Солнечная система

Глава X НЕПТУН

Широко известна история открытия Нептуна в 1846 г.: следуя вычислениям Урбена Леверье (1811—1877), его обнаружили Иоганн Готфрид Галле (1812—1910) и Генрих Луи Д’Арре (1822—1875). Но есть свидетельства, что его видели и раньше. За 234 года до фактического открытия Нептуна его заметил Галилей, наблюдая спутники Юпитера и фиксируя их положение относительно звезд. 28 декабря 1612 г. Галилей отметил рядом с Юпитером две звезды. Спустя месяц, 28 января 1613 г., он вновь сравнил их положение и записал в дневнике: «за неподвижной звездой следует другая, по той же прямой линии… которая наблюдалась вчера ночью, но тогда они отстояли дальше друг от друга». Только через 366 лет, когда современные исследователи заинтересовались, что же видел Галилей, выяснилось, что одной из «звезд» был Нептун.

Другая историческая запись относится к 1670 г., когда Джон Флемстид (1646—1719) нанес Нептун на карту, приняв его за звезду.

В августе 1989 г. аппарат США «Вояджер-2» вышел к Нептуну и провел большую программу наблюдений. Его сближение с планетой превратилось в торжество исследований космоса. По существу, миссия «Вояджера» привела к полному обновлению сведений обо всем семействе планет-гигантов. За время полета аппарат передал в целом 115 тыс. телевизионных снимков, в том числе 9 тыс. — в сближении с Нептуном.

Один из лучших снимков Нептуна, сделанных «Вояджером», приведен на рис. Планета имеет характерную аквамариновую окраску, еще более глубокого тона, чем у Урана. Это объясняется присутствием сильных метановых полос поглощения в красной части спектра. Метан в атмосфере Нептуна (как и у других планет-гигантов) составляет лишь малую примесь, около 1%. Атмосфера состоит главным образом из водорода и гелия, причем гелия больше, чем в атмосфере Урана: его доля около 15% или даже чуть больше (но заведомо меньше 25%). Почти все остальное — водород. Высота атмосферы может достигать 3—5 тыс. км., а давление на ее дне 200 кбар. Для перехода водорода в жидкомолекулярное состояние, как у Юпитера, этого недостаточно.

По-видимому, на дне нептунианской атмосферы находится океан из воды, насыщенной различными ионами. Предложенная для Урана (и, по-видимому, не подтвердившаяся) гипотеза «о горячем перемешивающемся водяном океане», оказывается справедливой для Нептуна. Если предварительные выводы правильны, Нептун окажется самым большим океаном в Солнечной системе. Один из сильных аргументов в пользу океана — это странное магнитное поле Нептуна.

Хотя в атмосфере планеты метан составляет лишь малую часть, полагают, что он в большом количестве входит в ледяную мантию планеты. При давлении около 1 Мбар смесь воды, метана и аммиака может образовать твердые или газожидкие льды даже при очень высоких температурах — от 2000 до 5000 К. На долю ледяной мантии приходится до 70% всей массы планеты, причем основная ее часть — вода.

Около 25% массы Нептуна приходится на его ядро, состоящее из окислов кремния, магния, железа и его сульфидов. Ядро должно включать также много хондритных материалов, которые в обилии присутствовали в протопланетном облаке на стадии формирования планет.

Теоретические модели позволяют представить несколько различных вариантов внутреннего строения Нептуна, выбирать между которыми можно только на основе экспериментальных данных. Типичная модель дает давление в центре планеты 6—8 Мбар и температуру в ядре около 7000 К. Критический параметр для всех моделей — безразмерный момент инерции планеты, который до «Вояджера» принимался равным 0,29. По результатам пролета его удалось уточнить (0,26), поэтому набор возможных моделей значительно сузился.

Своеобразие недр Нептуна проявляется в его тепловом излучении. Поток солнечного тепла у его орбиты в 2,46 раза меньше, чем вблизи Урана, а отражательные свойства обеих планет близки: в видимой части спектра они отражают около 85% падающего солнечного света, поэтому энергетический бюджет Нептуна очень невелик (полпроцента земного). Напомним, что Уран имеет весьма «спокойную» метеорологию. Но ожидание, что на Нептуне атмосферные течения будут еще слабее, не подтвердилось. Уже наземные измерения позволяли предположить, что Нептун выделяет значительный поток энергии. «Вояджер» показал, что этот поток намного (в 2,7 раза) больше того, что планета получает от Солнца. Температура теплового излучения Нептуна достигает 59,3 К, что даже выше, чем у Урана (59,1 К).

Те гипотезы, которые успешно объясняли большое тепловыделение у Юпитера и Сатурна, здесь не годятся. Предполагается, что значительный избыток тепла порождают хондритные материалы, выделяющие немало энергии в радиоактивном распаде.

Диск планеты не слишком богат деталями — ровный голубой фон со слабо выраженными поясами, несколько темных пятен и несколько групп очень светлых облаков. Возможно, «Вояджер» застал Нептун в не самом эффектном виде. Лучшие наземные снимки, полученные в начале 1980-х гг. с ПЗС-камерой в спектральной полосе поглощения метана 890 нм., позволяют различить большие, в четверть диска, светлые пятна. Это были расположенные высоко в атмосфере облака из твердых аэрозольных частиц неизвестного состава. Подобные же снимки были получены и в конце 1990-х гг. (Они требуют большого труда и применения новейших приборов и технологий, потому что даже в хороших астрономических условиях изображение Нептуна почти неразрешимо). На снимках, полученных с использованием новых методов, отчетливо виден темный экваториальный пояс планеты и две широкие полосы облаков в интервалах широт 30—70° в северном и южном полушариях.

Знакомясь с Ураном, мы узнали, что солнечное тепло — это практически единственный источник его энергии (собственное тепло дает вклад в суммарный тепловой поток не более 13%). Этой энергии слишком мало, чтобы возникли такие мощные явления, как циклоны. В отличие от Урана, атмосфера Нептуна обнаруживает значительную метеорологическую активность, причем характер циркуляции доказывает, что энергия приходит «снизу», из недр планеты, как на Юпитере и Сатурне. На Нептуне ветры несравнимо сильнее, чем на Уране. Одно из возможных объяснений состоит в том, что Уран уже отдал все запасенное тепло, а Нептун — еще нет. Таким образом, эти планеты-близнецы не слишком похожи.

В задачу «Вояджера» входило изучение Нептуна и окружающих его объектов — колец, спутников, пылевых частиц, магнитосферы. В максимальном сближении «Вояджер» отделяло от центра планеты 29240 км., а до поверхности облачного слоя оставалось всего 4900 км. Аппарат приближался к Нептуну со стороны освещенного Солнцем южного полушария планеты.

Одним из первых открытий «Вояджера» было странное образование на диске Нептуна, которое по аналогии с Большим красным пятном на Юпитере назвали «Большим темным пятном» (БТП). Его размер хотя и меньше, чем у юпитерианского пятна, но близок к размеру земного шара. Его форма не вполне постоянна. Угловая протяженность БТП практически та же, что и на Юпитере: долготная 38°, широтная 15°. Более того, БТП и находится на том же месте: 20°ю.ш., на широкой и самой светлой полосе («зоне», по аналогии с Юпитером), охватывающей широты от 5°с.ш. до 40°ю.ш., несимметрично относительно экватора.

По своей природе БТП — гигантский антициклон, вытянутый в долготном направлении. Расположенный в южном полушарии, он вращался против часовой стрелки и завершал один оборот за 16 земных суток (значительно дольше, чем на Юпитере). Антициклоническое движение БТП примерно соответствовало разности скоростей зональных течений с его северной и южной сторон, которые, обтекая, как бы вращали его. К тому же, Большое Темное Пятно уплывало к западу со скоростью 325 м/с.

БТП — зона повышенных давления и температуры. Но при наблюдении поля теплового излучения планеты БТП ничем не выделяется, в то время как Красное Пятно Юпитера хорошо видно на тепловых картах. Над центром Большого Темного Пятна порой появлялись яркие белые облака, которые висят высоко в прозрачной надоблачной атмосфере. Высоту белых облаков — от 50 до 100 км. — удалось найти по положению их теней на основном облачном слое. В отличие от БКП Юпитера, пятно на Нептуне имело ровное очертание. Над южным краем БТП постоянно присутствовал массив белых облаков, подобный облакам над горными вершинами Земли. По аналогии с горными облаками можно утверждать, что здесь имелись мощные восходящие потоки. На рис. видна широкая облачная полоса, появившаяся 21 августа 1989 г. над БТП. Она как бы разрезала пятно пополам.

Несмотря на все сходство БТП Нептуна с БКП Юпитера, время их существования несопоставимо: всего через полтора-два года БТП, по-видимому, исчезло. Следы его не обнаруживаются даже самыми изощренными средствами наземной астрономии. Зато появились другие подобные объекты.

Изучение метеорологических явлений на Нептуне оказалось сложным делом. Предсказанные для повторных наблюдений положения некоторых метеорологических объектов сплошь и рядом не оправдывались. Зачастую через сутки они оказывались на другой широте, а то и вовсе исчезали. Многие из деталей, по движению которых определялась динамика атмосферы, оказались «метеорологическими миражами»: через несколько часов они куда-то бесследно пропадали. Но и сравнительно крупные детали, которые наблюдались постоянно, тоже вызывали трудности в предсказании их положения. Второе по размерам темное пятно всего за одну неделю сместилось на 2000 км. к северу. При этом его период возрос на 30 мин. Светлое образование, получившее прозвище «скутер», отличалось особенно быстрым движением и за короткое время несколько раз изменяло свою форму.

Скорости движений в атмосфере Нептуна огромны. По отношению к самой вращающейся планете некоторые объекты смещаются на 2200 км. за 1 ч. По скорости ветров Нептун превосходит даже Сатурн. Уникальная особенность атмосферы Нептуна — движение атмосферы направлено к западу относительно вращающейся к востоку планеты. Но скорость вращения планеты настолько высока (2,7 км/с на экваторе), что результирующая скорость атмосферы всегда остается направленной к востоку. Иными словами, поскольку сверхураганные ветры дуют в сторону, обратную направлению вращения планеты, период вращения, найденный по движению облаков, получается длительнее истинного периода планеты. По сравнению с суперротацией Венеры — это противоположный случай.

Темные пояса, тоже расположенные несимметрично относительно экватора, выражены нечетко и охватывают широты от 6 до 25°с.ш. и от 45 до 70°ю.ш. Вокруг южного полюса Нептуна расположена облачная «полярная шапка», по яркости соответствующая полосе на широте 40°ю.ш. «Шапка» вблизи северного полюса неизвестна: там сейчас полярная ночь.

Самой низкой температурой на диске Нептуна, всего 52 К, отличаются подсолнечные широты, а самыми «теплыми», до 61 К, оказались районы полюсов и экватор. Простейшее объяснение заключается в том, что слегка нагревающийся газ поднимается, охлаждаясь, в подсолнечных широтах и растекается к экватору и к полюсу. Там он снова опускается и нагревается, сжимаясь. Температура, которую измеряют приборы, — это не температура газа, а главным образом температура аэрозольной среды, высота расположения которой в этих районах не одинакова.

Видимый облачный слой соответствует давлению 1,2—1,3 бар и среднему диаметру планеты 49100 км. На 50—100 км. выше видимого облачного слоя иногда наблюдались группы вытянутых облачных полос шириной по 50—200 км. с четкими тенями от них на основном облачном слое. Таков снимок, представленный на рис. Здесь можно видеть уходящую в ночь облачную гряду (типа земных перистых облаков) вблизи терминатора, расположенную примерно на широте БТП, но в северном полушарии. Такие облака появлялись перед заходом Солнца.

Природа надоблачной дымки другая. Расположенная выше основного облачного слоя, она наблюдалась над лимбом Нептуна в виде дуг над краем планеты. Скорее всего, дымка состоит из углеводородов, возникающих при фотолизе метана: этана С₂Н₆, ацетилена С₂Н₂, образующих слои на высоте 45—60 км., и этилена С₂Н₄ на высоте около 120 км.

Во время длившегося 49 мин. радиозахода аппарата за Нептун было проведено зондирование подоблачной атмосферы с помощью радиолуча «Вояджера». Луч неожиданно исчез, когда пересек уровень 3 бар. Это на 25 км. ниже верхней границы облаков. Скорее всего, здесь находится слой из аммиака.

«Магнитный штопор» Урана был открыт в 1986 г. и привлек своей необычностью. Но Нептун, с его «нормальным» положением полярной оси, казалось бы, должен и магнитное поле иметь «нормального» образца, вроде Земли или Сатурна. Но поле его оказалось очень похожим на «наклонный ротатор» Урана, лишь вдвое слабее. Если представить его, как обычно, в виде диполя, то угол между осью диполя и осью вращения Нептуна составит 47° (для Урана 59°). В результате ось диполя описывает в пространстве конус, ось которого отклонена почти на 30° от нормали к плоскости орбиты. В наши дни минимальный угол между образующей конуса и направлением на Солнце близок к 20°, причем к нему обращен южный магнитный полюс. (Такое «дипольное» приближение более или менее удовлетворительно для расстояний более четырех радиусов планеты. Ближе сильно сказываются недипольные составляющие).

Ось диполя сдвинута на 14 тыс. км. в сторону от центра планеты, а центр диполя смещен на 6 тыс. км. в южное полушарие. Поэтому напряженность магнитного поля у южного магнитного полюса в 10 раз выше, чем у северного, а в среднем у поверхности она близка к 0,13 Гс (в 2,5 раза меньше земной).

«Наклонный ротатор» Урана был в свое время воспринят как причуда природы. Но Нептун представил практически такой же самый наклонный ротатор, превратив его в закономерность.

Как и в случае с Ураном, во время сближения «Вояджера» с Нептуном радиовсплески от заряженных частиц долго не удавалось обнаружить. Их нашли за 8 дней до сближения, на расстоянии 864 тыс. км., в тот же день, когда аппарат достиг ударной волны (у границы магнитосферы и невозмущенного солнечного ветра). Прохождение ударной волны было настолько растянутым, что заняло больше часа (на Земле на это ушло бы 2 секунды). Причина оказалась именно в наклонном ротаторе: в этот момент южный полюс диполя был обращен к Солнцу. Поэтому аппарат двигался практически вдоль линий поля. Такая удача позволила получить подробные сведения о структуре полярных областей магнитосферы. За время ее пересечения магнитное поле изменило свое направление 5 раз. Из периодичности радиовсплесков удалось найти точный период вращения Нептуна: 16,11 ч.

Несколько раз удалось принять какие-то другие сигналы «спокойного» характера, которые приходили от самой планеты, а не из магнитосферы. Эти сигналы имели направленный характер. Они напоминают подобный же источник на Сатурне.

Особенности магнитного и гравитационного полей Нептуна привели к следующим выводам. Поле возбуждается в жидкой проводящей среде — в слое, который находится на расстоянии 0,5 радиуса планеты от центра, т.е. почти в том же слое, что и на Уране. Внутри жидкого слоя находится заведомо твердое ядро, в котором магнитное поле возбуждаться не может. Этим и объясняется своеобразный перекос поля Нептуна.

Радиальная протяженность проводящего слоя неизвестна. Над твердым ядром Нептуна расположен огромный, глобальный океан, электрические токи в котором возбуждают сложное по структуре магнитное поле с множеством полюсов. Каждый из компонентов высших порядков дает все меньшую напряженность, что и позволяет представить поле издали дипольным приближением.

Однако представления об океане противоречат выводам об устройстве Урана (см. раздел «Уран»), потому что найденные для Нептуна коэффициенты динамического сжатия α=0,01708 и J₂=0,003411 все же близки к двуслойной модели. Возможно, выводы, касающиеся Урана, требуют пересмотра.

Магнитосфера Нептуна с ее вытянутым хвостом обладает наименьшей плотностью заряженных частиц — всего один протон в 1 см³. Это в 3 раза меньше, чем у Урана, и в 3000 раз меньше по сравнению с Юпитером.

Все тела системы Нептуна (кольца и все спутники) находятся внутри его знакопеременной магнитосферы, за исключением спутника Нереида, которая посещает магнитосферу лишь один раз в год — таков ее орбитальный период.

Подобно другим планетам, в своем движении Нептун покрывает звезды, что происходит сравнительно часто. В 1968, 1981, 1983 и 1985 гг. при покрытиях отмечались странные явления. 22 июля 1985 г. на расстоянии примерно двух радиусов планеты свет звезды в течение 2 секунд был ослаблен на 30%. Похожие явления наблюдались и раньше, например в мае 1981 г., когда отмечалось 8-секундное уменьшение блеска звезды. Его зарегистрировали только с одной стороны от планеты, из чего был сделан вывод, что это спутник размером около 180 км. на орбите радиусом примерно 50000 км. Для такого открытия нужно необычайное везение, вероятность его меньше 1%. Тем не менее, «Вояджер» подтвердил существование этого спутника. Им оказалась Ларисса — тело диаметром около 190 км.

В других случаях результаты были сложнее. Покрытие 1985 г. наблюдалось из двух точек в Южной Америке, разнесенных на 100 км. Покрытие видели обе группы наблюдателей, поэтому небесное тело должно было обладать большими размерами. Но это противоречило кратковременности покрытия, всего 2 с. Было высказано предположение, что звезду закрыло особое кольцо незамкнутого типа. Таких колец тогда еще никто не видел.

На рис. показаны чрезвычайно слабые кольца Нептуна. Увидеть их даже с «Вояджера» человек не смог бы. Телевизионной камере понадобилась 10-минутная экспозиция, чтобы накопить достаточно света для этого изображения. Поэтому сам Нептун в центральной части изображения сильно «передержан». На дальнем плане снимка выделяются три дуги повышенной плотности. Кольца наблюдались в прямом рассеянии света, когда аппарат находился за Нептуном. Другие изображения показали, что между кольцами и внутри них есть еще два очень слабых, едва различимых кольца. «Арками» — так назвали незамкнутые образования — обладает только самое внешнее кольцо 1989 N1R, причем арки сами расположены на сплошном кольце малой плотности. Его диаметр 69,2 тыс. км., а ширина арок всего 50 км. (см. табл.). Другие арки найдены не были. По основным признакам кольцо 1989 N1R похоже на кольцо F Сатурна или кольца δ и η Урана. Наиболее крупные глыбы сосредоточены как раз в том кольце, которое едва заметно (1989 N4R).

Как возникают арки, почему они не распадаются? Теория пока не может дать ответ на эти вопросы. Легко было бы объяснить устойчивость системы, если бы в кольцо были «вмонтированы» небольшие спутники, по паре на каждую арку, иными словами, если бы в непосредственной близости от кольца находились шесть спутников типа «сторожевых собак». Но их поиски результатов не дали, за исключением того, что крупного глыбового материала в одной из арок больше, чем в других. Из шести вновь открытых спутников два расположены внутри колец (но не в самих кольцах). Но и они не решают задачу. Два новых спутника, Деспина и Галатея, по-видимому, могут определять резкие границы близкого к ним кольца, хотя как тела, внешние по отношению к кольцам, они скорее способны расталкивать кольца и спутники и удалять их друг от друга.

Обнаружилось, что структура колец в пределах арок оказалась перевитой, подобно кольцу F Сатурна. Все другие кольца замкнутые. Они находятся в интервале расстояний от 41,9 до 62,9 тыс. км.

Система колец Нептуна чрезвычайно похожа на систему Урана. Но суммарная площадь всего материала в кольцах и вновь открытых спутниках Нептуна составляет 10¹¹ м², или всего 1% от колец Урана. Один из выводов состоит в том, что кольца Нептуна гораздо старше. На это же указывают их очень низкие отражательные свойства: их сферическое альбедо около 6%. Вероятно, здесь также действует механизм потемнения поверхности за счет освобождения углерода из сложных молекул под действием бомбардировки заряженными частицами.

Во время сближения с Нептуном группа астрогеологов составляла внушительную часть научного коллектива «Вояджера». А ведь когда полет этого зонда начинался, в группе был лишь один геолог. Научная работа виделась, прежде всего, как исследование газо-жидких планет. Но с пролетом каждой планеты положение менялось, и центр исследований смещался к кольцам и твердому веществу спутников. Кольцам и спутникам планет посвящено более половины всех научных работ по материалам «Вояджеров».