海王星内部结构和天王星相似。
行星核
是一个质量大概不超过一个地球质量的由岩石和冰构成的混合体。海王星
地幔
总质量相当于10到15个地球质量,富含水,氨,
甲烷
和其它成分。作为
行星学
惯例,这种混合物被叫作冰,虽然其实是高度压缩的过热流体。这种高
电导
的流体通常也被叫作水-氨海洋。大气层包括大约从顶端向中心的10%到20%,高层大气主由80%氢和19%氦组成。甲烷,氨和水的含量随高度降低而增加。更内部大气底端温度更高,密度更大,进而逐渐和行星地幔的
过热液体
混为一体。海王星内核的压力是地球表面大
气压
的数百万倍通过比较转速和
扁率
可知海王星的
质量分布
不如天王星集中。
[8-10]
海王星
地幔
海王星的地幔相当于10到15个地球质量,富含水、氨和甲烷。按照行星科学的惯例,这种混合物被称为冰,即使它是一种热的、致密的流体。一个由氢分子组成的
导电性
很强的水,它有时被称为水的
氢离子
层,在更深层的高级离子水中,氧结晶,而氢离子在氧晶格中自由漂浮。
另有一些研究人员对
钻石
熔点进行了详细测量,当钻石融化时就像是水冷冻和融化的过程,在液态形式之上漂浮着固定形式钻石是一种非常坚硬的物质,它很难被融化。由于当钻石在高温下加热熔化容易变成石墨,因此研究人员很难测量钻石在变成石墨之前具体的熔点。科学家将钻石暴露于高压下使用激光轰击钻石表面,4000万倍零海拔压力的作用下,钻石变成了液态。当压力降低至零海拔1100万倍,温度降低至5万
摄氏度
,固体成块的钻石便开始形成。
科学家发现一些事情并非他们之前所预计的那样,当温度降低至形成固态
钻石
的状态下,形成的固态钻石并未沉下去,而是漂浮在液态钻石的顶层,就像是钻石冰川一样。在海王星和
天王星
这样的超大
气态行星
上,存在着类似钻石液化的超高温度和压力。如海王星,在7000千米的深度,
甲烷分解
成钻石
晶体
,像冰雹一样向下滴落。科学家还认为,这种
钻石雨
还会发生在木星、土星和天王星上。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室
的
超高压实验
表明,地幔顶部可能是液态碳的海洋,上面漂浮着固体钻石。
科学家唯一能确定海王星和天王星表面是否存在液态钻石的方法就是发射科学探测器,或者在地球模拟这些气态行星的环境特征但以上的方法成本都很高,需要多年时间进行准备。据悉,这项研究报告已发表在《自然物理学》期刊上。
[11-12]
海王星及其卫星影像,可见光与近红外合成图片,显示甲烷吸收谱线
海王星的大气占总质量的5%到10%,并向核心延伸了约10%到20%。在高海拔处,海王星的
大气层
80%是氢,19%是氦,也存在着微量的
甲烷
。主要的
吸收带
位于600纳米以上波长的红色和
红外线
的
光谱位置
。与天王星比较,它的吸收是大气层的甲烷部分,使海王星呈现介于蓝色和绿色之间的淡青色,时而偏蓝,时而偏绿。海王星的大气层可以细分为两个主要的区域:低层的
对流层
,该处的温度随高度降低;和
平流层
,该处的温度随着高度增加。两层之间的边界,对流层在气压为0.1巴(10kPa,1巴=0.1MPa=100kPa,
约等于
地球上1个标准大气压)处。平流层在气压低于10至10微巴(1至10Pa)处成为
热成层
,热成层逐渐过渡为
散逸层
。
旅行者2号拍摄的风暴
模型表明海王星对流层的云带取决于不同
海拔高度
的成分。高海拔的云出现于气压低于1帕之处,该处的温度使甲烷可以凝结。压力在1巴至5巴(100kPa至500kPa),被认为氨和
硫化氢
的云可以形成。压力在5巴以上,云可能包含氨、硫化氨、硫化氢和水。更深处的水冰云可以在压力大约为50巴(5MPa)处被发现,该处的温度达到0℃。在下面,可能会发现氨和硫化氢的云。海王星高层的云会曾经被观察到在低
层云
的顶部形成阴影,高层的云也会在相同的纬度上环绕着行星运转。这些
环带
的宽度大约在50至150千米,并且在低层
云顶
之上50至110千米。海王星的光谱显示平流层的低层是朦胧的,这是因为
紫外线
造成甲烷光解的产物,例如
乙烷
和
乙炔
,凝结。平流层也是微量的
一氧化硫
和
氰化氢
的来源海王星的平流层因为
碳氢化合物
的浓度较高,也比天王星的温暖。
由于一些尚不清楚的原因,这颗行星的热成层有着大约750K的异常高温。要从太阳来的
紫外线辐射
获得热量,对这颗行星来说与太阳的距离是太遥远了。一个假设的加热机制是行星的磁场与离子的
交互作用
;另一个假设是来自内部的
重力波
在大气层中的消耗。热成层包含可以察觉到的
二氧化碳
和水,其来源可能来自外部,例如
流星体
和尘埃。
海王星
气候
海王星和天王星之间的一个区别是典型气象活动的水平,海王星的天气特点是极端活跃的。1986年当旅行者2号
航天器
飞经天王星时,该行星视觉上相当平淡,而在1989年旅行者2号飞越期间,海王星展现了著名的
天气现象
。海王星的大气有太阳系中的最高风速,据推测源于其内部热流的推动,其风速达到超音速速度直至大约2100千米/小时。在
赤道带
区域,更加典型的风速能达到大约1200千米/小时。根据
蒲福风级
即
世界气象组织
所建议的分级地球风速最大为
12级风
,约118千米/小时。通过跟踪持续云的运动测得,海王星风速在向东方向的风速为20米/秒,向西风速为325米/秒,
盛行风
的速度从赤道的400米/秒到两极的250米/秒不等。海王星上的大多数风都朝着与
地球自转
相反的方向移动。风的一般模式显示,在
高纬度
地区是顺行旋转,而在
低纬度
地区则是逆行旋转。流动方向的差异被认为是一种“
趋肤效应
”,而不是由任何更深的大气过程造成的。在纬度70°S处,高速射流的速度为300米/秒。
海王星赤道的甲烷、乙烷和乙炔的
丰度
是两极的10-100倍。这被解释为赤道
上升流
和两极附近下沉的证据,因为没有
经向环流
,
光化学
无法解释这种分布。
旅行者2号拍摄的海王星大黑斑
1989年,
美国航空航天局
的旅行者2号航天器发现了
大黑斑
(
The Great
Dark Spot)。在海王星表面的
南纬
22度,有的类似木星大红斑及
土星大白斑
的卵状气旋,以大约16天的周期一反时钟方向旋转,称为“大
黑斑
”。由于大黑斑每18.3小时左右绕行海王星一圈,比海王星的
自转周期
还要长,大黑斑附近的纬度吹着速度达300
米每秒
的强烈西风。旅行者2号还在
南半球
发现一个较小的黑斑极一以大约16小时环绕行星一周的速度飞驰的不规则的小团白色烟,得知是“The Scooter”。它或许是一团从大气层低处上升的
羽状物
,但它真正的本质还是一个谜。然而在1994年11月2日,
哈勃望远镜
对海王星的观察发现大黑斑竟然消失了。它或许就这么消散了,或许暂时被
大气层
的其他部分所掩盖。几个月后哈勃望远镜在海王星的
北半球
发现了一个新的黑斑。这表明海王星的大气层变化频繁,这也许是因为云的顶部和底部温度差异的细微变化所引起的。
大黑斑(左部)、小黑斑(底部)、滑行车(两者之间白色云带)
滑行车(Scooter)是位于大黑斑更南面的另一场风暴,是一组白色
云团
。当1989年旅行者2号造访海王星之前的几个月,科学家发现了它并用这个绰号命名,因为它比大黑斑移动得更快。随后图像显示出还有比滑行车移动得更快的云团。小黑斑是一场南部的飓风风暴,在1989旅行者2号访问期间,风速强度排在第二位。它最初是完全黑暗的,但在旅行者2号接近过程中,一个明亮的核心逐渐形成,大多数
最高分辨率
的图像上都有。2007年又发现海王星的南极比其表面平均温度(大约为-200℃)高出约10℃。这样高出10℃的温度足以把甲烷释放到太空,而在海王星其它区域的上层大气层中甲烷是被冻结着的。
海王星在
类木行星
中的一个独有特点就是高层云彩在其下半透明的云基区域投下阴影。虽然海王星的大气远比天王星的活跃它们都是由相同的气体和冰组成。天王星和海王星都不是木星和土星那种严格意义上的类木行星而属于另一类的
远日行星
,即它们有一个较大的固体核而且还含有冰作为其组成成分。海王星
表面温度
非常低,1989年测到的顶端云层的温度低至-224℃(49K)。由于季节的变化,海王星南半球的云带的大小和
反照率
都在增加。这种趋势最早发生在1980年,预计将持续到2020年左右。海王星的长
轨道周期
导致四季持续40年。
海王星
风暴
海王星上的风暴是太阳系类木行星中最强的。考虑到它处于太阳系的外围,所接受的太阳光照比地球上微弱1000倍(仍然非常明亮,
视星等
-21),这个现象和科学家们的原有的期望不符。曾经普遍认为行星离太阳越远,驱动风暴的能量就应该有越少。木星上的风速已达数百千米/小时,而在更加遥远的海王星上,科学家发现风速没有更慢而是更快了(1600千米/小时)。这种明显
反常现象
的一个可能原因是,如果风暴有足够的能量,将会产生湍流,进而减慢风速(正如在木星上那样)。然而在海王星上,太阳能过于微弱,一旦开始刮风,它们遇到很少的阻碍,从而能保持极高的速度。海王星释放的能量比它从太阳得到的还多因而这些风暴也可能有着尚未确定的内在能量来源。
2007年又发现海王星的南极比其表面平均温度(大约为-200℃)高出约10℃。这样高出10℃的温度足以把甲烷释放到太空,而在其它区域海王星的上层大气层中甲烷是被冻结着的。这个相对热点的形成是因为海王星的
轨道倾角
使得其南极在过去的40年受到
太阳光
照射,而一海王星年相当于165地球年。随着海王星慢慢地移近太阳,它南极将逐渐变暗,并且换成北极被太阳光照亮,这将使得甲烷释放区域从南极转移到北极。
海王星的磁层
海王星有着与天王星类似的
磁层
,它的磁场相对自转轴有着高达47°的倾斜,并且偏离核心至少0.55半径,或是偏离物理上的中心13500千米。在
航海家2号
抵达海王星之前,天王星的磁层倾斜假设是因为它躺着自转的结果,但是,比较这两颗行星的磁场,科学家认为这种极端的指向是行星内部流体的特征。这个区域也许是一层
导电体
液体(可能是氨、甲烷和水的混合体)形成的
对流层
流体运动
,造成发电机的活动。磁场的
偶极
成分在海王星的
磁赤道
大约是14微
特斯拉
(0.14高斯)海王星的偶磁矩大约是2.2×10T·m(14μT·
RN
,此处
RN
是海王星的半径)海王星的磁场因为非偶极成分,包括强度可能超过
磁偶极矩
的强大四极矩,组合有很大的贡献,因此在
几何结构
上非常的复杂。相较之下地球、木星和
土星
的四极矩都非常小,并且相对于
自转轴
的倾角也都不大海王星巨大的四极矩也许是发电机偏离行星的中心和几何强制性的结果。
海王星的
弓形激波
,在那儿磁层开始减缓
太阳风
的速度,发生在距离行星34.9行星半径之处。
磁层顶
,磁层的压力抵销太阳风的地方,位于23~26.5倍海王星半径之处,
磁尾
至少延伸至72倍的海王星半径,并且还会伸展至更远。
海王星也有光环。在地球上只能观察到暗淡模糊的圆弧,而非完整的光环。但
旅行者2号
的
图像显示
这些弧完全是由亮块组成的光环。其中的一个光环看上去似乎有奇特的
螺旋形
结构。同
天王星
和
木星
一样,海王星的光环十分暗淡,但它们的内部结构仍是未知数。人们已命名了海王星的光环:最外面的是Adams(它包括三段明显的圆弧,今已分别命名为自由Liberty,平等
Equality
和友爱Fraternity),其次是一个未命名的包有
Galatea
卫星的弧然后是Leverrier(它向外延伸的部分叫作Lassell和Arago),最里面暗淡但很宽阔的叫Galle。
这颗蓝色行星有着暗淡的
天蓝色
圆环,但与
土星
比起来相去甚远。当这些环由以爱德华·奎南为首的团队发现时曾被认为也许是不完整的。然而,“旅行者2号”的发现表明并非如此。这些
行星环
有一个特别的“堆状”结构。其起因如今不明,但也许可以归结于附近轨道上的
小卫星
的
引力相互作用
。
海王星环示意图,实现代表环,虚线表示卫星轨道
前后出现了偶尔的额外“闪光”旅行者2号在1989年拍摄的图像发现了这个包含几个微弱圆环的行星环系统,从而解决了这个问题。最外层的圆环,亚当斯,包含三段显著的弧,如今名为“Liberté”,“Egalité”和“Fraternité”(