆行星主要由氣體和液體組成，沒(méi)有明確的固體表面可言。海王星每164.8年繞太陽(yáng)一次，平均距離為30.1天文單位（45億公里）。它以羅馬神話(huà)中的海神命名，其象征為天文符號(hào)中的三叉戟?。
海王星是一顆肉眼無(wú)法觀測(cè)到的行星，實(shí)際上，它是太陽(yáng)系中唯一通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算而非經(jīng)驗(yàn)觀測(cè)而被發(fā)現(xiàn)的行星。它的存在是基于對(duì)天王星軌道的異常變化所做的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)，這些變化被認(rèn)為是由未知行星的引力攝動(dòng)所導(dǎo)致的。最終，海王星的位置是由約翰·庫(kù)奇·亞當(dāng)斯和烏爾班·勒維里爾兩人各自獨(dú)立計(jì)算出來(lái)的。約翰·加勒于1846年9月23日首次用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到海王星，其位置與勒維里爾的預(yù)測(cè)相當(dāng)吻合。隨后不久，海王星最大的衛(wèi)星，即海衛(wèi)一，也被發(fā)現(xiàn)。然而，在20世紀(jì)之前，沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡定位出這顆行星的剩余13顆已知衛(wèi)星。由于海王星與地球的距離非常遙遠(yuǎn)，因此它在天空中的視直徑非常小，這使得使用地球上的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行詳細(xì)研究具有極大挑戰(zhàn)性。1989年，旅行者2號(hào)探測(cè)器才飛越海王星，成為迄今為止唯一一次探訪海王星的太空探測(cè)器。近年來(lái)，有了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以及配備自適應(yīng)光學(xué)元件的大型地面望遠(yuǎn)鏡，這些儀器使我們能夠更詳細(xì)地觀測(cè)這顆遙遠(yuǎn)的行星。
海王星的大氣層與其他氣態(tài)巨行星（如木星和土星）相似，主要由氫和氦組成，同時(shí)含有微量的碳?xì)浜涂赡艿牡２贿^(guò)，與其他氣態(tài)巨行星相比，海王星的大氣層中含有更高比例的冰，包括水、氨和甲烷。此外，海王星的內(nèi)部主要由冰和巖石組成，因此它通常被歸類(lèi)為“冰氣態(tài)巨行星”，以與其他氣態(tài)巨行星區(qū)分開(kāi)來(lái)。海王星呈現(xiàn)出藍(lán)色的外觀，這一特征部分得益于大氣層中甲的存在，特別是在最外層區(qū)域。這些甲烷在陽(yáng)光下發(fā)生瑞利散射，導(dǎo)致了海王星呈現(xiàn)出藍(lán)色的外觀。最新來(lái)自雙子座天文臺(tái)的數(shù)據(jù)表明，海王星的藍(lán)色比天王星更加飽和，部分原因是由于海王星大氣層中更活躍的薄霧層。
相對(duì)于天王星的朦朧和相對(duì)沒(méi)有特征的大氣層，海王星的大氣層表現(xiàn)的更加活躍。在1989年旅行者2號(hào)探測(cè)器飛越時(shí)，南半球出現(xiàn)了一個(gè)巨大的黑斑，類(lèi)似于木星上的大紅斑。2018年發(fā)現(xiàn)并研究了一個(gè)新的主黑斑以及一些較小的黑點(diǎn)。這些氣象現(xiàn)象表明海王星的大氣層存在著豐富多彩的變化。海王星的天氣模式是由整個(gè)太陽(yáng)系中最強(qiáng)烈的持續(xù)風(fēng)驅(qū)動(dòng)的。根據(jù)記錄，海王星大氣中的風(fēng)速可高達(dá)每小時(shí)2,100公里（580米/秒）。這一強(qiáng)烈的風(fēng)系統(tǒng)在海王星的大氣中不斷地引發(fā)動(dòng)態(tài)變化。由于距離太陽(yáng)極遠(yuǎn)，海王星的外層大氣是太陽(yáng)系中最寒冷的，其云層頂部的溫度降至約55K（相當(dāng)于-218°C或-361°F）。然而，行星核心的溫度則遠(yuǎn)高于此，達(dá)到約5,400K（5,100°C）。海王星擁有一個(gè)微弱而分散的環(huán)系統(tǒng)，通常被稱(chēng)為“弧環(huán)”。這一環(huán)系統(tǒng)在1984年首次被觀測(cè)到，后來(lái)被旅行者2號(hào)探測(cè)器所證實(shí)。
基本參數(shù)
起源與演化
海王星和天王星這兩顆冰質(zhì)氣態(tài)巨行星的形成一直是一個(gè)難以精確模擬的謎題。截至2023年10月的模型表明，太陽(yáng)系外部區(qū)域的物質(zhì)密度過(guò)低，無(wú)法用傳統(tǒng)的核心吸積方式來(lái)解釋這些龐大天體的形成。因此，人們提出了多種假說(shuō)來(lái)解釋它們的起源。其中一種假說(shuō)認(rèn)為，冰巨星的形成不是通過(guò)核心吸積而來(lái)，而是源于原行星盤(pán)內(nèi)的不穩(wěn)定性。隨后，這些行星的大氣層受到了附近一顆質(zhì)量巨大的OB型恒星的輻射壓力，部分物質(zhì)被炸飛，其中一部分形成了天王星和海王星。另一個(gè)假說(shuō)則提出，這些行星約在45億年前在距離太陽(yáng)更近的地方形成，那里的物質(zhì)密度更高，然后在氣態(tài)原行星圓盤(pán)被移除之后，約40億年前它們遷移到了它們當(dāng)前的軌道上。這種形成后遷移的理論得到了支持，因?yàn)樗芨玫亟忉屧诳缭胶Ｍ跣菂^(qū)域觀察到的小型天體的構(gòu)成比例。其中最為廣泛接受的解釋被稱(chēng)為尼斯模型，它詳細(xì)探討了海王星的遷移和其他氣態(tài)巨行星對(duì)柯伊伯帶結(jié)構(gòu)的影響。
根據(jù)尼斯模型，太陽(yáng)系的四顆巨大行星（木星、土星、天王星和海王星）最初形成在比它們現(xiàn)在的軌道更接近太陽(yáng)的初始軌道上，大約在5.5到17天文單位（AU）之間。在它們外側(cè)，有一個(gè)包含大量小天體（由巖石和冰組成）的外盤(pán)，延伸到35天文單位（AU），總質(zhì)量約為35個(gè)地球質(zhì)量。外盤(pán)內(nèi)的小天體不斷受到最外面的巨大行星的引力影響，并與行星交換角動(dòng)量，導(dǎo)致它們改變軌道并向內(nèi)移動(dòng)，行星則向外移動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，這個(gè)過(guò)程一次次地重復(fù)，導(dǎo)致天王星、海王星和土星的軌道大規(guī)模向外遷移。小天體最終與最內(nèi)側(cè)的巨大行星木星發(fā)生引力相互作用。木星的強(qiáng)大引力可以將這些小天體送到高度偏心的軌道上，甚至有些被拋出太陽(yáng)系，而木星本身也略微向內(nèi)遷移。在數(shù)億年的時(shí)間里，木星和土星達(dá)到了1:2的平均運(yùn)動(dòng)共振，導(dǎo)致它們的軌道偏心率增大，使太陽(yáng)系的穩(wěn)定性受到威脅，巨大行星的排列也發(fā)生了劇烈變化。最終，木星和土星趨向了它們現(xiàn)在的穩(wěn)定軌道。天王星和海王星的軌道則受到土星引力的影響而發(fā)生了變化，并最終到達(dá)現(xiàn)在的公轉(zhuǎn)軌道。
發(fā)現(xiàn)與命名
命名
海王星最初被簡(jiǎn)單地稱(chēng)為“天王星的外行星”或“奧本·勒維耶的行星”。第一個(gè)命名建議是由加勒提出的，他提出了“Janus”這個(gè)名字。在英國(guó)，威爾士親王查爾斯提出了“Oceanus”這個(gè)名字。而在法國(guó)，勒維耶為這顆新行星提議了“Neptune”的名字。之后，他還試圖以自己的名字“Le Verrier”命名這顆行星，得到了法國(guó)天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)弗朗索瓦·阿拉戈（Fran?ois Arago）的支持。當(dāng)時(shí)，法國(guó)歷書(shū)使用“Leverrier”這個(gè)名字來(lái)指代海王星。1846年12月29日，瓦西里·斯特魯維（Stuve）向圣彼得堡科學(xué)院提議支持使用“海王星”這個(gè)名字。很快，海王星成為國(guó)際公認(rèn)的名字。在羅馬神話(huà)中，Neptune是海神，與希臘神話(huà)中的Poseidon相對(duì)應(yīng)。值得一提的是，所有八大行星都以希臘和羅馬神話(huà)中的神靈命名。
絕大多數(shù)語(yǔ)言都采用“Neptune”名稱(chēng)的某種變體來(lái)表示海王星。在中文、越南語(yǔ)、日語(yǔ)和朝鮮語(yǔ)中，這顆行星的名字被翻譯為“海王星”。而在蒙古語(yǔ)中，海王星被稱(chēng)為Dalain van（Далайн ван），與其同名的神是海洋的統(tǒng)治者。在現(xiàn)代希臘語(yǔ)中，這顆行星被稱(chēng)為Poseidon（Ποσειδ?να?，Poseidonas），是Neptune的希臘語(yǔ)對(duì)應(yīng)詞。在希伯來(lái)語(yǔ)中，這顆行星被稱(chēng)為Rahab（???），這個(gè)名字來(lái)源于圣經(jīng)中提到的海怪，在2009年由希伯來(lái)語(yǔ)言學(xué)院的一次投票中被選為海王星的正式名稱(chēng)。在毛利語(yǔ)中，這顆行星被稱(chēng)為T(mén)angaroa，以毛利人的海神命名。在納瓦特爾語(yǔ)中，這顆行星被稱(chēng)為T(mén)lāloccītlalli，以雨神Tlāloc命名。而在泰語(yǔ)中，海王星以其西化的名稱(chēng)Dao Nepchun/Nepjun (?????????)來(lái)稱(chēng)呼，但也有人稱(chēng)之為Dao Ket (???????)，意為“點(diǎn)亮Ketu之星”。
發(fā)現(xiàn)
在1612年12月28日和1613年1月27日，伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）觀測(cè)到了海王星，并在記錄中標(biāo)出了一些與現(xiàn)在已知的海王星在這些日期的位置相符的記錄點(diǎn)。這些觀測(cè)記錄代表著有史以來(lái)最早使用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的關(guān)于海王星的觀測(cè)。然而，伽利略·伽利雷錯(cuò)誤地將海王星誤認(rèn)為是一顆位于木星附近的恒星，因此他沒(méi)有被認(rèn)可為海王星的發(fā)現(xiàn)者。在1612年12月的第一次觀測(cè)中，海王星幾乎在天空中靜止不動(dòng)。這是因?yàn)樵谀且惶欤Ｍ跣莿倓傞_(kāi)始了其每年的逆行運(yùn)動(dòng)周期，而行星的運(yùn)動(dòng)變化非常微小，以至于伽利略·伽利萊使用的小型望遠(yuǎn)鏡無(wú)法察覺(jué)到其位置的變化。1795年5月，J. J.德·拉蘭德（J.J. de Lalande）也通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了海王星，但同樣將其誤認(rèn)為是一顆恒星。
在1781年發(fā)現(xiàn)了天王星之后，它的觀測(cè)軌跡一直偏離了根據(jù)萬(wàn)有引力定律所預(yù)測(cè)的軌道位置。這引發(fā)了天文學(xué)家的猜測(cè)，認(rèn)為可能存在更遙遠(yuǎn)的行星干擾了天王星的軌道。于是，在1845年，英國(guó)劍橋大學(xué)的約翰·柯西·亞當(dāng)斯（John Couch Adams）和法國(guó)巴黎天文臺(tái)的于爾班·讓·約瑟夫·勒維耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）分別獨(dú)立計(jì)算出這顆假設(shè)行星的軌道、質(zhì)量及預(yù)期位置。隨后，于1846年9月23日晚，德國(guó)柏林天文臺(tái)的約翰·戈特弗里德·加勒（Johann Gottfried Galle）在勒維耶預(yù)測(cè)的位置附近成功發(fā)現(xiàn)了海王星，當(dāng)時(shí)它所在的位置與勒維耶的推算位置相差無(wú)幾。因此，海王星成為太陽(yáng)系八大行星中唯一通過(guò)純天文理論計(jì)算預(yù)測(cè)位置后被觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的行星，在天文學(xué)史上被稱(chēng)為“筆尖上的發(fā)現(xiàn)”。
物理特性
海王星的質(zhì)量約為1.0243×10^26千克，位于地球和較大的氣態(tài)巨行星之間，它是地球質(zhì)量的17倍，但只有木星質(zhì)量的1/19。海王星的表面重力加速度為11.27米/秒2（壓力為1巴時(shí)），相當(dāng)于地球表面重力的1.14倍，僅次于木星。而海王星的赤道半徑約為24,764公里，幾乎是地球半徑的四倍。海王星和天王星與木星、土星相比，相對(duì)較小且揮發(fā)物濃度更高，所以海王星和天王星被歸類(lèi)為冰巨星，屬于巨行星的一個(gè)亞類(lèi)。在尋找太陽(yáng)系外行星時(shí)，海王星通常被用作代名詞：發(fā)現(xiàn)的類(lèi)似質(zhì)量的外層空間天體常被稱(chēng)為“海王星”，就像科學(xué)家將各種類(lèi)似太陽(yáng)系外天體稱(chēng)為“木星”一樣。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
海王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與天王星相似。它的大氣層約占其質(zhì)量的5%至10%，并且可能向核心延伸10%至20%。大氣中的壓力極高，達(dá)到約10GPa，相當(dāng)于地球大氣層壓力的10萬(wàn)倍。在大氣的較低區(qū)域，甲烷、氨和水的濃度逐漸增加。海王星的地幔相當(dāng)于10至15個(gè)地球質(zhì)量，富含水、氨和甲烷。按照行星科學(xué)的傳統(tǒng)，這種混合物被稱(chēng)為冰，盡管它實(shí)際上是一種高溫高密度的流體，有時(shí)被稱(chēng)為水-氨海洋，因?yàn)樗哂泻芨叩膶?dǎo)電性。地幔可能包括一個(gè)離子水層，其中水分子分解成氫和氧離子的混合物，以及更深的超離子水層，其中氧結(jié)晶而氫離子在氧晶格內(nèi)自由移動(dòng)。在大約7,000公里的深度，甲烷可能分解成鉆石晶體，就像鉆石雨一樣向下降落。科學(xué)家認(rèn)為，類(lèi)似的現(xiàn)象也可能發(fā)生在木星、土星和天王星上。根據(jù)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超高壓實(shí)驗(yàn)，地幔的頂部可能是液態(tài)碳的海洋，上面漂浮著漂浮的固體"鉆石"。海王星的核心可能由鐵、和硅酸鹽組成，內(nèi)部模型的質(zhì)量約為地球的1.2倍。核心的壓力達(dá)到了7兆巴（700 GPa），大約是地球核心壓力的兩倍，溫度可能高達(dá)5,400 K。
大氣情況
海王星的大氣層在高海拔地區(qū)主要由氫和氦組成，氫占80%，氦占19%，此外還有微量的甲烷。甲烷在大氣中的吸收光譜中，在波長(zhǎng)高于600nm時(shí)產(chǎn)生明顯的吸收帶。這種甲烷的吸收是導(dǎo)致海王星呈現(xiàn)藍(lán)色外觀的一部分。海王星的大氣可分為兩個(gè)主要區(qū)域：對(duì)流層和平流層。對(duì)流層下部的溫度隨著高度的增加而下降，而平流層中的溫度則隨高度的增加而上升。這兩者之間的邊界，也就是對(duì)流層頂，位于0.1巴（10kPa）的壓力下。隨后，平流層在壓力10?5至10 ?4 巴的位置逐漸過(guò)渡為熱層，熱層則最終過(guò)渡為外逸層。根據(jù)模型，海王星的對(duì)流層具有不同成分的云帶，具體取決于高度。較高層次的云層的壓力低于1巴，適合甲烷凝結(jié)。在1到5巴（100至500 kPa）之間的壓力下，預(yù)計(jì)會(huì)形成氨和硫化氫云。在超過(guò)五巴的壓力下，云層可能由氨、硫化銨、硫化氫和水組成。在約50巴（5.0MPa）的深度處，可能存在更深的水冰云，溫度達(dá)到273K（0°C）。在更深的層次，可能存在氨和硫化氫云。已觀察到高空云層在下方不透明云層上投下陰影。此外，存在著高海拔的云帶，圍繞行星的恒定緯度環(huán)繞，寬度在50-150公里之間，距離云層約50-110公里。這些云層位于對(duì)流層，不會(huì)發(fā)生在較高的平流層或熱層。值得注意的是，2023年8月，海王星的云層突然消失，原因可能是與“太陽(yáng)耀斑”有關(guān)。科學(xué)家通過(guò)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，海王星的云活動(dòng)與太陽(yáng)周期有關(guān)，而不是與行星的季節(jié)有關(guān)。另外，海王星的光譜顯示，在平流層下部，由于甲烷的紫外光解產(chǎn)物（如乙烷和乙炔）的凝結(jié)，使得大氣變得朦朧。平流層還包含微量的一氧化碳和氫氰酸。由于碳?xì)浠衔餄舛容^高，海王星的平流層相對(duì)于天王星而言較溫暖。然而，仍有一個(gè)謎團(tuán)，即海王星的熱層處于異常高的溫度，大約為750K。由于海王星距離太陽(yáng)較遠(yuǎn)，不可能由太陽(yáng)紫外線輻射產(chǎn)生這種高溫。一個(gè)可能的加熱機(jī)制是大氣與行星磁場(chǎng)中的離子相互作用。另一個(gè)可能是來(lái)自?xún)?nèi)部的引力波，它們?cè)诖髿庵袀鞑ゲ⒆罱K被耗散。熱層中還含有微量的二氧化碳和水，這些物質(zhì)可能來(lái)自外部源頭，如石隕石和塵埃。
氣候
海王星的天氣極其活躍，其中的風(fēng)暴系統(tǒng)表現(xiàn)得異常劇烈，其風(fēng)速甚至可以達(dá)到近600米/秒（2,200公里/小時(shí)），超過(guò)了音速。更值得注意的是，通過(guò)對(duì)持續(xù)云團(tuán)的觀察，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)風(fēng)速在不同位置之間變化巨大，從東向西的范圍從20米/秒到325米/秒不等。在云頂高度，赤道地區(qū)的風(fēng)速約為400米/秒，而在兩極附近為250米/秒左右。值得一提的是，海王星上的大部分風(fēng)都呈逆時(shí)針?lè)较颍磁c行星自轉(zhuǎn)相反。高緯度地區(qū)風(fēng)向呈正時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而低緯度地區(qū)風(fēng)向則呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這種風(fēng)向差異被解釋為一種稱(chēng)為“趨膚效應(yīng)”的現(xiàn)象，而非來(lái)自更深層次的大氣運(yùn)動(dòng)。在南緯70°處，風(fēng)速高達(dá)300米/秒。與天王星相比，海王星的氣象活動(dòng)要活躍很多。這一差異在1989年旅行者2號(hào)探測(cè)器飛越海王星時(shí)首次觀測(cè)到。旅行者2號(hào)飛越天王星時(shí)，并沒(méi)有觀察到類(lèi)似的天氣現(xiàn)象。海王星的赤道地區(qū)富含甲烷、乙烷和乙炔，豐度是兩極地區(qū)的10到100倍。科學(xué)家解釋這一現(xiàn)象是由赤道地區(qū)的上升流和兩極地區(qū)的沉降運(yùn)動(dòng)所引發(fā)的，因?yàn)閱渭兊墓饣瘜W(xué)過(guò)程無(wú)法解釋這種種類(lèi)分布的情況。另一個(gè)引人注目的特征是海王星南極的對(duì)流層上層比其余部分高出約10K，平均溫度大約為73K（-200°C）。這種溫度差異足以導(dǎo)致對(duì)流層中的甲烷從其他地方逃逸到極點(diǎn)附近的平流層中。這種相對(duì)的“熱點(diǎn)”是由于海王星的軸傾斜，使得南極在海王星年的最后四分之一或約40個(gè)地球年中暴露在太陽(yáng)照射下。當(dāng)海王星逐漸轉(zhuǎn)向太陽(yáng)的另一側(cè)時(shí)，南極將變得更加黑暗，而北極則會(huì)受到照射，導(dǎo)致甲烷的釋放從南極轉(zhuǎn)移到北極。這種季節(jié)性變化導(dǎo)致觀測(cè)到海王星南半球的云帶在大小和反射率上增加。這種季節(jié)性趨勢(shì)的周期極長(zhǎng)，需要四十年才能完成一次，因?yàn)楹Ｍ跣蔷哂新L(zhǎng)的軌道周期。
風(fēng)暴
1989年，美國(guó)航空航天局的旅行者2號(hào)探測(cè)器探測(cè)器在海王星上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異常巨大的風(fēng)暴系統(tǒng)，即大黑斑，其橫跨范圍達(dá)到了13,000公里×6,600公里（相當(dāng)于8,100英里×4,100英里 ）。這個(gè)反氣旋風(fēng)暴令人想起了木星上的大紅斑。大約五年后的1994年11月2日，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡未能在海王星上找到大黑斑的蹤跡。在發(fā)現(xiàn)大黑斑消失的同時(shí)，科學(xué)家們?cè)诤Ｍ跣堑?a href="/hebeideji/425067639712056282.html">北半球發(fā)現(xiàn)了一場(chǎng)與大黑斑類(lèi)似的新風(fēng)暴。
滑板車(chē)（英文：Scooter)，被發(fā)現(xiàn)時(shí)位于大黑斑的南面，由一群白色云團(tuán)組成。因?yàn)樗囊苿?dòng)速度比大黑斑更快，所以它被賦予了這個(gè)綽號(hào)。旅行者2號(hào)探測(cè)器發(fā)回的圖像顯示，還有其他云團(tuán)的移動(dòng)速度比滑行車(chē)更快。
小黑斑則是一場(chǎng)南部的颶風(fēng)風(fēng)暴，1989年旅行者2號(hào)靠近海王星期間達(dá)到了相當(dāng)強(qiáng)度。這個(gè)風(fēng)暴最初是完全黑暗的，但隨著旅行者2號(hào)探測(cè)器的接近，一個(gè)明亮的核心逐漸形成，并在大多數(shù)高分辨率的圖像中可見(jiàn)。2018年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并開(kāi)始研究一個(gè)新的主黑斑以及較小的黑點(diǎn)。最新的消息是，2023年，科學(xué)家首次對(duì)黑點(diǎn)進(jìn)行了地面觀測(cè)，以進(jìn)一步研究海王星上的黑點(diǎn)現(xiàn)象。
海王星的黑斑據(jù)信出現(xiàn)在對(duì)流層中，位于較亮的云層之下，因此它們看起來(lái)像是上層云層中的孔洞。這些黑斑因其穩(wěn)定持續(xù)數(shù)月的特性而被認(rèn)為是渦旋結(jié)構(gòu)。通常與黑斑相伴的是在對(duì)流層頂部周?chē)纬傻母髁燎页志玫?a href="/hebeideji/7265612045974159395.html">甲烷云伴云的持續(xù)存在表明，一些早期的黑點(diǎn)可能繼續(xù)以氣旋的形式存在，即使它們不再暗淡到可以觀測(cè)。但當(dāng)黑斑遷移到離赤道太近時(shí)，或者可能通過(guò)其他一些未知的機(jī)制，它們可能會(huì)消散。
內(nèi)部高溫
與天王星相比，海王星的天氣變化更加劇烈，部分原因是由于其內(nèi)部擁有更高的熱能。海王星的對(duì)流層上層區(qū)域溫度極低，達(dá)到了51.8K（-221.3°C）的低溫。在大氣壓等于 1 bar （100 kPa） 的深度，溫度為 72.00 K （?201.15 °C）。 在氣體層的更深處，溫度穩(wěn)步上升。海王星的內(nèi)部能量來(lái)源很小，而天王星內(nèi)部沒(méi)有散發(fā)出可測(cè)量的內(nèi)部熱量。 海王星是離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的行星，距離太陽(yáng)比天王星遠(yuǎn)50%以上，只接收到約天王星接受到陽(yáng)光的40%，但其內(nèi)部熱能足以驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)系中最快的行星風(fēng)。 根據(jù)其內(nèi)部的熱特性，海王星內(nèi)部的熱能可能是形成過(guò)程中殘留的熱量，這可以解釋其目前的情況。更為困難的是在保持兩顆行星之間明顯相似性的同時(shí)解釋天王星缺乏內(nèi)部熱量。
磁層
海王星的磁層與天王星相似，其磁場(chǎng)相對(duì)于自身的旋轉(zhuǎn)軸強(qiáng)烈傾斜，轉(zhuǎn)軸傾角達(dá)到47°，并且偏移了至少0.55個(gè)半徑，相當(dāng)于距離行星物理中心約13,500公里。在旅行者2號(hào)探測(cè)器飛掠海王星之前，有人曾假設(shè)天王星磁層的側(cè)向旋轉(zhuǎn)是其磁場(chǎng)傾斜的結(jié)果。但當(dāng)科學(xué)家們比較這兩顆行星的磁場(chǎng)時(shí)，他們認(rèn)為這種極端方向可能是行星內(nèi)部流動(dòng)的產(chǎn)物。這個(gè)磁場(chǎng)可能是由導(dǎo)電液體（可能是氨、甲烷和水的組合）在行星內(nèi)部中對(duì)流流動(dòng)從而引發(fā)了一種發(fā)電機(jī)效應(yīng)所產(chǎn)生的。
海王星的磁赤道磁場(chǎng)偶極分量約為14微特斯拉（0.14 G）。 海王星的偶極磁矩大約為2.2 × 10 17 T·m 3（14μT·RN3，其中RN代表海王星的半徑）。這個(gè)行星的磁場(chǎng)具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，其中包括了來(lái)自非偶極分量的相對(duì)較大的貢獻(xiàn)，這包括強(qiáng)度可能超過(guò)偶極矩的強(qiáng)四極矩。與之相比，地球、木星和土星只有相對(duì)較小的四極矩，它們的磁場(chǎng)相對(duì)于極軸的傾斜較小。海王星的巨大四極矩可能是由于行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)生成機(jī)制的幾何約束所導(dǎo)致的。
海王星的弓形沖擊現(xiàn)象發(fā)生在距離行星表面34.9倍行星半徑的地方，這時(shí)磁層開(kāi)始減緩太陽(yáng)風(fēng)的影響。磁層頂部是指磁層壓力與太陽(yáng)風(fēng)平衡的地方，通常位于距離海王星半徑的23到26.5倍處。而磁層的尾部則至少延伸到距離海王星半徑的72倍，甚至可能更遠(yuǎn)。
衛(wèi)星
海王星擁有著14顆已知的衛(wèi)星。其中，海衛(wèi)一是這些衛(wèi)星中最大的一顆，其質(zhì)量占據(jù)了海王星軌道上總質(zhì)量的99.5%以上， 是唯一一顆質(zhì)量足以使其成為球狀天體的衛(wèi)星。有趣的是，海衛(wèi)一的軌道是逆行的，這與太陽(yáng)系中其他大型行星的衛(wèi)星不同，這一特點(diǎn)表明它可能是被捕獲到海王星軌道上的天體，而不是在原地形成的。有學(xué)者認(rèn)為它可能曾經(jīng)是柯伊伯帶中的一顆矮行星。海衛(wèi)一與海王星的距離非常接近，以至于它被鎖定在同步自轉(zhuǎn)狀態(tài)，而且由于潮汐力的作用，它正在緩慢地向內(nèi)螺旋加速。根據(jù)估算，在大約36億年后，當(dāng)海衛(wèi)一達(dá)到所謂的羅氏極限時(shí)，它最終將會(huì)被潮汐力撕裂。值得一提的是，1989年時(shí)，海衛(wèi)一是太陽(yáng)系中已知測(cè)量到的最冷天體，其溫度估計(jì)僅為38K（-235°C）。
在海王星的衛(wèi)星家族中，第二顆被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星是海衛(wèi)二（Nereid），它是太陽(yáng)系中軌道最偏心的衛(wèi)星，具有0.7512的離心率，其距離海王星最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離是最近點(diǎn)的7倍。 1989年7月至9月，旅行者2號(hào)探測(cè)器探測(cè)器探測(cè)到了海王星的六顆衛(wèi)星。 其中，形狀不規(guī)則的海衛(wèi)八，自身質(zhì)量剛好處在臨界點(diǎn)不會(huì)被自身的重力拉成球形。 雖然是質(zhì)量第二大的海王星衛(wèi)星，但它的質(zhì)量只有海衛(wèi)一的0.25%。海王星最內(nèi)側(cè)的四個(gè)衛(wèi)星Naiad、Thalassa、Despina和Galatea的軌道位于海王星環(huán)內(nèi)。第二遠(yuǎn)的衛(wèi)星海衛(wèi)七（Larissa），最初是在1981年發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)它掩蔽了一顆恒星。當(dāng)時(shí)把這次掩星歸因于海王星環(huán)，但當(dāng)旅行者2號(hào)在1989年觀測(cè)海王星時(shí)，發(fā)現(xiàn)是Larissa造成的。2004年，宣布了五顆新的不規(guī)則衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)，這些衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)于2002年至2003年之間。2013年，通過(guò)結(jié)合哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的多張圖像，發(fā)現(xiàn)了一顆新的小衛(wèi)星，Hippocamp，它是迄今為止已知的最小的海王星衛(wèi)星。 這些衛(wèi)星都以羅馬神話(huà)中的海神命名，以配合海王星這一行星的名稱(chēng)。
海王星衛(wèi)星數(shù)據(jù)
海王星環(huán)
海王星擁有一組行星環(huán)，盡管相比土星而言，它們的質(zhì)量要小得多。這些環(huán)可能由富含硅酸鹽或碳基材料的冰顆粒構(gòu)成，這一成分可能使它們呈現(xiàn)出紅色的外觀。海王星的主要環(huán)系統(tǒng)包括三個(gè)主要部分，分別是距離海王星中心63000公里的狹窄的亞當(dāng)斯環(huán)（Adams），53000公里處的列維爾環(huán)（ILeVerrier）以及42000公里處的更寬、更昏暗的的加勒環(huán)（Galle）。列維爾環(huán)（ILeVerrier）的一個(gè)微弱外延部分被命名為拉塞爾環(huán)（Lassell）;它的外緣以57000公里的阿拉哥環(huán)（Arago）為界。
這些行星環(huán)的首次觀測(cè)可以追溯到1968年，當(dāng)時(shí)愛(ài)德華·吉南（Edward Guinan）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了它們。 然而，到了20世紀(jì)80年代初，對(duì)這些數(shù)據(jù)的深入分析以及新的觀測(cè)結(jié)果引發(fā)了對(duì)這一環(huán)是否完整的疑問(wèn)。 關(guān)于這一環(huán)可能存在間隙的觀察首次出現(xiàn)在1984年的一次恒星掩星事件中。在這次事件中，環(huán)在開(kāi)始時(shí)遮擋了一顆恒星，但在結(jié)束時(shí)沒(méi)有遮擋住恒星 ，這引發(fā)了對(duì)環(huán)的結(jié)構(gòu)和完整性的懷疑。1989年旅行者2號(hào)探測(cè)器的圖像通過(guò)顯示幾個(gè)微弱的弧環(huán)解決了這個(gè)問(wèn)題。最外層的環(huán)亞當(dāng)斯（Adams）包含五個(gè)突出的弧線，現(xiàn)在分別命名為Courage，Liberté，Egalité 1，Egalité 2和Fraternité（勇氣，自由，平等和博愛(ài)）。 這些弧環(huán)結(jié)構(gòu)的存在令人困惑，因?yàn)楦鶕?jù)運(yùn)動(dòng)定律的預(yù)測(cè)，它們本應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散成一個(gè)均勻的環(huán)。如今，天文學(xué)家估計(jì)這些弧環(huán)結(jié)構(gòu)的形成可能與位于環(huán)內(nèi)側(cè)的海衛(wèi)六（Galatea）的引力作用有關(guān)。 海衛(wèi)六（Galatea）的引力影響導(dǎo)致了這些拱形結(jié)構(gòu)的形成。
根據(jù)2005年公布的基于地球觀測(cè)的結(jié)果，似乎海王星環(huán)的不穩(wěn)定性要比之前預(yù)期的更加顯著。通過(guò)對(duì)2002年和2003年從W·M·凱克天文臺(tái)獲取的圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與旅行者2號(hào)的圖像相比，光環(huán)經(jīng)歷了相當(dāng)大的衰變。特別值得注意的是，自由弧（Liberté）可能在未來(lái)一個(gè)世紀(jì)內(nèi)消失。
海王星環(huán)數(shù)據(jù)
*Lassell 和Arago最初被確定為一個(gè)環(huán)，編號(hào)為1989N4R
軌道特性
軌道
海王星距離太陽(yáng)約45億公里（大約30.1個(gè)天文單位（AU）），平均軌道速度為5.45km/s，完成一次軌道運(yùn)行需要平均164.79年，但這個(gè)周期有大約±0.1年的波動(dòng)。它的近日點(diǎn)距離為29.81天文單位，而遠(yuǎn)日點(diǎn)距離為30.33天文單位。值得注意的是，海王星的橢圓軌道傾斜角為1.77°，略微傾斜于地球的橢圓軌道。2011年7月11日，海王星完成了自從1846年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)的第一次完整公轉(zhuǎn)，因?yàn)榈厍蛱幱谧约汗D(zhuǎn)軌道的不同位置，它并沒(méi)有出現(xiàn)在最初發(fā)現(xiàn)它的位置。
自轉(zhuǎn)
海王星的軸轉(zhuǎn)軸傾角為28.32°，與地球（23°）和火星（25°）相似，因此它經(jīng)歷著與地球相似的季節(jié)變化。然而，由于海王星的公轉(zhuǎn)周期非常長(zhǎng)，這意味著每個(gè)季節(jié)都會(huì)持續(xù)40個(gè)地球年。海王星的自轉(zhuǎn)周期（一天）大約為16.11小時(shí)。海王星的軸傾角與地球相似，所以在漫長(zhǎng)的一年中，它的一天的長(zhǎng)度變化并不明顯。由于海王星并非固體行星，它的大氣層經(jīng)歷著不同的自轉(zhuǎn)速度。在寬赤道區(qū)域，自轉(zhuǎn)周期約為18小時(shí)，比行星核心的自轉(zhuǎn)速度（16.1小時(shí)）慢。相反，在極地區(qū)域，自轉(zhuǎn)周期約為12小時(shí)。海王星的這種自轉(zhuǎn)速度的不均勻性是太陽(yáng)系中最顯著的，導(dǎo)致了海王星上強(qiáng)烈的緯向風(fēng)切變。
軌道共振
海王星的軌道對(duì)它周邊的的區(qū)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，這部分區(qū)域被稱(chēng)為柯伊伯帶。柯伊伯帶是一個(gè)由小冰世界組成的環(huán)，類(lèi)似于小行星帶，但規(guī)模更大，從海王星的軌道向外延伸至距離太陽(yáng)約55天文單位。 就像木星的引力塑造了小行星帶的結(jié)構(gòu)一樣，海王星的引力主導(dǎo)了柯伊伯帶的演化。在太陽(yáng)系的演化過(guò)程中，海王星的引力對(duì)柯伊伯帶的某些區(qū)域產(chǎn)生了不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了這個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，形成了一些缺口，其中一個(gè)例子就是在距離太陽(yáng)40到42個(gè)天文單位之間的區(qū)域。
柯伊伯帶中也存在一些天體，這些天體可以與海王星保持共振。當(dāng)海王星的公轉(zhuǎn)周期與某個(gè)天體的公轉(zhuǎn)周期形成精確的比例關(guān)系時(shí)，比如1:2或3:4，就會(huì)出現(xiàn)這種共振現(xiàn)象。舉例來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)天體每繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)兩圈，而海王星只繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈，那么當(dāng)海王星回到原點(diǎn)時(shí)，該天體只繞了半圈。柯伊伯帶中有超過(guò)200個(gè)天體與海王星形成了2:3的共振關(guān)系。這種共振中的天體每繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)3次，則海王星剛好繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)2次，這類(lèi)天體被稱(chēng)為plutinos，因?yàn)橐阎目乱敛畮?a href="/hebeideji/6471970801154077472.html">天體中最大的冥王星（Pluto,）就是其中之一。 盡管冥王星的公轉(zhuǎn)軌道經(jīng)常穿越海王星的公轉(zhuǎn)軌道，但2:3的共振關(guān)系確保它們永遠(yuǎn)不會(huì)相撞。此外，還存在一些較少見(jiàn)的共振關(guān)系，如3:4、3:5、4:7和2:5。
海王星的軌道上存在許多已知的特洛伊天體，它們位于太陽(yáng)-海王星L 4 和L 5 拉格朗日點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)分別位于海王星軌道上領(lǐng)先和落后的位置，是引力穩(wěn)定的地區(qū)。這些海王星的特洛伊天體可以看作是與海王星形成了1:1的共振關(guān)系。一些特洛伊天體的軌道非常穩(wěn)定，很可能是與海王星同時(shí)形成的，而不是后來(lái)被捕獲的。2008年LC18是第一個(gè)被確認(rèn)與海王星L5拉格朗日點(diǎn)相關(guān)的天體。此外，海王星還有一顆臨時(shí)的準(zhǔn)衛(wèi)星，被命名為（309239）2007 RW10。這個(gè)天體作為海王星的準(zhǔn)衛(wèi)星已經(jīng)存在了大約12500年，它將在接下來(lái)的12500年里保持這種動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。
觀測(cè)與探索
觀測(cè)
因?yàn)楹Ｍ跣桥c地球的距離遙遠(yuǎn)，其角直徑僅為2.2到2.4角秒，是太陽(yáng)系行星中最小的一個(gè)。當(dāng)前的視星等范圍在7.67至7.89之間，平均為7.78。這使得肉眼觀測(cè)幾乎不可能，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察，海王星呈現(xiàn)為一個(gè)小而藍(lán)色的圓盤(pán)，外觀與天王星相似。在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和帶有自適應(yīng)光學(xué)（AO）裝置的大型地面望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)之前，關(guān)于海王星的觀測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)有限。直到1997年，夏威夷開(kāi)始使用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了首次科學(xué)有用的海王星觀測(cè)。截至2023年9月，海王星正在接近近日點(diǎn)（距離太陽(yáng)最近的點(diǎn)），并且已經(jīng)觀測(cè)到其表面溫度升高，因此大氣活動(dòng)和亮度都有所增加。借助技術(shù)的進(jìn)步，帶有自適應(yīng)光學(xué)元件的地面望遠(yuǎn)鏡正在記錄越來(lái)越詳細(xì)的海王星圖像。在2004年和2005年，發(fā)現(xiàn)了五顆直徑介于38到61公里之間的新的海王星小衛(wèi)星。2013年，通過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了第十四顆衛(wèi)星。通過(guò)對(duì)海王星的射電頻段觀測(cè)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它有連續(xù)發(fā)射和不規(guī)則爆發(fā)兩種情況。這兩種情況都被認(rèn)為與海王星的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)有關(guān)。紅外光譜部分的觀測(cè)，海王星的風(fēng)暴在較冷的背景下顯得明亮，這使得人們能夠輕松跟蹤這些特征的大小和形狀變化。
探測(cè)
旅行者2號(hào)
1989年8月25日，美國(guó)航空航天局發(fā)射的旅行者2號(hào)探測(cè)器掠過(guò)海王星，這是人類(lèi)歷史上首次，也是截至到2023年9月到的唯一一次，使用空間探測(cè)器探測(cè)了海王星。這顆行星是旅行者2號(hào)探測(cè)器能夠訪問(wèn)的最后一個(gè)主要行星。旅行者2號(hào)以17.1米每秒的最低相對(duì)速度，在距離海王星約4827千米的地方掠過(guò)，為人類(lèi)首次揭示了這顆位于地球45億千米遙遠(yuǎn)之處的神秘行星的真實(shí)面貌。旅行者2號(hào)還發(fā)現(xiàn)了六顆全新的海王星衛(wèi)星，首次揭示了海王星擁有五個(gè)行星環(huán)，其中三個(gè)環(huán)相對(duì)暗淡，而另外兩個(gè)則相對(duì)明亮。此外，旅行者2號(hào)探測(cè)器還驗(yàn)證了海王星的周?chē)嬖谝粋€(gè)巨大的磁場(chǎng)，并發(fā)現(xiàn)這個(gè)磁場(chǎng)相對(duì)于行星中心有一定的偏移，呈現(xiàn)出與天王星磁場(chǎng)相似的傾斜角度。旅行者2號(hào)還精確測(cè)量了海王星的自轉(zhuǎn)周期，并發(fā)現(xiàn)了這顆行星擁有活躍的天氣系統(tǒng)。此外，旅行者2號(hào)還首次準(zhǔn)確測(cè)量了海王星的質(zhì)量，結(jié)果顯示海王星的質(zhì)量比之前的估算要低0.5%。這一發(fā)現(xiàn)否定了一直存在的有關(guān)未知行星X對(duì)海王星和天王星軌道產(chǎn)生影響的假設(shè)。而當(dāng)旅行者2號(hào)穿越海王星的環(huán)系時(shí)，它記錄下了環(huán)中微小粒子的撞擊事件。在離開(kāi)海王星時(shí)，旅行者2號(hào)探測(cè)器還成功地進(jìn)行了一次近距離探測(cè)海王星的衛(wèi)星——海衛(wèi)一，并在之后傳回了清晰的海衛(wèi)一圖像。
通過(guò)旅行者2號(hào)拍攝的海王星照片，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)海王星的南極地區(qū)環(huán)繞著兩條巨大的黑色風(fēng)云帶，它們的寬度約為4345千米。此外，海王星還存在一個(gè)龐大的風(fēng)暴區(qū)域，其面積相當(dāng)于整個(gè)地球，形成了一個(gè)類(lèi)似于木星大紅斑的巨大黑斑。這個(gè)黑斑以逆時(shí)針?lè)较蜓刂行妮S旋轉(zhuǎn)，每完成一次旋轉(zhuǎn)需要10天的時(shí)間。海王星的大部分地區(qū)都有極光，宛如地球的南北極一樣。海王星的大氣層異常不穩(wěn)定，其中包括大片由冰凍甲烷構(gòu)成的白云和廣泛的氣旋。這些氣旋的速度驚人，時(shí)速可達(dá)640千米。此外，在海王星的大氣層中，還存在著一層煙霧，這是由于陽(yáng)光照射大氣中的甲烷而形成的。這些發(fā)現(xiàn)揭示了海王星極為復(fù)雜和多樣化的大氣環(huán)境。
未來(lái)探測(cè)
國(guó)家航天局正在研發(fā)一對(duì)類(lèi)似旅行者探測(cè)器的星際探測(cè)器。這兩個(gè)探測(cè)器計(jì)劃于2024年發(fā)射，將分別選擇不同的路徑，以深入探索太陽(yáng)系的邊界。其中一個(gè)探測(cè)器的目標(biāo)是在2038年1月飛越海王星，它將緊貼海王星云頂掠過(guò)，距離云頂僅有1000公里的距離，并且可能攜帶一個(gè)大氣撞擊器，用于在接近海王星時(shí)釋放。隨后，這枚探測(cè)器將繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，穿越柯伊伯帶，前往太陽(yáng)系的邊緣。
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China to launch a pair of spacecraft towards the edge of the solar system.spacenews.2023-09-11