海王星,奇妙的外太陽系天體,自轉、公轉、軌道共振都別具一格

2020-11-25 騰訊網

在地球上，一年大約有365.25天，每一天有大約24小時長。在一年的時間裡我們的星球將會經歷一些相當顯著的季節變化。這是我們地球的公轉周期，自轉周期和軸向傾斜角度所共同決定的。當這三個要素應用於其他星球上時，大部分原理也是相同的。

考慮一下海王星。作為第八顆也是距離太陽最遠的一顆行星，海王星擁有一個非常寬廣的公轉軌道和相對而言較低的轉速。由於這個原因，在海王星上的一天很長，相當於165個地球年。同時加上海王星較極端的軸向傾斜角度，這也意味著海王星會經歷一下相當極端的季節變化。

圖解:海王星和地球大小比較。

公轉周期

海王星在距我們的太陽平均4504450000千米（2798656000英裡；30.11個天文單位）上環繞太陽。由於它的軌道偏心值（0.009456），這個距離在不斷變化，範圍由位於近日點處的4460000000千米（2771000000英裡；29.81個天文單位）到它位於元日點出的454000000千米（2821000000英裡；30.33個 天文單位）。

圖解:海王星以及其他遠日行星的繞日運行軌道，以及太陽系外圍的富含冰的克卜勒小行星帶。來源：NASA

以平均5.43千米/秒的公轉速度，海王星需要164.8地球年（60182地球天）來完成一次公轉。這意味著，實際上，海王星上的一年相當於地球上的165年。然而，由於海王星的自轉周期是0.6713地球日（16小時6分鐘36秒），海王星上的一年相當於89666個海王星太陽日。

鑑於海王星在1846年被發現，人類對於他的存在只有171年的了解（在這篇文章被寫出來的時候）。這意味著從它被發現開始計算，這顆星球只完成了一個公轉周期（這個周期結束於2010年）加上七年的零頭。這個新的公轉周期將會結束於2179年。

軌道共振

由於它位於我們的外太陽系，海王星的而公轉對於臨近的柯伊伯帶有著深遠的影響。這個與小行星主帶相似（不過比它大了很多）的區域由許多位於海王星公轉軌道（據太陽30個天文單位）和距太陽約55個天文單位的地區內的微小的冰球和冰體組成。

圖解:展示太陽系星體間的間距，六個遙遠的柯伊伯帶天體之間的不同尋常的近距離，以及可能存在的「第九大行星」的動態圖解。來源：Caltech/nagualdesign

正如同木星的引力主宰小行星主帶，影響它的形狀並偶爾使一些小行星和微型行星進入內太陽系一樣，海王星的引力主宰了柯伊伯帶（Kuiper Belt）。這造成了柯伊伯帶中的間隔（由於會受到海王星的軌道共振而產生的空白區域）。

在這些間隔區域，物體對於海王星擁有一個1：2，2：3或3：4的共振比，意味著每當海王星完成兩次公轉時，這些天體會完成一次公轉，或當海王星完成三次公轉的時候，它們會完成兩次，依此類推。由於冥王星是其中最大的星體，超過兩百個已知存在的位於2：3共振比地帶的小行星被成為冥族小行星。

儘管冥王星經常穿越海王星的公轉軌道，他們2：3的共振比保證了他們永遠不會相撞。偶爾海王星的重力也會導致冰星體被踢出柯伊伯帶。許多這樣的冰星體最終去向了內太陽系，在那裡它們成為了擁有極長公轉周期的彗星。

海王星的最大衛星，海衛一，過去曾被認為是一顆被花王星的引力捕獲的柯伊伯帶天體（Kuiper Belt Object）以及海外天體（Trans-Neptunian Object )。它的與其他衛星不同的逆行運轉（retrograde motion）為這個猜測提供了證據。與此同時，海王星也擁有一定數目的位於它的第四和第五拉格朗日點（Lagrange points）的特洛伊族天體（Trojan Objects）。這些「海王星特洛伊族天體」可以被認為是與海王星又有著1：1的軌道共振比。

季節變化

與太陽系中的其他行星很相似，海王星的軸是相對太陽的黃道面傾斜的。對於海王星而言，它的軸相對於其運行軌道的夾角約為28.32°（地球的黃赤交角為23.5°）。由於這一點，海王星在一年的時間裡不同的一半球將會接收到比另外一個半球更多的陽光，從而導致它將會經歷季節變化。不過對於海王星而言，一個季節將會持續極長的四十年，使得見證一個完整的季節循環十分困難。

圖解:大黑斑（上面），滑行車（中間白色雲彩）和小黑斑（底部）。

儘管大多數加熱海王星大氣的熱量都來源海王星內部不知名的熱源，一個由威斯康星大學麥迪遜分校和NASA的噴氣推進實驗室的研究者們共同完成的研究指出海王星的季節變化與太陽輻射也有關係。這個結果是基於在1996年和2002年之間哈勃望遠鏡提供的海王星檢驗圖像。

圖解:海王星高層的雲帶在較低層雲頂形成陰影。

這些圖像展示了海王星的巨大南部雲帶在過去六年的時間裡正在逐步變得越來越寬和亮——這段時期與南半球開始了它長達四十年的夏季的時間恰巧吻合。這片正在變大的雲層被歸因於逐漸增大的太陽輻射，由於它在南半球不斷聚集但在赤道上相當有限。

圖解:哈勃望遠鏡拍攝的照片，展示了海王星南半球的季節變化。來源：NASA, L. Sromovsky, and P. Fry (University of Wisconsin-Madison)

海王星在許多方面仍是一個神秘的星球。然而，正在進行的關於它的觀測揭示了許多相似的行為模式，例如，儘管它的成分與地球大相逕庭，運轉軌道相較地球離太陽也遠得多，它的黃赤交角以及公轉周期仍然造成了它不同半球上的季節變化。

能夠知道無論我們冒險進入太陽系內多遠的地方進行探索，無論看上去這些星球與地球有多麼不同，這裡仍然有著許多不變的準則，這一點是極好的。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. universetoday-Matt Williams-伊澤理

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