海王星（惑星）：特性、構成、軌道、運動、構造 - アルテ - 2025

海王星は、軌道距離、氷の巨人など、太陽系の8番目の惑星です。2006年に冥王星が惑星と見なされるのをやめ、カイパーベルトの一部である準惑星になったので、これは事実です。

夜空では、海王星は小さな青みがかった点のように見えますが、ボイジャー2などの1980年代後半の宇宙ミッションが惑星とその衛星に関するデータを提供するまでは、ほとんど知られていませんでした。

図1. 1989年にVoyager 2によって撮影された海王星の画像。大気嵐による暗い斑点を示しています。（出典：NASA）

Voyager 2の画像は、強い嵐と速い風の流れを伴う、青緑色の表面を持つ惑星を初めて示し、暗い高気圧性パッチを生成しました。これらは、木星のものと非常によく似ていますが、それらほど時間的に永続的ではありません。

海王星の大気はメタンに富んでおり、非常にかすかな環構造を持っています。惑星には磁気圏があり、金属のコアがあると推定されています。

これまでに15の海王星の衛星が数えられており、その中でトリトンとネレイダが主な衛星です。

発見と歴史

海王星の発見は、惑星天王星と土星の軌道の乱れの観測に基づく数学的予測の結果でした。以前は1610年に、ガリレオはすでに木星の衛星を発見するのに使用したのと同じ望遠鏡で海王星を目撃していたが、彼はそれを星と間違えた。

はるか後の1846年、天体力学を専門とするフランスの数学者アーバンルヴェリエは、土星と天王星の軌道における特定の摂動を研究しました。最良の説明は、彼が空の軌道と位置を予測した新しい惑星の存在を提案することでした。次のステップは惑星を見つけることだったので、ルベリエはドイツの天文学者ヨハンゴットフリートガルにそれを探すよう説得しました。

1846年9月23日の夜、ゴールはベルリンの天文台から新しい惑星の存在を確認し、数日のうちに最大の衛星であるトリトンが現れました。

ほぼ同時にイギリスのケンブリッジで、しばらくの間この問題に取り組んできた若い数学者のジョンカウチアダムスも同様の予測をしました。

ネプチューンの名前は、ローマ神話の海の神（ギリシャの神ポセイドンに相当）に因んでおり、ローマのパンテオンの神々にちなんで惑星に名前を付けるという伝統があります。

一般的な特性

海王星の直径は地球の直径のほぼ4倍ですが、巨大な木星の約3分の1です。

図2.海と比較した海王星。（出典：ウィキメディア・コモンズ）

その質量は地球の17倍で、体積は57倍です。質量の点では、太陽系の惑星の中で3番目に位置し、サイズは4番目です。

海王星の主な物理的特性のまとめ

-質量： 1024×10 ²⁶ kgの（すなわち地球の17147倍）

-平均半径： 24,622 km、地球の半径の3.87倍に相当します。

-Shape： 0.983倍に極で平坦化されます。

- 軌道の平均半径： 30.07 AUに相当する4.498 x 10 ⁹ km

- 回転軸の傾き：軌道面に対して30º。

-温度： -220ºC（雲）

-重力： 11.15 m / s ²（1.14g）

-自分の磁場：はい、赤道で14マイクロテスラ。

-雰囲気：水素84％、ヘリウム12％、メタン2％、アンモニア0.01％。

-密度： 1,640 kg / m ³

-衛星：現在までに15個が知られています。

-リング：はい、それらは薄く、氷とケイ酸塩の粒子で構成されています。

翻訳運動

太陽系の8番目の惑星である海王星は、太陽の周りの軌道の平均半径が30 AUのガス巨人です。天文単位AUは1億5000万キロメートルに相当し、太陽と地球の間の平均距離です。

図3.海王星の軌道を赤で示すアニメーションと、青い点である天王星の軌道。出典：ウィキメディア・コモンズ。

これは、海王星の経路の半径が地球の半径の30倍であることを意味するため、太陽の周りを1回転するのに165年かかります。

海王星についての楽しい事実

-それは太陽から最も遠い惑星です。なぜなら、海王星の軌道の後にある冥王星は現在、矮小惑星です。

-ネプチューンは、4つの巨大惑星（木星、土星、天王星、海王星）の中で最小です。

-海王星の重力は地球のそれに非常に似ています。

-太陽系で最も寒い惑星で、平均気温は-221.4℃です。

-それはリングのシステムを持っていますが、土星のそれとは異なり、それらは連続的ではなく、代わりにその軌道経路に沿って弧を形成します。

-ネプチューンは、巨大な惑星の中で最も密度の高い惑星です。

-それは驚くべき2,100 km / hに達することができる太陽系で最も速い風のハリケーンを持っています。

-ネプチューンには、グレートダークスポット、つまり惑星地球のサイズの渦があります。1989年に撮影されたこのスポットは1994年に姿を消しましたが、新しいダークスポットが生まれました。

-海王星の最大の衛星であるトリトンは、他の衛星とは逆方向に回転しているため、惑星に閉じ込められて形成されなかったと考えられています。

-トリトン（ネプチューンの最大の衛星）には火山と窒素間欠泉がありますが、太陽系（-235ºC）で最も冷たい星の1つです。

-ボイジャー2号のミッションは、1989年に惑星海王星の北極から3,000 kmを通過しました。

-2011年7月12日、海王星は1846年9月23日の発見以来、最初の完全な軌道を完成しました。

回転運動

図4.海王星が軸を中心に1回転するまでに約16時間かかります。出典：NASA。

これまでで最も正確な測定によれば、海王星の回転は15時間57分59秒です。

大気の表面のみを示し、移動する惑星の回転速度を決定することは簡単な作業ではありません。岩が多い惑星の回転速度を決定することははるかに簡単です。

ボイジャー2号が1989年に海王星に到達したとき、16時間6.5秒の回転周期が推定されました。今日、この測定は不正確であることが知られています。これは、アリゾナ大学の惑星科学者Erich Karkoschkaの骨の折れる測定のおかげです。

回転速度と磁場

他の巨大惑星の回転速度は、磁場によって放出されるパルスによって測定されます。ただし、次の比較画像でわかるように、磁気双極子の軸も中心も惑星の回転軸と一致しないため、この方法は海王星には適用されません。

図5.巨大惑星の磁場。出典：種子、2011年。太陽系。第7版。Cengage Learning。

この画像は、ほぼ惑星の中心にある双極子（磁石）によって生成される磁場のモデルを示しています。このモデルは、地球の磁場にも適しています。

しかし、四重極と高次の入力が双極子場よりも大きくなる可能性があるという意味で、海王星場は異常です。そして、図からわかるように、ダイポールは中心からずれています。

そこで、カルコシュカはハッブル望遠鏡からの500以上の画像を使用して、別の方法を考案しました。彼は自分が呼んだ惑星の2つの特徴的な特徴を見つけました。それは南極の特徴と南極の波です。

これらは1990年代以来同じ速度で回転しており、これが惑星の真の速度であることを裏付けています。

図6.この海王星の画像では、カラーフィルターを使用してダークスポット2と南極フィーチャーを強調表示しています。これらは惑星に固定されているように見えます。出典：Erich Karkoschka。

図5（上記）の画像は、惑星の大気特性を強調するためにフィルターによって変更された色とコントラストを示しています。

すでに述べたように、海王星の大気の風は音速を超えることがよくあります。

したがって、ネプチューンのグレートダークスポットは、相対的な位置が時間とともに変化しますが、ダークスポット2とサウスポーラーフィーチャは、相対的な位置を維持します。これは、それらが惑星の自転に結びついていることを示唆しており、カルコシュカは海王星の1日の長さを正確に決定することができました。

組成

水素（84％）、ヘリウム（12％）、メタン（2％）などの元素、およびアンモニア、エタン、アセチレンなどの他のガスは、海王星の大気中に含まれています。この大気下には、水、液体アンモニア、メタン、溶融岩の混合物があり、シリカ、鉄、ニッケルが含まれています。

メタン、アンモニア、水の濃度が増加しているのは、大気のより低い地域です。双子の惑星である天王星とは異なり、海王星の構成にはより大きな海があります。

構造

惑星は、すべてが半径の3分の1を占める高密度で厚い大気下にある、氷の殻で囲まれた岩石のコアを持っています。それは双子の惑星天王星のそれに似ています。

次の図は、海王星の構造をより詳細に示しています。

図7. Neptuneの内部構造。出典：ウィキメディア・コモンズ。Chocofrito / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0）。

海王星はよく区別された層を持つ構造を持っています：

- 上層：それは主に水素とヘリウムであり、程度は少ないがメタンと他のガスである雲で構成されています。これは、惑星の質量の約5〜10％に相当します。

- 雰囲気：水素、ヘリウム、メタン。

- マントル：大気の下には、惑星の偉大なマントルがあり、温度は1,727〜4,727°Cに達する液体領域です。流体状態の水、メタン、およびアンモニアで構成されています。

マントルの範囲は10〜15陸地で、水、アンモニア、メタンが豊富です。この混合物は、熱くて密度の高い流体であるにもかかわらず「氷」と呼ばれ、水とアンモニアの海とも呼ばれます。

マントル自体の温度は1700℃から4700℃と非常に高く、電気伝導度も高いです。

- コア：シリカと鉄とニッケルの岩でできており、他の氷とガスの巨人である天王星に似ています。核の質量は地球の質量の1.2倍です。中心部の圧力は700 GPaと推定されており、地球の中心部の圧力の約2倍であり、最高温度は5,670℃です。

雰囲気

海王星の雰囲気は非常に興味深く、特別なセクションに値します。そもそも太陽から最も離れた惑星であり、日射量が非常に少ないため、非常に寒い。これにより、大気上部の温度は-220℃程度になります。

しかし、海王星には内部熱源があります。これは、おそらく流体マントル内の伝導電子の衝突と、その形成中の残りの熱によるものです。

この巨大な温度勾配により、非常に大きな対流が発生し、惑星の気候システムは非常に極端になります。

そして、太陽系で最大の嵐とハリケーンが発生します。これは、異なる緯度で対抗する風による高気圧性電流の巨大なパッチの形成によって証明されています。

ネプチューンのすべての高気圧性システムの中で、グレートダークスポットが際立っており、1989年にボイジャー2探査機が地球から3,000キロメートルを通過したときに初めて撮影しました。

色の面では、海王星は天王星より青みがかっています。これは、メタンの濃度が高いためであり、赤の波長を吸収し、青の波長を反射します。しかし、その色に寄与する他の分子もあります。

大気の下部（対流圏）では気温は高さとともに低下しますが、上部（成層圏）では逆になります。これらの層の間の圧力は1万パスカル（Pa）です。

成層圏の上には熱圏があり、これは徐々に外気圏に変わり、そこで圧力は10 Paから1 Paに減少します。

海王星の衛星

現在までに、地球の15の自然衛星が数えられています。その最大の衛星であり、1846年に最初に発見されたのはトリトンです。1949年に、Nereidaという名前の2番目の衛星が発見されました。

1989年、ボイジャー2号のミッションで、ナイアッド、タラッサ、デスピナ、ガラテア、ラリサ、プロテウスの6つの衛星が発見されました。

2003年の後半に、ハリメーデス、サン、ラオメイディア、プサメート、ネソが発見されました。小型衛星14は2013年にSETI研究所によって発見され、その軌道期間は23時間です。

海王星の主な衛星の詳細を見てみましょう。

トリトン

これは、海王星の衛星の中で最大であり、直径は2,700 kmで、主惑星の約18倍、地球の約5分の1です。

軌道周期はほぼ6日ですが、奇妙なことに、海王星や他の衛星の回転とは逆方向に回転します。さらに、その軌道は惑星の軌道面に対して30度傾いています。

太陽系の中で最も冷たい物体で、平均気温は-235℃で、4分の3の岩と4分の1の氷でできています。その表面には、大気に向かって暗い発散を伴う間欠泉があり、表面には平野と200 kmのクレーターを持ついくつかの火山があります。

図8.海王星の主な衛星。トリトン、プロテウス、ネレイダ、ラリサ。出典：ウィキメディア・コモンズ。

ネレイド

受ける太陽光の14％を反射するという事実のおかげで、1949年にジェラードカイパーによって発見されました。

そのサイズはトリトンの1/8であり、非常に偏心した軌道を持ち、海王星への最も近いアプローチは1,354,000 kmであり、最遠距離は9,624,000 kmであり、360日で完了します。

プロテウス

図9.友愛、平等、自由は、アダムスリング（最も外側）のアーチに付けられた名前です。内側のリングはLe Verrierです。（出典：ウィキメディア・コモンズ）

海王星には5つの薄いかすかな輪があり、主に塵と氷の粒子で構成されています。その起源は、流星と惑星の自然衛星との衝突によって残された破片にあると考えられています。

リングは、発見と研究に最も貢献した科学者の姓にちなんで名付けられました。最も内側から最も外側まで、ゴール、ルヴェリエ、ラッセル、アラゴ、アダムスです。

次の画像に示すように、ガラテア衛星と軌道を共有するリングもあります。

図10.海王星の5つのリングとその名前の図。一部の衛星の軌道も表示されます。（出典：NASA）。

海王星を観測する時期と方法

ネプチューンは肉眼では見ることができません。アマチュアの望遠鏡を使っても、星と間違えるほど小さく見えます。

これを行うには、プラネタリウムとして機能するコンピュータプログラムまたはアプリケーションを使用するのが最善です。Androidオペレーティングシステムでは、Sky Mapsアプリケーションが際立っており、惑星やその他の天体をかなりの精度ですばやく見つけることができます。

観測に最適な時期は、惑星が反対側にあるときです。つまり、地球は太陽と海王星を結ぶ線の間にあります。

この現象は368日ごとに発生し、2020年までに9月11日に発生します。ネプチューンを観察するのは、これだけではありません。ネプチューンは、他の時期にも見られます。

優れた望遠鏡を使用すると、海王星は青緑色の円盤のように見えるため、背景の星と区別できます。

ネプチューンの磁気圏

以前、海王星の磁場の特殊性についてコメントされていました。惑星の磁極は、回転軸に対して47º傾いています。

磁場は、惑星内部に薄い球状の層を形成する導電性流体の動きによって生成されます。しかし、海王星では、磁極は中心から惑星から約0.5半径ずれています。

磁気赤道での磁場の強度は15マイクロテスラのオーダーであり、地球の強度の27倍です。

最も関連性の高い寄与が双極子である地球とは異なり、四重極の寄与は双極子の寄与を超える可能性があるため、場の形状は複雑です。

図11.海王星の特異な磁場。（出典：emaze.com）

海王星の磁気圏は、衝撃波前部で半径の35倍、尾部で半径の72倍まで広がります。

磁気圏界面は、磁気圧力が太陽からの荷電粒子の圧力に等しい場所であり、惑星からの半径が23〜27半径です。

ネプチューンへのミッション

ボイジャー2

惑星海王星を周回させる唯一の宇宙ミッションは、1982年に惑星に到着したボイジャー2号でした。

現時点では、トリトンとネレイダの2つの衛星しか知られていませんでした。しかし、ボイジャー2号のミッションのおかげで、ナイアッド、タラッサ、デスピナ、ガラテア、ラリサ、プロテウスの6つが発見されました。これらの衛星はTritonよりもかなり小さく、不規則な形状と小さな半径の軌道を持っています。

これらの6つの衛星は、海王星の引力によって捕獲されたときにトリトンと衝突した古代の衛星との衝突の跡であると疑われています。

Voyager 2はまた、Neptuneに新しいリングを発見しました。最初のリングは1968年に発見されましたが、その存在と新しいリングの発見は、1989年にそのプローブが到着するまで不可能でした。

惑星への宇宙船の最も近い接近は1989年8月25日に起こりました、それは海王星の北極から4800キロの距離で起こりました。

これが宇宙船が訪れることができる最後の主要な惑星だったので、土星とその月のタイタンによって飛んだボイジャー1で行われたものと同様に、月トリトンの接近接近を行うことが決定されました。

1989年8月25日、宇宙船は月のネレイドに接近し、海王星の大気から4,400 kmに到達し、同じ日に惑星の最大の月であるトリトンの近くを通過しました。

宇宙船は海王星を取り巻く磁場の存在を検証し、天王星の周りの磁場と同様に、磁場が中心からオフセットされ傾斜していることを発見しました。

参考文献

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