海王星（综述）

                     

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　　 本文根据 CC-BY-SA 协议转载翻译自维基百科相关文章。

　　 海王星是绕太阳运行的第八颗也是已知最远的行星。按直径计算，它是太阳系中第四大行星，按质量计算为第三大行星，并且是密度最高的巨行星。它的质量是地球的 17 倍。与其邻近的冰巨行星天王星相比，海王星略小，但质量更大、密度更高。由于主要由气体和液体组成 \(^\text{[21]}\)，它没有明确定义的固体表面。海王星每 164.8 年绕太阳运行一周，轨道距离为 30.1 个天文单位（45 亿千米；28 亿英里）。它以罗马海神命名，并拥有天文学符号♆，代表海神的三叉戟 \(^\text{[e]}\)。

　　 海王星肉眼不可见，也是太阳系中唯一一颗最初不是通过直接经验观测而发现的行星。相反，天王星轨道的异常变化使亚历克西·布瓦尔提出假说，认为其轨道受未知行星的引力扰动。在布瓦尔去世后，约翰·库奇·亚当斯和乌尔班·勒维耶分别依据布瓦尔的观测独立地数学预测了海王星的位置。随后在 1846 年 9 月 23 日 \(^\text{[2]}\)，约翰·戈特弗里德·加勒用望远镜直接观测到了海王星，位置与勒维耶预测的位置相差不到一度。其最大卫星海卫一不久后被发现，但海王星剩余的其他卫星直到 20 世纪才通过望远镜观测到。

　　 海王星与地球的距离使其视直径很小，而其距离太阳遥远则使其极为暗淡，给基于地面的望远镜研究带来挑战。直到哈勃太空望远镜以及配备自适应光学的大型地面望远镜出现，才使得详细观测成为可能。1989 年 8 月 25 日飞掠海王星的旅行者 2 号仍然是唯一访问过这颗行星的航天器 \(^\text{[22][23]}\)。与气体巨行星（木星和土星）类似，海王星的大气主要由氢和氦组成，并含有少量的碳氢化合物以及可能存在的氮，但其含有更高比例的冰，如水、氨和甲烷。与天王星类似，其内部主要由冰和岩石构成 \(^\text{[24]}\)，这两颗行星通常被视为 “冰巨行星” 以示区分 \(^\text{[25]}\)。除了瑞利散射外，外层区域中微量的甲烷使海王星呈现出淡蓝色 \(^\text{[26][27]}\)。

　　 与天王星强烈的季节性大气不同，后者可能长时间几乎没有可见特征，海王星的大气具有活跃且持续可见的天气形态。在旅行者 2 号 1989 年飞掠期间，该行星的南半球存在一个可与木星大红斑相比的大黑斑。2018 年，新的主要暗斑及更小的暗斑被识别并研究 \(^\text{[28]}\)。这些天气形态由太阳系所有行星中最强的持续风驱动，风速可高达 2{,}100 km/h（580 m/s；1{,}300 mph）\(^\text{[29]}\)。由于其与太阳的巨大距离，海王星外层大气是太阳系中最寒冷的地方之一，其云顶温度接近 55 K（−218 °C；−361 °F）。行星中心温度约为 5{,}400 K（5{,}100 °C；9{,}300 °F）\(^\text{[30][31]}\)。海王星具有微弱且破碎的环系统（称为 “弧”），于 1984 年被发现并由旅行者 2 号确认 \(^\text{[32]}\)。

1. 历史

发现

　　 一些已知最早的望远镜观测记录是伽利略于 1612 年 12 月 28 日和 1613 年 1 月 27 日（新历）绘制的图，它们包含的定位点与现今已知的海王星在这些日期的位置相吻合。两次观测中，伽利略似乎都把海王星误认为一颗恒星，因为它在夜空中出现在靠近木星的位置——即形成合相 \(^\text{[33]}\)。因此，他不被视为海王星的发现者。在 1612 年 12 月的首次观测中，海王星在天空中几乎保持静止，因为它就在那一天开始逆行。这种视逆行运动是当地球轨道超过外行星时产生的。由于海王星只是刚刚开始其每年的逆行周期，这颗行星的运动非常微弱，以至于伽利略的小型望远镜无法检测到 \(^\text{[34]}\)。2009 年的一项研究表明，伽利略至少意识到他所观测到的这颗 “恒星” 相对于固定恒星发生了移动 \(^\text{[35]}\)。

　　 1821 年，亚历克西·布瓦尔发表了关于天王星轨道的天文表 \(^\text{[36]}\)。随后观测揭示出与天文表相比存在显著偏差，这促使布瓦尔假设有未知天体通过引力相互作用扰动了天王星的轨道 \(^\text{[37]}\)。1843 年，约翰·库奇·亚当斯开始利用他所拥有的数据研究天王星的轨道。他向皇家天文学家乔治·艾里爵士请求额外数据，艾里于 1844 年 2 月提供了这些数据。亚当斯在 1845—1846 年继续工作，并提出了多个关于天王星之外未发现行星位置的不同估算 \(^\text{[38][39]}\)。

　　 与亚当斯独立地，乌尔班·勒维耶在 1845—1846 年自行得出了指向未发现行星的计算结果，但并未激起其同胞的热情。1846 年 6 月，在看到勒维耶首次发表的可疑未发现行星经度估算及其与亚当斯估算的相似性后，艾里说服詹姆斯·查利斯进行搜索。查利斯在整个 8 月和 9 月徒劳地搜索天空 \(^\text{[37][40]}\)。事实上，查利斯比后来真正发现该行星的约翰·戈特弗里德·加勒早一年观测到了海王星，并在 1845 年 8 月 4 日和 12 日两次观测到。然而，他过时的星图和糟糕的观测技术使他在后续分析之前未能识别这些观测结果。查利斯充满悔意，但将自己的疏忽归咎于星图以及同时进行彗星观测工作的干扰 \(^\text{[41][37][42]}\)。

　　 与此同时，勒维耶寄出了一封信，并敦促柏林天文台天文学家加勒使用天文台的折射望远镜进行搜索。海因里希·德阿雷斯特（Heinrich d'Arrest），一位在天文台学习的学生，向加勒建议，他们可以将雷维耶预测位置区域的最新绘制星图与当前星空进行比较，以寻找行星特有的位移，而非恒星那样的固定位置。1846 年 9 月 23 日傍晚，也就是加勒收到信件的当天，他就在宝瓶座ι星东北方向、距离勒维耶所预测的 “摩羯座δ星以东五度” 位置 1°处发现了海王星 \(^\text{[43][44]}\)，该位置距离亚当斯的预测约 12°，并根据现代国际天文学联合会（IAU）星座边界处于宝瓶座与摩羯座的交界处。

　　 在发现之后，法国人与英国人之间围绕谁应当获得这一发现的荣誉产生了民族主义式的竞争。最终，国际共识形成，认为勒维耶和亚当斯应当共同享有荣誉 \(^\text{[45]}\)。自 1966 年以来，丹尼斯·罗林斯（Dennis Rawlins）一直质疑亚当斯共同发现主张的可信性，而随着 1998 年 “海王星文献”（历史文件）归还格林尼治皇家天文台，该问题又被历史学家重新评估 \(^\text{[46][47]}\)。

命名

　　 在其发现后不久，海王星被简单地称为 “天王星外侧的行星” 或 “勒维耶的行星”。第一个命名建议来自加勒，他提议命名为 “雅努斯”。在英国，查利斯提出了 “欧绪安努斯” 这一名称 \(^\text{[48]}\)。

　　 勒维耶宣称自己拥有为其发现命名的权利，迅速为这颗新行星提出了 “海王星” 这一名称，尽管他虚假声称该名称已获得法国经度局的正式批准 \(^\text{[49]}\)。在十月，他试图以自己的名字 “勒维耶” 命名该行星，并得到了天文台台长弗朗索瓦·阿拉戈的忠实支持。这一建议在法国之外遭到了强烈抵制 \(^\text{[50]}\)。法国年鉴很快重新启用了 “赫歇尔” 一名来指代天王星，以纪念该行星的发现者威廉·赫歇尔爵士，并用 “勒维耶” 来指代新行星 \(^\text{[51]}\)。

　　 斯特鲁维于 1846 年 12 月 29 日在圣彼得堡科学院赞成使用 “海王星” 这一名称 \(^\text{[52]}\)，这一命名是基于通过望远镜观察到的行星颜色 \(^\text{[53]}\)。很快，“海王星” 成为国际公认的名称。在罗马神话中，海王星是海神，与希腊神话中的波塞冬相对应。对神话名称的需求似乎与其他行星的命名法相一致，后者均以希腊和罗马神话中的神祇命名 \(^\text{[f][54]}\)。

　　 今天，大多数语言都使用 “海王星” 名称的某种变体。在中文、越南语、日语和韩语中，该行星名称被翻译为 “海王星”\(^\text{[55][56]}\)。在蒙古语中，海王星被称为 “Dalain van”（Далайн ван），反映其同名神祇作为海之统治者的角色。在现代希腊语中，该行星被称为 “Poseidon”（Ποσειδώνας, Poseidonas），即希腊对应神波塞冬 \(^\text{[57]}\)。在希伯来语中，“Rahab”（רהב）来自《诗篇》中提到的圣经海怪，在 2009 年由希伯来语言学院管理的投票中被选为该行星的官方名称，尽管现有的拉丁语形式 “Neptun”（נפטון）更常使用 \(^\text{[58][59]}\)。在毛利语中，该行星被称为 “Tangaroa”，取自毛利海神之名 \(^\text{[60]}\)。在纳瓦特尔语中，该行星被称为 “Tlāloccītlalli”，取自雨神特拉洛克之名 \(^\text{[60]}\)。在泰语中，海王星被称为西化名称 “Dao Nepchun/Nepjun”（ดาวเนปจูน），但也被称为 “Dao Ket”（ดาวเกตุ，意为 “计都之星”），取自印度占星术中扮演角色的下降交点计都（केतु）。在马来语中，“Waruna” 这一名称自 20 世纪 70 年代起有使用 \(^\text{[61]}\)，取自印度海神之名，但最终被拉丁语形式 “Neptun”（马来西亚用法 \(^\text{[62]}\)）或 “Neptunus”（印度尼西亚用法 \(^\text{[63]}\)）所取代。

　　 常用的形容词形式为 “Neptunian”。一度出现过 “Poseidean”（/pəˈsaɪdiən/）这一临时形式，取自 “Poseidon”，尽管 “Poseidon” 的常用形容词形式是 “Poseidonian”（/ˌpɒsaɪˈdoʊniən/）\(^\text{[5][64]}\)。

地位

　　 从 1846 年被发现起直到 1930 年冥王星被发现之前，海王星是已知的最远行星。冥王星被发现后被视为行星，因此海王星成为第二远的已知行星，唯有在 1979 年至 1999 年这 20 年间，由于冥王星的椭圆轨道使其比海王星更靠近太阳，使海王星在此期间成为距离太阳第九颗行星 \(^\text{[65][66]}\)。对冥王星质量的估算越来越准确，从地球的十倍降至远低于月球，并且 1992 年柯伊伯带的发现，使许多天文学家开始讨论冥王星应被视为行星还是柯伊伯带的一部分 \(^\text{[67][68][69]}\)。2006 年，国际天文学联盟首次定义了 “行星” 一词，将冥王星重新分类为 “矮行星”，使海王星再次成为太阳系中已知最外侧的行星 \(^\text{[70]}\)。

2. 物理特征

　　 海王星的质量为 \(1.024\times10^{26}\,\text{kg}\)\(^\text{[8]}\)，介于地球和更大的气体巨行星之间：其质量是地球的 17.15 倍，但仅为木星的 1/19\(^\text{[g]}\)。在 1 巴压力处，其重力为 \(11.27\,\text{m/s}^2\)，是地球表面重力的 1.15 倍 \(^\text{[8]}\)，仅次于木星 \(^\text{[71]}\)。海王星的赤道半径为 \(24{,}764\,\text{km}\)\(^\text{[11]}\)，几乎是地球的四倍。海王星与天王星一样，是冰巨行星（巨行星的一个子类），因为它们比木星和土星更小，并且含有更高浓度的挥发物 \(^\text{[72]}\)。在寻找系外行星的研究中，海王星常被用作转喻：那些发现的质量相近的天体通常被称为 “海王星类”\(^\text{[73]}\)，就像科学家将各种系外天体称为 “类木星” 一样。

内部结构

　　 海王星的内部结构类似于天王星。其大气占其质量的约 5%到 10%，并向内部延伸至距核心大约 10%到 20%的位置。大气层中的压力约达到 \(10\,\text{GPa}\)，即约 \(10^5\) 个大气压。大气层较低区域中含有更高浓度的甲烷、氨和水 \(^\text{[30]}\)。

　　 地幔的质量相当于 10 到 15 个地球质量，且富含水、氨和甲烷 \(^\text{[2]}\)。按照行星科学的惯例，这种混合物被称为 “冰质”，尽管它实际上是一种高温、致密的超临界流体。这种具有高电导率的流体有时被称为 “水—氨海”\(^\text{[74]}\)。地幔可能由一层离子水组成，其中水分子分解为氢离子和氧离子的 “汤”；在更深处则存在超离子水，其中氧形成晶格，但氢离子在氧晶格内自由移动 \(^\text{[75]}\)。在 7{,}000 公里深处，条件可能使甲烷分解成钻石晶体，并像冰雹一样向下坠落 \(^\text{[76][77][78]}\)。科学家认为，这种 “钻石雨” 也出现在木星、土星和天王星上 \(^\text{[79][77]}\)。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的超高压实验表明，地幔顶部可能是一片由液态碳构成的 “海洋”，其中漂浮着固态 “钻石”\(^\text{[80][81][82]}\)。

　　 海王星的核心很可能由铁、镍和硅酸盐组成，内部模型显示其质量约为地球的 1.2 倍 \(^\text{[24]}\)。中心压力为 7 兆巴（700 GPa），约为地球中心压力的两倍，温度可能为 5{,}400 K（5{,}100 °C；9{,}300 °F）\(^\text{[30][31]}\)。

大气

　　 在高空，海王星大气由 80%的氢和 19%的氦组成 \(^\text{[30]}\)，并含有微量甲烷。甲烷在光谱 $600\,nm$ 以上的波长（红光和红外区）具有显著的吸收带。与天王星一样，大气甲烷对红光的吸收是造成海王星微弱蓝色调的原因之一 \(^\text{[84]}\)，但由于天王星大气中浓集的薄雾，海王星的蓝色更为明显 \(^\text{[85][86]}\)。

　　 海王星大气分为两个主要区域：随高度上升温度下降的对流层，以及随高度上升温度升高的平流层。二者之间的边界，即对流层顶，位于 0.1 bar（10 kPa）的压力处 \(^\text{[25]}\)。随后平流层在低于 \(10^{-5}\) 至 \(10^{-4}\,bar\)（1 至 10 \text{Pa}）的压力下过渡至热层 \(^\text{[25]}\)。热层逐渐过渡到外逸层 \(^\text{[87]}\)。

　　 模型显示，海王星的对流层中存在不同成分的带状云层，其成分随高度改变 \(^\text{[83]}\)。上层云位于低于 1 bar 的压力处，在该处温度适合于甲烷凝结。介于 1 至 5 bar（100 至 500 kPa）之间，认为会形成氨和硫化氢云层。在超过 5 bar 压力之上，云层可能由氨、硫氨、硫化氢和水组成。约 50 bar（5.0 MPa）压力处应存在水冰云层，在此温度达到 273 K（$0\,^\circ C$；$32\,^\circ F$）。在更下方可能存在氨和硫化氢云层 \(^\text{[88]}\)。

　　 已观测到海王星的高空云层在下方不透明云层上投下阴影。存在环绕行星、纬度固定的高空云带。这些环状带宽度为 50–150 km，位于云面上方约 50-110 km 处 \(^\text{[89]}\)。这些高度属于发生天气活动的对流层；天气并不发生在更高的平流层或热层。2023 年 8 月，海王星高空云层消失，引发一项历时三十年的研究，该研究结合了哈勃太空望远镜和地面望远镜的观测。研究表明，海王星的高空云活动与太阳周期相关，而非与行星季节相关 \(^\text{[83][90][91]}\)。

　　 海王星光谱显示，其较低平流层由于甲烷紫外光解产物（如乙烷和乙炔）的凝结而呈薄雾状 \(^\text{[25][30]}\)。平流层中存在微量一氧化碳和氰化氢 \(^\text{[25][92]}\)。由于更高浓度的烃类，海王星平流层比天王星更温暖 \(^\text{[25]}\)。

　　 目前原因仍不清楚，行星热层具有约 750 K（$477\,^\circ\text{C}$；$890\,^\circ\text{F}$）的异常高温 \(^\text{[93][94]}\)。距离太阳过远，无法由紫外辐射产生如此热量。一种候选加热机制是大气与行星磁场中离子的相互作用。其他候选机制包括从内部传播并在大气中耗散的重力波。热层中含有微量二氧化碳和水，这些物质可能来源于如流星体和尘埃等外部来源 \(^\text{[88][92]}\)。

颜色

　　 海王星的大气在可见光光谱中呈微弱蓝色，仅比天王星大气的蓝色稍微饱和一些。早期两颗行星的图像大大夸张了海王星的色彩对比 “以更好地呈现云层、带状结构和风”，使其相比天王星的灰白色显得深蓝。由于两颗行星使用了不同成像系统进行拍摄，很难直接比较后期合成图像。随着时间推移，这一问题得以重新评估，并在 2023 年底进行了最全面的颜色归一化 \(^\text{[86][95]}\)。

磁层

　　 海王星的磁层由一个相对于其自转轴倾斜 47°的磁场组成，并相对于行星物理中心至少偏移 0.55 个半径（约 13{,}500 \text{km}），这一特征与天王星的磁层相似。在旅行者 2 号抵达海王星之前，人们曾假设天王星侧转是导致其磁层倾斜的原因。通过比较两颗行星的磁场，科学家现在认为，这种极端取向可能是行星内部流动特征所造成的。该磁场可能由电导液体（可能是氨、甲烷和水的混合物）组成的薄球壳内的对流流体运动产生 \(^\text{[88]}\)，从而引发发电机效应 \(^\text{[99]}\)。

　　 海王星磁场在磁赤道处的偶极分量约为 14 微特斯拉（0.14 G）\(^\text{[100]}\)。海王星的偶极磁矩约为 \(2.2\times10^{17}\,\text{T·m}^3\)（$14\,\mu T\cdot R_{N}^{3}$，其中 \(R_{N}\) 为海王星半径）。海王星的磁场具有复杂的几何结构，其中包含来自非偶极分量的相对较大贡献，包括可能在强度上超过偶极分量的强四极分量。相比之下，地球、木星和土星的四极分量相对较小，其磁场相对于极轴的倾角也较小。海王星强四极分量可能是由磁场相对于行星中心的偏移以及磁场发电机几何约束所导致 \(^\text{[101][102]}\)。

　　 海王星的弓形激波（磁层开始减缓太阳风的区域）位于距离行星半径 34.9 倍处。磁层顶（磁层压力与太阳风压力平衡的区域）位于距离海王星 23 至 26.5 倍半径处。磁尾至少延伸至海王星半径的 72 倍，并且很可能更远 \(^\text{[101]}\)。

　　 旅行者 2 号在极紫外和无线电频率的测量显示，海王星存在微弱但复杂且独特的极光；然而，这些观测受限于时间，并未包含红外信息。随后使用哈勃太空望远镜的天文学家并未观测到极光，这与天王星更明显的极光形成对比 \(^\text{[103][104]}\)。2025 年 3 月，首次通过将哈勃太空望远镜的可见光图像与詹姆斯·韦布太空望远镜的近红外（NIR）图像合成，拍摄到了海王星的极光。相关数据取自 2023 年 6 月。詹姆斯·韦布太空望远镜尝试研究海王星大气的光谱特性，并成功探测到三氢阳离子（\(\mathrm{H_3^+}\)），该离子在极光期间生成，被视为气体巨行星和冰巨行星极光活动的明确指示物。海王星极光的性质在很大程度上受到其磁场独特性质的影响。与地球、木星或土星不同，海王星的磁极并未与行星自转极对齐，这也是其极光主要出现在中纬度区域，而非像地球或木星那样出现在极区的原因 \(^\text{[105]}\)。

3. 气候

　　 海王星的天气特征是极为动态的风暴系统，风速可达近 $600\,m/s$（$2,200\,km/h$；$1{,}300\,mph$），超过超音速流 \(^\text{[29]}\)。更典型地，通过追踪持续云层的运动可以发现，风速从向东的 \(20\,\text{m/s}\) 到向西的 \(325\,\text{m/s}\) 不等 \(^\text{[107]}\)。在云顶，盛行风速从赤道附近的 \(400\,\text{m/s}\) 到两极的 \(250\,\text{m/s}\)\(^\text{[88]}\)。海王星上大多数风向与行星自转方向相反 \(^\text{[108]}\)。总体风向模式显示，高纬度为顺行旋转，而低纬度为逆行旋转。认为这种流动方向差异是一种 “表层效应”，而非更深层大气过程所致 \(^\text{[25]}\)。在南纬 70°，一条高速急流以 \(300\,\text{m/s}\) 的速度流动 \(^\text{[25]}\)。由于季节变化，观测到海王星南半球的云带在尺寸和反照率方面有所增加。这一趋势最早在 1980 年被发现。海王星的轨道周期很长，其季节持续 40 个地球年 \(^\text{[109]}\)。

　　 海王星在典型气象活动水平上不同于天王星。旅行者 2 号在 1989 年飞掠海王星期间观测到了天气现象 \(^\text{[110]}\)，但在 1986 年飞掠天王星时并未观测到类似现象。

　　 在海王星赤道地区，甲烷、乙烷和乙炔的丰度比两极高 10—100 倍。这被解释为赤道上升运动、两极下沉运动的证据，因为仅靠光化学作用无法在缺乏经向环流的情况下解释这种分布 \(^\text{[25]}\)。

　　 2007 年，人们发现海王星南极上层对流层比大气其他区域（平均约 73 K，即 $-200\,^\circ C$）高出约 10 K\(^\text{[111]}\)。这一温差足以使甲烷在靠近两极的平流层中逸出，而在大气其他区域甲烷在对流层中是冻结的。这个相对的 “热点” 归因于海王星的自转轴倾角，使南极在海王星过去四分之一个公转周期（约 40 个地球年）中一直暴露在太阳下。随着海王星缓慢移动至太阳的另一侧，南极将进入黑暗，北极将被照亮，从而使甲烷释放转移到北极 \(^\text{[112]}\)。

风暴

　　 1989 年，NASA 的旅行者 2 号航天器发现了 “大黑斑”，这是一种反气旋风暴系统，范围达到 \(13{,}000\,\text{km} \times 6{,}600\,\text{km}\)（\(8{,}100\,\text{mi} \times 4{,}100\,\text{mi}\)）\(^\text{[110]}\)。该风暴类似于木星的大红斑。大约五年之后，即 1994 年 11 月 2 日，哈勃太空望远镜未能在行星上看到大黑斑。取而代之的是，在海王星北半球发现了一个与大黑斑相似的新风暴 \(^\text{[113]}\)。

　　 “滑行者”（Scooter）是另一种风暴，由位于大黑斑更南方的白色云团构成。这个昵称最早出现在 1989 年旅行者 2 号接近期间的几个月，当时观测到这些云团移动速度比大黑斑更快（后来获得的图像随后揭示了移动速度甚至比最初由旅行者 2 号探测到的云团还要快的云层）\(^\text{[108]}\)。“小黑斑” 是一个南部气旋风暴，是 1989 年遭遇中观测到的第二强烈风暴。它最初完全呈暗色，但随着旅行者 2 号接近行星，其内部出现了一个明亮核心，可在大多数最高分辨率图像中看到 \(^\text{[114]}\)。2018 年，发现并研究了一个较新的主要暗斑和较小暗斑 \(^\text{[28]}\)。2023 年，首次宣布从地面观测到了海王星上的暗斑 \(^\text{[115]}\)。

　　 人们认为海王星的暗斑出现在对流层中、位于明亮云层特征之下的较低高度 \(^\text{[117]}\)，因此在上层云面中呈现为 “空洞”。由于这些结构可以保持稳定数月之久，因而被认为是涡旋结构 \(^\text{[89]}\)。暗斑常与更明亮、持久的甲烷云相关，这些云形成于对流层顶附近 \(^\text{[118]}\)。伴生云的持续存在表明，即便暗斑不再呈现为可见的暗特征，一些先前的暗斑可能仍继续作为气旋存在。当暗斑向赤道迁移过近时，或通过某种未知机制，可能会消散 \(^\text{[119]}\)。

　　 1989 年，旅行者 2 号的行星射电天文学（PRA）实验观测到约 60 次闪电，即海王星静电放电，其释放能量超过 \(7\times10^{8}J\)\(^\text{[121]}\)。等离子体波系统（PWS）在磁纬 7–33°范围内探测到 16 次频率在 50–12 \text{kHz}之间的电磁波事件 \(^\text{[122][123]}\)。这些等离子体波探测可能是在 20 分钟内由磁层中氨云中的闪电触发的 \(^\text{[123]}\)。

　　 在旅行者 2 号最近距海王星的飞掠过程中，PWS 仪器以每秒 28{,}800 次采样率提供了海王星首次等离子体波探测 \(^\text{[123]}\)。测得的等离子体密度范围为 \(10^{-3}-10^{-1}\,cm^{3}\)\(^\text{[123][124]}\)。海王星闪电可能发生在三层云中 \(^\text{[125]}\)，微物理模型表明，大多数闪电可能发生在对流层的水云中，或发生在磁层浅层氨云中 \(^\text{[122][126]}\)。预计海王星的闪电发生率约为木星的 1/19，并且大多数闪电活动出现在高纬地区。然而，海王星闪电似乎更类似地球闪电，而非木星闪电 \(^\text{[121]}\)。

内部加热

　　 与天王星相比，海王星更为多样的天气部分归因于其更高的内部加热。海王星对流层上层的最低温度为 $51.8\,K$（$-221.3\,^\circ C$）。在大气压力等于 $1\,bar$（$100\,kPa$）的深度，温度为 $72.00\,K$（$-201.15\,^\circ{C}$）\(^\text{[127]}\)。在更深的气体层中，温度稳步上升。与天王星一样，这种加热的来源仍不清楚，但差异更大：天王星仅辐射出其从太阳所接收能量的 1.1 倍 \(^\text{[128]}\)，而海王星辐射的能量约为其从太阳接收能量的 2.61 倍 \(^\text{[16]}\)。

　　 海王星距离太阳比天王星远 50%以上，接收的阳光仅约为天王星的 40%\(^\text{[25]}\)；然而，其内部能量仍足以驱动太阳系中最快的行星风系。根据其内部热力特性，海王星形成时残留的热量可能足以解释其当前的热流，但在保持两颗行星明显相似的前提下，解释天王星缺乏内部热量则更加困难 \(^\text{[129]}\)。

4. 轨道与自转

　　 海王星与太阳的平均距离为 45 亿千米（约 30.1 个天文单位（AU），即地球到太阳的平均距离），其轨道平均周期为 164.79 年，变动约为±0.1 年。近日点距离为 29.81 AU，远日点距离为 30.33 AU\(^\text{[h]}\)。海王星轨道偏心率仅为 0.008678，使其成为太阳系中轨道第二圆的行星，仅次于金星 \(^\text{[131]}\)。海王星的轨道平面相对于地球轨道倾斜 1.77°。

　　 2011 年 7 月 11 日，海王星完成了自 1846 年发现以来的首次完整质心轨道 \(^\text{[132]}\)；它在天空中并未出现在精确的发现位置，因为地球在自身 365.26 天轨道中的位置不同。由于太阳相对于太阳系质心的运动，在 7 月 11 日，如果使用更常见的日心坐标系统，海王星相对于太阳的精确发现位置并未被到达——发现经度在 2011 年 7 月 12 日被到达 \(^\text{[12][133][134][135]}\)。

　　 海王星自转轴倾角为 28.32°\(^\text{[136]}\)，这与地球（23°）和火星（25°）的倾角相似。因此，海王星经历与地球类似的季节变化。海王星的轨道周期很长，意味着其季节持续 40 个地球年 \(^\text{[109]}\)。其恒星日（自转周期）约为 16.11 小时 \(^\text{[12]}\)。由于其自转轴倾角与地球接近，其在漫长轨道周期中昼长变化并不更为极端。

　　 由于海王星不是固体，其大气经历差异自转。宽广的赤道区域自转周期约为 18 小时，慢于行星磁场的 16.1 小时自转。相反，在极区，自转周期为 12 小时。该差异自转是太阳系中最显著的 \(^\text{[137]}\)，并导致强烈的纬向风切变 \(^\text{[89]}\)。

5. 形成与共振

形成

　　 冰巨行星海王星和天王星的形成一直难以精确建模。当前模型表明，太阳系外部区域的物质密度过低，无法用传统认可的核吸积机制形成如此巨大的天体，因此提出了多种假设来解释它们的形成。其中一种认为冰巨行星并非由核吸积形成，而是源于原始原行星盘内部的不稳定性，随后其大气被附近大质量 OB 型恒星的辐射所剥离 \(^\text{[72]}\)。

　　 另一种观点认为，它们形成于更靠近太阳的位置，在那里物质密度更高，随后在气态原行星盘被移除之后迁移到当前轨道 \(^\text{[138]}\)。这一 “形成后迁移” 假说因其能够更好地解释在海王星外区域观察到的小天体族群分布而更受支持 \(^\text{[139]}\)。目前最广泛接受的对此假说细节的解释称为 “尼斯模型”，这是一种动力学演化情景，探讨迁移中的海王星及其他巨行星对柯伊伯带结构的潜在影响 \(^\text{[140][141][142]}\)。

轨道共振

　　 海王星的轨道对其外侧区域（即柯伊伯带）具有深远影响。柯伊伯带是一个由小型冰质天体组成的环状区域，与小行星带类似，但规模更大，从海王星轨道的 30 AU 延伸到距离太阳约 55 AU\(^\text{[143]}\)。与木星引力主导小行星带相同，海王星的引力主导柯伊伯带。在太阳系形成的时间尺度上，柯伊伯带的某些区域因海王星的引力而变得不稳定，形成其结构中的空隙。40 至 42 AU 之间的区域就是一个例子 \(^\text{[144]}\)。

　　 在这些空隙区域内确实存在能够在太阳系寿命内保持稳定的轨道。这些轨道共振发生在海王星的轨道周期与这些天体的轨道周期呈精确分数关系时，例如 1:2 或 3:4。比如，当某个天体每运行一圈时海王星运行两圈，那么当海王星回到原始位置时，该天体仅完成半圈。柯伊伯带中最密集的共振区域是 2:3 共振，已知有超过 200 个天体 \(^\text{[145]}\)。处于该共振中的天体每完成 2 圈对应海王星的 3 圈，称为冥卫类，因为其中最大的一颗已知柯伊伯带天体冥王星属于此类 \(^\text{[146]}\)。尽管冥王星经常穿越海王星轨道，但 2:3 共振确保它们永不相撞 \(^\text{[147]}\)。3:4、3:5、4:7 和 2:5 共振区域则较少被天体占据 \(^\text{[148]}\)。

　　 海王星存在多个已知的特洛伊天体，分别位于日–海王星 L4 与 L5 拉格朗日点——即海王星轨道前方和后方的引力稳定区域 \(^\text{[149]}\)。海王星特洛伊天体可视作与海王星呈 1:1 共振。其中一些海王星特洛伊天体在轨道上极为稳定，可能与海王星一同形成，而非后期捕获。首个被确认位于海王星尾随 L5 拉格朗日点的天体是 2008 LC18\(^\text{[150]}\)。海王星还有一个临时的准卫星，即（309239）2007 RW10\(^\text{[151]}\)。该天体作为海王星准卫星已持续约 12{,}500 年，并将在未来约 12{,}500 年继续保持这一动力学状态 \(^\text{[151]}\)。

6. 卫星

　　 海王星已知有 16 颗卫星 \(^\text{[152]}\)。海卫一（Triton）是海王星最大的卫星，占据围绕海王星轨道质量的 99.5%以上 \(^\text{[i]}\)，并且是唯一质量足够大而呈球形的卫星。海卫一由威廉·拉塞尔在海王星发现仅 17 天后发现。与太阳系中所有其他大型行星卫星不同，海卫一具有逆行轨道，这表明它是被捕获的而非原位形成；它很可能曾是柯伊伯带中的一颗矮行星 \(^\text{[153]}\)。海卫一与海王星距离足够近，因此被潮汐锁定为同步自转，并由于潮汐加速而缓慢向内螺旋。约 36 亿年后，当其抵达洛希极限时，最终将被撕裂 \(^\text{[154]}\)。1989 年，海卫一是太阳系中当时已测量到的最寒冷天体 \(^\text{[155]}\)，其估计温度为 38 \text{K}（−235 ^\circ\text{C}）\(^\text{[156][157]}\)。这种极低温度源于海卫一极高的反照率，使其大量反射阳光而非吸收 \(^\text{[158][159]}\)。

　　 海王星第二颗被发现的卫星（按发现顺序），即不规则卫星海卫二（Nereid），拥有太阳系中最偏心的轨道之一。其偏心率为 0.7512，使其远地点距离为近地点的七倍 \(^\text{[j]}\)。

　　 从 1989 年 7 月至 9 月，旅行者 2 号发现了海王星的六颗卫星 \(^\text{[160]}\)。其中，不规则形状的普罗透斯（Proteus）值得注意，因为其大小已经接近在自身引力作用下不被拉成球形天体所能达到的极限 \(^\text{[161]}\)。尽管普罗透斯是海王星第二大质量的卫星，但其质量仅为海卫一的 0.25%。海王星最内侧的四颗卫星——奈阿德（Naiad）、塔拉萨（Thalassa）、得斯皮娜（Despina）和伽拉忒亚（Galatea）——运行轨道足够靠近，以至于位于海王星行星环内部。下一颗外侧卫星拉里萨（Larissa）最初于 1981 年通过其掩星现象被发现。该掩星现象最初被归因于行星环弧，但当旅行者 2 号在 1989 年观测海王星时，发现实际是拉里萨造成的。2002 年至 2003 年间发现的五颗新的不规则卫星于 2004 年公布 \(^\text{[162][163]}\)。2013 年，通过合并多幅哈勃太空望远镜图像，发现了一颗新的、更小的卫星——海马（Hippocamp）\(^\text{[164]}\)。由于海王星是罗马海神，海王星的卫星均以较低级别的海神命名 \(^\text{[54]}\)。

7. 行星环

　　 海王星拥有行星环系统，但其规模远小于土星和天王星的行星环 \(^\text{[165]}\)。这些环可能由覆有硅酸盐或碳基物质的冰颗粒构成，这很可能使其呈现出红色调 \(^\text{[166]}\)。三条主要行星环分别为距离海王星中心 63{,}000 \text{km}的狭窄亚当斯环（Adams Ring），距离 53{,}000 \text{km}的勒维耶环（Le Verrier Ring），以及距离 42{,}000 \text{km}的更宽且更暗淡的加勒环（Galle Ring）。勒维耶环向外一条微弱的延伸被命名为拉塞尔环（Lassell），其外缘由距离 57{,}000 \text{km}的阿拉戈环（Arago Ring）界定 \(^\text{[167]}\)。

　　 第一条行星环于 1968 年由爱德华·吉南领导的团队探测到 \(^\text{[32][168]}\)。20 世纪 80 年代初，对这一数据及更新观测的分析提出了该环可能不完整的假设 \(^\text{[169]}\)。1984 年一次恒星掩食中首次出现行星环可能存在间隙的证据，当时行星环在恒星进入时遮蔽了恒星，但在离开时却没有 \(^\text{[170]}\)。1989 年旅行者 2 号的图像解决了这一问题，显示了多条微弱的行星环。

　　 最外侧的亚当斯环包含五条显著的弧段，现在命名为 “勇气”“自由”“平等 1”“平等 2” 与 “博爱”（Courage, Liberté, Égalité 1, Égalité 2 和 Fraternité）\(^\text{[171]}\)。弧段的存在曾难以解释，因为力学定律预测弧段应在短时间内扩散成连续环。天文学家如今认为，弧段被内侧不远处的卫星伽拉忒亚（Galatea）的引力效应束缚于当前形态 \(^\text{[172][173]}\)。

　　 2005 年宣布的地面观测结果显示，海王星行星环的稳定性远低于此前的认识。2002 年和 2003 年从 W. M. 凯克天文台拍摄的图像与旅行者 2 号图像相比显示行星环呈现明显衰变。特别是，自由弧（Liberté）可能在短短一个世纪内消失 \(^\text{[174]}\)。

8. 观测

　　 海王星在 1980 年至 2000 年期间亮度增加了约 10%，主要原因是季节变化 \(^\text{[175]}\)。随着海王星在 2042 年接近日点，其亮度可能继续增强。其视星等目前范围为 7.67 至 7.89，平均为 7.78，标准差为 0.06\(^\text{[18]}\)。在 1980 年之前，该行星的亮度低至 8.0 等 \(^\text{[18]}\)。海王星过于暗淡，无法用肉眼直接观测。它的亮度甚至会被木星的伽利略卫星、矮行星谷神星以及小行星灶神星（4 Vesta）、智神星（2 Pallas）、虹神星（7 Iris）、婚神星（3 Juno）和守护神星（6 Hebe）所盖过 \(^\text{[176]}\)。使用望远镜或强力双筒望远镜可以将海王星解析为一个小型蓝色圆盘，与天王星外观相似 \(^\text{[177]}\)。

　　 由于海王星与地球距离遥远，其角直径仅在 2.2 至 2.4 角秒之间变动 \(^\text{[8][20]}\)，为太阳系行星中最小的。其微小的视直径使得目视观测具有挑战性。在哈勃太空望远镜和配备自适应光学（AO）的大型地基望远镜出现之前，望远镜数据非常有限 \(^\text{[178][179][180]}\)。首个使用自适应光学从地基望远镜对海王星进行具有科学价值的观测始于 1997 年，地点为夏威夷 \(^\text{[181]}\)。海王星目前正接近日点（距离太阳最近的位置），并已显示正在升温，伴随大气活动和亮度增强。随着技术进步，配备自适应光学的地基望远镜正在记录越来越多的细节图像。自 20 世纪 90 年代中期以来，哈勃望远镜和地基自适应光学望远镜在太阳系内取得了众多新发现，包括外行星周围已知卫星数量的大幅增加等。在 2004 年与 2005 年，发现了 5 颗新的海王星小型卫星，其直径在 38 至 61 千米之间 \(^\text{[182]}\)。

　　 从地球观测，海王星每 367 天经历一次视逆行，导致在每次冲日期间相对于背景恒星出现一个环形运动。这些环形轨迹曾在 2010 年 4 月与 7 月，以及 2011 年 10 月与 11 月，使海王星靠近 1846 年发现时的坐标 \(^\text{[135]}\)。

　　 海王星 164 年的轨道周期意味着该行星平均需要 13 年穿越黄道十二宫中的每个星座。2011 年，海王星完成自发现以来首次完整绕太阳一周，并回到第一次观测位置——宝瓶座ι星东北方向 \(^\text{[43]}\)。

　　 在射电波段观测海王星显示，它同时是连续辐射和不规则爆发辐射源。这两种辐射均被认为源自其旋转磁场 \(^\text{[88]}\)。在红外波段，海王星的风暴在较冷背景下显得明亮，因此可以轻松追踪这些结构的大小与形状 \(^\text{[183]}\)。

9. 探测

　　 旅行者 2 号是唯一访问过海王星的航天器。其于 1989 年 8 月 25 日最接近该行星。由于这是该航天器可访问的最后一颗主要行星，任务团队决定对海王星的卫星海卫一进行一次近距离飞掠，而不考虑轨道的后果，这与旅行者 1 号在土星及其卫星土卫六上的遭遇操作类似。旅行者 2 号回传至地球的图像成为 PBS 在 1989 年播出的整夜特别节目《Neptune All Night》的基础 \(^\text{[184]}\)。

　　 在遭遇期间，航天器的信号需要 246 分钟才能抵达地球。因此，大多数情况下，旅行者 2 号的任务依赖于预先加载的海王星遭遇指令。该航天器在 8 月 25 日进入距离海王星大气 4{,}400 \text{km}范围之前，几乎与海卫二进行了近距离遭遇，随后在同一天靠近该行星最大的卫星海卫一 \(^\text{[185]}\)。

　　 航天器验证了围绕行星存在磁场，并发现其磁场偏离行星中心且在倾角上与天王星的磁场类似。通过射电辐射测量确定了海王星的自转周期，旅行者 2 号显示海王星具有令人惊讶的活跃天气系统。发现了 6 颗新卫星，并显示该行星拥有多条行星环 \(^\text{[160][185]}\)。这次飞掠提供了海王星质量的首次精确测量，结果比先前计算值低 0.5%。这一新数据否定了假设存在未被发现的 X 行星影响海王星和天王星轨道的理论 \(^\text{[186][187]}\)。

　　 自 2018 年以来，中国国家航天局一直在研究一项概念，即一对类似旅行者号的星际探测器，暂称为 “深梭” 计划 \(^\text{[188]}\)。两艘探测器将于 2020 年代发射，并采取不同路径探索日球层的相反方向；第二艘探测器 IHP-2 将于 2038 年 1 月飞掠海王星，掠过云顶高度仅 1{,}000 \text{km}，并有可能搭载在接近过程中释放的 “大气撞击器”\(^\text{[189]}\)。之后，它将继续在柯伊伯带开展任务，前往目前尚未探测的日球层尾部区域。

　　 在旅行者 2 号和 IHP-2 飞掠之后，海王星系统科学探测的下一步被认为是轨道任务；大多数提案来自 NASA，多为旗舰级轨道器构想 \(^\text{[190]}\)。2003 年，NASA 的 “远景任务研究” 中曾提出一项 “携带探测器的海王星轨道器” 任务，旨在达到卡西尼号级别的科学研究水平 \(^\text{[191]}\)。随后一项未被选中的提案为 “阿尔戈号”（Argo）飞掠探测器，计划于 2019 年发射，访问木星、土星、海王星以及一颗柯伊伯带天体。任务重点本将集中在海王星及其最大卫星海卫一，计划于 2029 年前后进行探测 \(^\text{[192]}\)。

　　 拟议的 “新视野 2 号” 任务可能会对海王星系统进行近距离飞掠，但后来被取消。目前 Discovery 计划中有一项待定提案，即 “Trident” 航天器，将对海王星和海卫一进行飞掠探测；\(^\text{[193]}\) 然而，该任务未被选入 Discovery 15 或 16。另一项名为 “Neptune Odyssey” 的概念为海王星轨道器与大气探测器，被研究为 NASA 潜在的大型战略科学任务；其计划于 2031 年至 2033 年间发射，并于 2049 年抵达海王星 \(^\text{[194]}\)。不过，出于技术规划因素，冰巨行星轨道任务中最终推荐优先级最高的是天王星轨道器与探测器，其优先级高于 “土卫二轨道着陆器”（Enceladus Orbilander）\(^\text{[195]}\)。

　　 两项值得注意的海卫一重点海王星轨道器任务提案，其成本介于 Trident 和 Odyssey 任务之间（属于 “新前沿计划”），分别是 “Triton Ocean World Surveyor” 和 “Nautilus”，其巡航阶段分别对应 2031—47 年和 2041—56 年 \(^\text{[196][197]}\)。海王星也是中国 “天问五号”（Tianwen-5）的潜在目标，可能于 2058 年前后抵达 \(^\text{[198]}\)。

10. 另见

• 海王星的轮廓
• 热海王星
• 海王星在占星术
• 小说中的海王星
• 镎
• 海王星，神秘主义者-七个动作之一古斯塔夫·霍尔斯特的行星套房
• 遥远未来的时间表
• 太阳系行星的统计

11. 备注

　　
a.海王星的黑点不是永久的特征；旅行者 2 号被指定为 “1989 年大黑点” 的 GDS-89。
b.轨道元素指的是海王星重心和太阳系重心。这些是瞬时的密接精确处的值 J2000 纪元。给出重心量是因为与行星中心相反，它们不会因卫星的运动而每天经历明显的变化。
c.指 1 bar (100 kPa) 大气压的水平
d.基于 1 bar 大气压水平内的体积
e.第二个符号，一个 'LV' 会标⯉对于 “le verrier”，类似于 “h” 会标♅为了天王星.它在法国以外从未被广泛使用，现在已经过时了。
t.有人可能会争辩说，这是真的，除了 “地球”，在英语中是日耳曼神的名字，Erda。的 IAU 政策是，人们可以用语言中常用的任何名称来称呼地球和月球。根据 IAU，“terra” 和 “luna” 是不地球及其月球的官方名称:“天文物体的命名”。国际天文学联合会。已存档从 2024 年 3 月 21 日开始。已检索 4 月 27 日 2024。
g.地球的质量为 \(5.9722\times10^{24}\,\text{kg}\)，由此得到质量比 \[ \frac{M_{\text{Neptune}}}{M_{\text{Earth}}} = \frac{1.02\times10^{26}}{5.97\times10^{24}} = 17.15.~ \] 天王星的质量为 \(8.6810\times10^{25}\,\text{kg}\)，由此得到质量比 \[ \frac{M_{\text{Uranus}}}{M_{\text{Earth}}} = \frac{8.68\times10^{25}}{5.97\times10^{24}} = 14.54.~ \] 木星的质量为 \(1.8986\times10^{27}\,\text{kg}\)，由此得到质量比 \[ \frac{M_{\text{Jupiter}}}{M_{\text{Neptune}}} = \frac{1.90\times10^{27}}{1.02\times10^{26}} = 18.63.~ \] 质量数值来源：Williams, David R.（2007 年 11 月 29 日），“Planetary Fact Sheet – Metric”，NASA。该文献于 2014 年 9 月 5 日存档，检索于 2008 年 3 月 13 日。
h.最近三次远日点距离分别为 30.33 AU，下一次为 30.34 AU。近日点距离更加稳定，为 29.81 AU\(^\text{[130]}\)。
i.海卫一的质量为 \(2.14\times10^{22}\,\text{kg}\)。海王星其他已知 12 颗卫星的合计质量为 \(7.53\times10^{19}\,\text{kg}\)，约为 0.35%。行星环的质量可以忽略不计。
j.\[ \frac{r_{a}}{r_{p}} = \frac{2}{1-e}-1 = 2/0.2488 - 1 \approx 7.039.~ \]

12. 参考资料

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13. 参考书目

• 伯吉斯，埃里克 (1991)。遥远的相遇: 海王星系统。纽约:哥伦比亚大学出版社。ISBN 978-0-231-07412-4。
• 帕特里克·摩尔(2000)。天文学数据手册。巴吞鲁日:泰勒和弗朗西斯集团。ISBN 978-0-7503-0620-1。

14. 进一步阅读

• 矿工，埃利斯·D；Wessen, Randii R.(2002)。海王星: 行星，环和卫星。斯普林格-天文学和空间科学方面的实践书籍。伦敦; 纽约:斯普林格。ISBN 978-1-85233-216-7。
• Standage，汤姆 (2000)。海王星文件: 天文学竞争和行星狩猎先驱的故事。纽约:沃克。ISBN 978-0-8027-1363-6。

15. 外部链接

• NASA 的海王星概况介绍 已存档 2010 年 7 月 1 日在回程机
• 海王星 Bill Arnett 的 nineplanets.org
• 海王星 天文学演员第 63 集，包括完整的成绩单。
• Neptune 配置文件(2002 年 11 月 15 日存档)NASA 太阳系探索基地
• 海王星及其内部卫星的交互式 3D 重力模拟 已存档 2020 年 9 月 22 日在回程机