Внутреннее строение и магнитное поле Нептуна

Нептун относится к разряду планет-гигантов, подобно Юпитеру, Сатурну и Урану. По ряду параметров он близок к Урану, однако между ними есть и серьезные различия. Масса Нептуна превышает массу Урана и равна 86,625 • 10²⁴ кг, или 17,204 масс Земли. В то же время размеры Нептуна меньше, чем у Урана. Экваториальный диаметр Нептуна составляет 49 528 км, полярный диаметр — 48 680 км. Меньшие размеры при большей массе указывают на то, что внутреннее строение Нептуна отличается от строения Урана — плотность Нептуна выше (1,64 г/см³), в нем больше тяжелых компонентов.

Строение планеты окончательно не известно, но существующие модели соответствуют некоторым наблюдаемым параметрам. Согласно базовой модели строения Нептуна на сегодня, верхние слои газовой оболочки планеты содержат в основном водород (около 84%). На втором месте по содержанию находится гелий, которого в атмосфере Нептуна около 15%. Примерно 1% падает на метан. Как и на Уране, метан окрашивает верхние слои атмосферы в зеленовато-синие тона. Верхний слой облаков Нептуна, находящийся на уровне давления около 1,2 бар, имеет аквамариновый цвет. Типичная температура на уровне верхнего слоя облаков близка к -220 °С, что связано с гигантским удалением Нептуна от Солнца. Нептун, как указано выше, в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля, соответственно поток солнечной энергии, приходящийся на единицу его площади, в 900 раз меньше, чем у Земли. Всего Нептун получает примерно 0,5% от солнечного тепла, падающего на освещенное полушарие Земли.

Предполагается, что глубина газообразной водородно-гелиевой атмосферы составляет около 3—5 тыс. км. С погружением в недра атмосферы планеты быстро растут давление и температура. На дне этого толстого слоя газа давление достигает около 200 000 бар.

Ниже слоя газа находится, судя по всему, жидкий океан изо «льдов» — воды, аммиака и метана. Глубина этого океана неизвестна, но она может лежать в пределах от 1000 до 15 000 км. Поскольку масса планеты существенно меньше, чем у Юпитера и Сатурна, слои металлического водорода отсутствуют, так как необходимое для перехода к этому состоянию давление достигается на таких глубинах, где относительно легкого водорода уже нет — он вытеснен водой, метаном и аммиаком.

По мере дальнейшего погружения в океан температура и давление продолжают нарастать. Увеличивается и содержание аммиака и метана. При давлении около 1 000 000 бар (1 Мбар) и температуре порядка 2000—5000 °С смесь воды, аммиака и метана должна переходить в твердое состояние. Оценки показывают, что на долю горячей «ледяной» мантии может приходиться до 70% от общей массы планеты. Отметим, что существование жидкого водно-аммиачного океана отличает Нептун от менее плотного Урана, где, судя по всему, находится газожидкая, а не жидкая, мантия из горячих льдов.

Под слоем мантии в центре Нептуна находится твердое ядро. Исходя из известных значений средней плотности (1,64 г/см³) и безразмерного момента инерции планеты (0,26), сделано заключение, что там должны присутствовать оксиды кремния, магния и железа, а также сульфиды железа. По-видимому, там должен находиться и материал, присутствовавший в протопланетном облаке на начальном этапе формирования планет Солнечной системы (хондриты). Расчеты показывают, что в ядре Нептуна должны царить примерно те же давления и температуры, что и в ядре Урана: 6—8 Мбар и более 7000 °C (по другим оценкам, 5400 °С).

Измерения «Вояджера-2» показали, что Нептун излучает в окружающее пространство примерно в 2,7 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Эффективная температура равна 59 К, как и у Урана, хотя Нептун получает в 2,46 раз меньше энергии от Солнца, чем Уран. Это означает, что внутренние процессы в недрах Нептуна отличаются от таковых на Уране. Альбедо обеих планет достаточно высокое —.

0,51 для Урана и 0,41 для Нептуна. Применить теорию, объясняющую избыток теплового излучения Юпитера и Сатурна с помощью гравитационной дифференциации, для Нептуна также не получается. В результате, базовой идеей, объясняющей феномен избыточного излучения Нептуна, стала гипотеза о вкладе радиоактивного распада тяжелых элементов, привнесенных в тело планеты древними хондритами.

Необходимо заметить, что идея вклада радиоактивного распада для объяснения внутреннего тепла спутников планет-гигантов не является парадигмой в современной космогонии. В то же время наличие большого количества радиоактивных веществ в недрах Нептуна (и только его) выглядит странным и маловероятным, несмотря на то, что мы не знаем в деталях, как распределялись различные химические элементы и их соединения в разных областях протопланетного газопылевого облака, из вещества которого формировались планеты и спутники. По-видимому, гипотезу о возможном вкладе радиоактивных элементов в тепловой баланс необходимо иметь в виду при анализе всех крупных объектов Солнечной системы.

Существует гипотеза, предусматривающая, что в далеком прошлом Нептун находился ближе к Солнцу, чем Уран. В рамках это версии объясняется, почему масса Нептуна больше, чем Урана (чем дальше от Солнца, тем меньше была плотность вещества, которое могла собрать формирующаяся планета). Поэтому Нептун, находясь ближе к Солнцу, мог успеть включить в свой состав большее количество тяжелых компонентов.

«Вояджер-2» обнаружил магнитное поле у Нептуна. Оно вдвое слабее, чем у Урана. Угол между осью магнитного диполя Нептуна и осью вращения составляет 46,8°. Центр диполя смещен на 6000 км в южное полушарие (у Урана — на 8000 км в северное полушарие). В результате индукция магнитного поля у южного магнитного полюса Нептуна в 10 раз больше, чем у северного. Тем не менее напряженность поля в среднем в 2,5 раза меньше напряженности магнитного поля Земли.

Вблизи самого Нептуна поле не похоже на дипольное, здесь проявляются и другие (недипольные) составляющие. Поле Нептуна возбуждается не в твердом ядре, а в окружающей его жидкой проводящей среде — мантии. Там, в горячем океане Нептуна, где, очевидно, сильны конвективные потоки, возникают электрические токи, возбуждающие сложное магнитное поле с множеством магнитных полюсов.