發(fā)現(xiàn)

在最早的觀測記錄中，伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei）在1612年12月28日首度觀測并描繪出海王星，1613年1月27日又再次觀測，但因?yàn)橛^測的位置在夜空中都靠近木星（海王星與木星處在合的位置），這兩次機(jī)會(huì)伽利略都誤認(rèn)海王星是一顆恒星。因此，海王星的發(fā)現(xiàn)并不歸功于他。1612年12月，他第一次觀測海王星時(shí)，海王星在天空中幾乎是靜止的，因?yàn)槟翘焖鼊偤媚嫘辛?。這種明顯的反向運(yùn)動(dòng)是當(dāng)?shù)厍虻能壍澜?jīng)過一顆外行星時(shí)產(chǎn)生的。因?yàn)楹Ｍ跣遣艅倓傞_始它的年度逆行周期，這顆行星的運(yùn)動(dòng)太微弱了，伽利略的小型望遠(yuǎn)鏡無法觀測到。2009年，墨爾本大學(xué)的物理學(xué)家大衛(wèi)·杰美生宣稱，有新的證據(jù)表明伽利略至少知道他看見的星星相對于背景的恒星有微量的相對運(yùn)動(dòng)。

在1821年，法國天文學(xué)家亞歷斯·布瓦爾（Alexis Bouvard）出版了天王星的軌道表，隨后的觀測顯示出與表中的位置有越來越大的偏差，使得布瓦爾假設(shè)有一個(gè)攝動(dòng)體存在。在1843年約翰·柯西·亞當(dāng)斯計(jì)算出會(huì)影響天王星運(yùn)動(dòng)的第八顆行星軌道，并將計(jì)算結(jié)果皇家天文學(xué)家喬治·艾里，他問了亞當(dāng)斯一些計(jì)算上的問題，亞當(dāng)斯雖然草擬了答案但未曾回復(fù)。在1846年，法國工藝學(xué)院的天文學(xué)教師奧本·勒維耶（Urbain Le Verrier）在得不到同行的支持下，以自己的熱誠獨(dú)立完成了海王星位置的推算。但是，在同一年，約翰·赫歇耳也開始擁護(hù)以數(shù)學(xué)的方法去搜尋行星，并說服詹姆斯·查理士著手進(jìn)行。在多次耽擱之后，查理士在1846年7月勉強(qiáng)開始了搜尋的工作；而在同時(shí)，勒維耶也說服了柏林天文臺的約翰·格弗里恩·伽勒（Johann Gottfried Galle）搜尋行星。當(dāng)時(shí)仍是柏林天文臺的學(xué)生達(dá)赫斯特（Heinrich d'Arrest）表示正好完成了勒維耶預(yù)測天區(qū)的最新星圖，可以作為尋找新行星時(shí)與恒星比對的參考圖。在1846年9月23日晚間，海王星被發(fā)現(xiàn)了，與勒維耶預(yù)測的位置相距不到1°，但與亞當(dāng)斯預(yù)測的位置相差10°。事后，查理士發(fā)現(xiàn)他在8月時(shí)已經(jīng)兩度觀測到海王星，但因?yàn)閷@件工作漫不經(jīng)心而未曾進(jìn)一步的核對。

由于民族優(yōu)越感和民族主義的影響，使得發(fā)現(xiàn)海王星在英法兩國余波蕩漾，國際間的輿論最終迫使勒維耶接受亞當(dāng)斯也是共同的發(fā)現(xiàn)者。然而，在1998年，史學(xué)家才得以重新檢視天文學(xué)家奧林·艾根（Olin Eggen）遺產(chǎn)中的海王星文件（來自格林威治天文臺的歷史文件，明顯是被奧林·艾根竊取近三十年，在他逝世之后才得重見天日），在檢視過這些文件之后，有些史學(xué)家認(rèn)為亞當(dāng)斯不應(yīng)該得到如同勒維耶的殊榮。

命名

在發(fā)現(xiàn)之后的一段時(shí)間，海王星不是被稱為“天王星外的行星”就是“勒維耶的行星”。伽雷是第一位建議取名的人，他建議的名稱是Janus（雅努斯，羅馬神話中看守門戶的雙面神）。在英國，查理士將之命名為Oceanus；在法國，阿拉貢（Fran?ois Arago）建議稱為勒維耶，以回應(yīng)法國之外強(qiáng)烈的抗議聲浪。

法國天文年歷當(dāng)時(shí)以赫歇耳稱呼天王星，相對于以勒維耶稱呼這顆新發(fā)現(xiàn)的行星。同時(shí)，在分開和獨(dú)立的場合，亞當(dāng)斯建議修改天王星的名稱為喬治，而勒維耶經(jīng)由經(jīng)度委員會(huì)建議以Neptune作為新行星的名字。斯特魯維（Struve）在1846年12月29日于圣彼得堡科學(xué)院挺身而出支持勒維耶建議的名稱。

海王星

遠(yuǎn)看海王星

內(nèi)部構(gòu)造

海王星

很快的，海王星成為國際上被接受的新名稱。在羅馬神話中的Neptune（尼普頓）等同于希臘神話的Poseidon（波塞冬），都是海神，因此中文翻譯成海王星。新發(fā)現(xiàn)的行星遵循了行星以神話中的眾神為名的原則，而除了天王星之外，都是在遠(yuǎn)古時(shí)代就被命名的。中文及韓文、日文和越南文的漢字寫法都是“海王星”。在印度，這顆行星的名稱是Varuna（Devanāgarī），也是印度神話中的海神，與希臘-羅馬神話中Poseidon或Neptune的意義是相同的。在蒙古，海王星稱為Dalain Van(Далайнван)，反映了其同名神的角色是大海的統(tǒng)治者。在現(xiàn)代希臘，人們?nèi)耘f將海王星稱為波塞冬（Ποσειδ?να?,Poseidonas）。在希伯來語中，2009年希伯來語學(xué)院投票將海王星的名稱稱為???（Rahab），來自《圣經(jīng)》中提到的海怪，盡管現(xiàn)有的拉丁詞Neptun(?????)更為常用。在納瓦特爾語中，海王星被以雨神Tlāloc的名字命名為Tlāloccītlalli。

從1846年發(fā)現(xiàn)海王星到1930年發(fā)現(xiàn)冥王星之前，海王星是已知最遠(yuǎn)的行星。當(dāng)冥王星被發(fā)現(xiàn)時(shí)，冥王星被認(rèn)為是一顆行星，因此海王星成為已知的第二遠(yuǎn)的行星，除了在1979年到1999年之間，冥王星的橢圓軌道使它比海王星離太陽更近。1992年柯伊伯帶的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致許多天文學(xué)家爭論冥王星應(yīng)該被認(rèn)為是一顆行星還是柯伊伯帶的一部分。2006年，國際天文聯(lián)合會(huì)首次定義了“行星”一詞，將冥王星踢除太陽系重新歸類為“矮行星”，使海王星再次成為太陽系最外層的行星。

星體運(yùn)動(dòng)

公轉(zhuǎn)

海王星與太陽之間的平均距離為45億公里，約30.1個(gè)天文單位（AU）。海王星的軌道周期（年）大約相當(dāng)于164.79地球年,軌道傾角約為1.77°。海王星于2011年7月12日回到繞日公轉(zhuǎn)軌道上它被發(fā)現(xiàn)時(shí)的那個(gè)點(diǎn)。由于地球處于其365.25天周期軌道的不同地點(diǎn)，屆時(shí)從地球看到的海王星并不會(huì)處在它被發(fā)現(xiàn)時(shí)在天空中的那個(gè)位置。從地球上觀察，海王星沖日周期為367天，這些周期使它在2010年4月和7月以及2011年10月和11月接近1846年它被發(fā)現(xiàn)時(shí)的坐標(biāo)。在2010年8月20日，海王星于發(fā)現(xiàn)它的1846年中的同一天再度沖日。

自轉(zhuǎn)

海王星的軸向傾角為28.32°，與地球（23°）和火星（25°）的傾角相似，因此，海王星經(jīng)歷了與地球相似的季節(jié)變化。海王星的長軌道周期意味著四季持續(xù)40地球年。海王星的自轉(zhuǎn)周期（日）是15小時(shí)57分59秒。

因?yàn)楹Ｍ跣遣皇且粋€(gè)固體，它的大氣層會(huì)發(fā)生差速旋轉(zhuǎn)。寬赤道帶的自轉(zhuǎn)周期約為18小時(shí)，比星體磁場的16.1小時(shí)自轉(zhuǎn)慢。相反，在極性區(qū)域，旋轉(zhuǎn)周期為12小時(shí)，反之亦然。海王星的較差自轉(zhuǎn)是太陽系中最明顯的，它會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的緯向風(fēng)切變。

物理特性

質(zhì)量

海王星的質(zhì)量為1.0247e 26千克，是介于地球和巨行星（指木星和土星）之間的中等大小行星：它的質(zhì)量是地球質(zhì)量的17倍，是木星質(zhì)量的1/18。因?yàn)樗鼈冑|(zhì)量較典型類木行星小，而且密度、組成成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)也與類木行星有顯著差別，海王星和天王星一起常常被歸為類木行星的一個(gè)子類：冰巨星。在太陽系外行星研究領(lǐng)域，海王星被用作一個(gè)通用代號，指所發(fā)現(xiàn)的有著類似海王星質(zhì)量的系外行星，就如同天文學(xué)家們常常說的那些系外“木星”。

溫度

因?yàn)檐壍谰嚯x太陽很遠(yuǎn)，海王星從太陽得到的熱量很少，所以海王星大氣層頂端溫度只有-218℃（55K），而由大氣層頂端向內(nèi)溫度穩(wěn)定上升。和天王星類似，星球內(nèi)部熱量的來源仍然是未知的，而結(jié)果卻是顯著的：作為太陽系最外側(cè)的行星，海王星內(nèi)部能量卻大到維持了太陽系所有行星系統(tǒng)中已知的最高速風(fēng)暴。對其內(nèi)部熱源有幾種解釋，包括行星內(nèi)核的放射熱源，行星生成時(shí)吸積盤塌縮能量的散熱，還有重力波對平流圈界面的擾動(dòng)。

成分

海王星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和天王星相似。行星核是一個(gè)質(zhì)量大概不超過一個(gè)地球質(zhì)量的由巖石和冰構(gòu)成的混合體。海王星地幔總質(zhì)量相當(dāng)于10到15個(gè)地球質(zhì)量，富含水，氨，甲烷和其它成分。作為行星學(xué)慣例，這種混合物被叫作冰，雖然其實(shí)是高度壓縮的過熱流體。這種高電導(dǎo)的流體通常也被叫作水-氨海洋。大氣層包括大約從頂端向中心的10%到20%，高層大氣主由80%氫和19%氦組成。甲烷，氨和水的含量隨高度降低而增加。更內(nèi)部大氣底端溫度更高，密度更大，進(jìn)而逐漸和行星地幔的過熱液體混為一體。海王星內(nèi)核的壓力是地球表面大氣壓的數(shù)百萬倍通過比較轉(zhuǎn)速和扁率可知海王星的質(zhì)量分布不如天王星集中。

海王星的地幔相當(dāng)于10到15個(gè)地球質(zhì)量，富含水、氨和甲烷。按照行星科學(xué)的慣例，這種混合物被稱為冰，即使它是一種熱的、致密的流體。一個(gè)由氫分子組成的導(dǎo)電性很強(qiáng)的水，它有時(shí)被稱為水的氫離子層，在更深層的高級離子水中，氧結(jié)晶，而氫離子在氧晶格中自由漂浮。

另有一些研究人員對鉆石熔點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)測量，當(dāng)鉆石融化時(shí)就像是水冷凍和融化的過程，在液態(tài)形式之上漂浮著固定形式鉆石是一種非常堅(jiān)硬的物質(zhì)，它很難被融化。由于當(dāng)鉆石在高溫下加熱熔化容易變成石墨，因此研究人員很難測量鉆石在變成石墨之前具體的熔點(diǎn)?？茖W(xué)家將鉆石暴露于高壓下使用激光轟擊鉆石表面，4000萬倍零海拔壓力的作用下，鉆石變成了液態(tài)。當(dāng)壓力降低至零海拔1100萬倍，溫度降低至5萬攝氏度，固體成塊的鉆石便開始形成。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些事情并非他們之前所預(yù)計(jì)的那樣，當(dāng)溫度降低至形成固態(tài)鉆石的狀態(tài)下，形成的固態(tài)鉆石并未沉下去，而是漂浮在液態(tài)鉆石的頂層，就像是鉆石冰川一樣。在海王星和天王星這樣的超大氣態(tài)行星上，存在著類似鉆石液化的超高溫度和壓力。如海王星，在7000千米的深度，甲烷分解成鉆石晶體，像冰雹一樣向下滴落。科學(xué)家還認(rèn)為，這種鉆石雨還會(huì)發(fā)生在木星、土星和天王星上。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的超高壓實(shí)驗(yàn)表明，地幔頂部可能是液態(tài)碳的海洋，上面漂浮著固體鉆石。

科學(xué)家唯一能確定海王星和天王星表面是否存在液態(tài)鉆石的方法就是發(fā)射科學(xué)探測器，或者在地球模擬這些氣態(tài)行星的環(huán)境特征但以上的方法成本都很高，需要多年時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備。據(jù)悉，這項(xiàng)研究報(bào)告已發(fā)表在《自然物理學(xué)》期刊上。

核心

海王星的核心可能由鐵、鎳和硅酸鹽組成，內(nèi)部的質(zhì)量大約是地球的1.2倍。中心的壓力為7 Mbar（700 GPa），大約是地球中心的兩倍，溫度可能為5400 K。

大氣層

海王星的大氣占總質(zhì)量的5%到10%，并向核心延伸了約10%到20%。在高海拔處，海王星的大氣層80%是氫，19%是氦，也存在著微量的甲烷。主要的吸收帶位于600納米以上波長的紅色和紅外線的光譜位置。與天王星比較，它的吸收是大氣層的甲烷部分，使海王星呈現(xiàn)藍(lán)色的色調(diào)，雖然海王星活潑的淡青色不同于天王星柔和的青色，由于海王星大氣中的甲烷含量類似于天王星，一些未知的大氣成分被認(rèn)為有助于海王星的顏色。海王星的大氣層可以細(xì)分為兩個(gè)主要的區(qū)域：低層的對流層，該處的溫度隨高度降低；和平流層，該處的溫度隨著高度增加。兩層之間的邊界，對流層在氣壓為0.1巴（10kPa，1巴=0.1MPa=100kPa，約等于地球上1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）處。平流層在氣壓低于10至10微巴（1至10Pa）處成為熱成層，熱成層逐漸過渡為散逸層。

模型表明海王星對流層的云帶取決于不同海拔高度的成分。高海拔的云出現(xiàn)于氣壓低于1帕之處，該處的溫度使甲烷可以凝結(jié)。壓力在1巴至5巴（100kPa至500kPa），被認(rèn)為氨和硫化氫的云可以形成。壓力在5巴以上，云可能包含氨、硫化氨、硫化氫和水。更深處的水冰云可以在壓力大約為50巴（5MPa）處被發(fā)現(xiàn)，該處的溫度達(dá)到0℃。在下面，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)氨和硫化氫的云。海王星高層的云會(huì)曾經(jīng)被觀察到在低層云的頂部形成陰影，高層的云也會(huì)在相同的緯度上環(huán)繞著行星運(yùn)轉(zhuǎn)。這些環(huán)帶的寬度大約在50至150千米，并且在低層云頂之上50至110千米。海王星的光譜顯示平流層的低層是朦朧的，這是因?yàn)樽贤饩€造成甲烷光解的產(chǎn)物，例如乙烷和乙炔，凝結(jié)。平流層也是微量的一氧化硫和氰化氫的來源海王星的平流層因?yàn)樘細(xì)浠衔锏臐舛容^高，也比天王星的溫暖。

由于一些尚不清楚的原因，這顆行星的熱成層有著大約750K的異常高溫。要從太陽來的紫外線輻射獲得熱量，對這顆行星來說與太陽的距離是太遙遠(yuǎn)了。一個(gè)假設(shè)的加熱機(jī)制是行星的磁場與離子的交互作用；另一個(gè)假設(shè)是來自內(nèi)部的重力波在大氣層中的消耗。熱成層包含可以察覺到的二氧化碳和水，其來源可能來自外部，例如流星體和塵埃。

氣候

海王星和天王星之間的一個(gè)區(qū)別是典型氣象活動(dòng)的水平，海王星的天氣特點(diǎn)是極端活躍的。1986年當(dāng)旅行者2號航天器飛經(jīng)天王星時(shí)，該行星視覺上相當(dāng)平淡，而在1989年旅行者2號飛越期間，海王星展現(xiàn)了著名的天氣現(xiàn)象。海王星的大氣有太陽系中的最高風(fēng)速，據(jù)推測源于其內(nèi)部熱流的推動(dòng)，其風(fēng)速達(dá)到超音速速度直至大約2100千米/小時(shí)。在赤道帶區(qū)域，更加典型的風(fēng)速能達(dá)到大約1200千米/小時(shí)。根據(jù)蒲福風(fēng)級即世界氣象組織所建議的分級地球風(fēng)速最大為12級風(fēng)，約118千米/小時(shí)。通過跟蹤持續(xù)云的運(yùn)動(dòng)測得，海王星風(fēng)速在向東方向的風(fēng)速為20米/秒，向西風(fēng)速為325米/秒，盛行風(fēng)的速度從赤道的400米/秒到兩極的250米/秒不等。海王星上的大多數(shù)風(fēng)都朝著與地球自轉(zhuǎn)相反的方向移動(dòng)。風(fēng)的一般模式顯示，在高緯度地區(qū)是順行旋轉(zhuǎn)，而在低緯度地區(qū)則是逆行旋轉(zhuǎn)。流動(dòng)方向的差異被認(rèn)為是一種“趨膚效應(yīng)”，而不是由任何更深的大氣過程造成的。在緯度70°S處，高速射流的速度為300米/秒。

海王星赤道的甲烷、乙烷和乙炔的豐度是兩極的10-100倍。這被解釋為赤道上升流和兩極附近下沉的證據(jù)，因?yàn)闆]有經(jīng)向環(huán)流，光化學(xué)無法解釋這種分布。

大黑斑

1989年，美國航空航天局的旅行者2號航天器發(fā)現(xiàn)了大黑斑（The Great Dark Spot）。在海王星表面的南緯22度，有的類似木星大紅斑及土星大白斑的卵狀氣旋，以大約16天的周期一反時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)，稱為“大黑斑”。由于大黑斑每18.3小時(shí)左右繞行海王星一圈，比海王星的自轉(zhuǎn)周期還要長，大黑斑附近的緯度吹著速度達(dá)300米每秒的強(qiáng)烈西風(fēng)。旅行者2號還在南半球發(fā)現(xiàn)一個(gè)較小的黑斑極一以大約16小時(shí)環(huán)繞行星一周的速度飛馳的不規(guī)則的小團(tuán)白色煙，得知是“The Scooter”。它或許是一團(tuán)從大氣層低處上升的羽狀物，但它真正的本質(zhì)還是一個(gè)謎。然而在1994年11月2日，哈勃望遠(yuǎn)鏡對海王星的觀察發(fā)現(xiàn)大黑斑竟然消失了。它或許就這么消散了，或許暫時(shí)被大氣層的其他部分所掩蓋。幾個(gè)月后哈勃望遠(yuǎn)鏡在海王星的北半球發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的黑斑。這表明海王星的大氣層變化頻繁，這也許是因?yàn)樵频捻敳亢偷撞繙囟炔町惖募?xì)微變化所引起的。

滑行車

滑行車（Scooter）是位于大黑斑更南面的另一場風(fēng)暴，是一組白色云團(tuán)。當(dāng)1989年旅行者2號造訪海王星之前的幾個(gè)月，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了它并用這個(gè)綽號命名，因?yàn)樗却蠛诎咭苿?dòng)得更快。隨后圖像顯示出還有比滑行車移動(dòng)得更快的云團(tuán)。小黑斑是一場南部的颶風(fēng)風(fēng)暴，在1989旅行者2號訪問期間，風(fēng)速強(qiáng)度排在第二位。它最初是完全黑暗的，但在旅行者2號接近過程中，一個(gè)明亮的核心逐漸形成，大多數(shù)最高分辨率的圖像上都有。2007年又發(fā)現(xiàn)海王星的南極比其表面平均溫度（大約為-200℃）高出約10℃。這樣高出10℃的溫度足以把甲烷釋放到太空，而在海王星其它區(qū)域的上層大氣層中甲烷是被凍結(jié)著的。

海王星在類木行星中的一個(gè)獨(dú)有特點(diǎn)就是高層云彩在其下半透明的云基區(qū)域投下陰影。雖然海王星的大氣遠(yuǎn)比天王星的活躍它們都是由相同的氣體和冰組成。天王星和海王星都不是木星和土星那種嚴(yán)格意義上的類木行星而屬于另一類的遠(yuǎn)日行星，即它們有一個(gè)較大的固體核而且還含有冰作為其組成成分。海王星表面溫度非常低，1989年測到的頂端云層的溫度低至-224℃（49K）。由于季節(jié)的變化，海王星南半球的云帶的大小和反照率都在增加。這種趨勢最早發(fā)生在1980年，預(yù)計(jì)將持續(xù)到2020年左右。海王星的長軌道周期導(dǎo)致四季持續(xù)40年。

風(fēng)暴

海王星上的風(fēng)暴是太陽系類木行星中最強(qiáng)的?？紤]到它處于太陽系的外圍，所接受的太陽光照比地球上微弱1000倍（仍然非常明亮，視星等-21），這個(gè)現(xiàn)象和科學(xué)家們的原有的期望不符。曾經(jīng)普遍認(rèn)為行星離太陽越遠(yuǎn)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)暴的能量就應(yīng)該有越少。木星上的風(fēng)速已達(dá)數(shù)百千米/小時(shí)，而在更加遙遠(yuǎn)的海王星上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)風(fēng)速?zèng)]有更慢而是更快了（1600千米/小時(shí)）。這種明顯反常現(xiàn)象的一個(gè)可能原因是，如果風(fēng)暴有足夠的能量，將會(huì)產(chǎn)生湍流，進(jìn)而減慢風(fēng)速（正如在木星上那樣）。然而在海王星上，太陽能過于微弱，一旦開始刮風(fēng)，它們遇到很少的阻礙，從而能保持極高的速度。海王星釋放的能量比它從太陽得到的還多因而這些風(fēng)暴也可能有著尚未確定的內(nèi)在能量來源。

2007年又發(fā)現(xiàn)海王星的南極比其表面平均溫度（大約為-200℃）高出約10℃。這樣高出10℃的溫度足以把甲烷釋放到太空，而在其它區(qū)域海王星的上層大氣層中甲烷是被凍結(jié)著的。這個(gè)相對熱點(diǎn)的形成是因?yàn)楹Ｍ跣堑能壍纼A角使得其南極在過去的40年受到太陽光照射，而一海王星年相當(dāng)于165地球年。隨著海王星慢慢地移近太陽，它南極將逐漸變暗，并且換成北極被太陽光照亮，這將使得甲烷釋放區(qū)域從南極轉(zhuǎn)移到北極。

磁層

海王星有著與天王星類似的磁層，它的磁場相對自轉(zhuǎn)軸有著高達(dá)47°的傾斜，并且偏離核心至少0.55半徑，或是偏離物理上的中心13500千米。在航海家2號抵達(dá)海王星之前，天王星的磁層傾斜假設(shè)是因?yàn)樗芍赞D(zhuǎn)的結(jié)果，但是，比較這兩顆行星的磁場，科學(xué)家認(rèn)為這種極端的指向是行星內(nèi)部流體的特征。這個(gè)區(qū)域也許是一層導(dǎo)電體液體（可能是氨、甲烷和水的混合體）形成的對流層流體運(yùn)動(dòng)，造成發(fā)電機(jī)的活動(dòng)。磁場的偶極成分在海王星的磁赤道大約是14微特斯拉（0.14高斯）海王星的偶磁矩大約是2.2×10T·m（14μT·RN，此處RN是海王星的半徑）海王星的磁場因?yàn)榉桥紭O成分，包括強(qiáng)度可能超過磁偶極矩的強(qiáng)大四極矩，組合有很大的貢獻(xiàn)，因此在幾何結(jié)構(gòu)上非常的復(fù)雜。相較之下地球、木星和土星的四極矩都非常小，并且相對于自轉(zhuǎn)軸的傾角也都不大海王星巨大的四極矩也許是發(fā)電機(jī)偏離行星的中心和幾何強(qiáng)制性的結(jié)果。

海王星的弓形激波，在那兒磁層開始減緩太陽風(fēng)的速度，發(fā)生在距離行星34.9行星半徑之處。磁層頂，磁層的壓力抵銷太陽風(fēng)的地方，位于23～26.5倍海王星半徑之處，磁尾至少延伸至72倍的海王星半徑，并且還會(huì)伸展至更遠(yuǎn)。

光環(huán)

海王星也有光環(huán)。在地球上只能觀察到暗淡模糊的圓弧，而非完整的光環(huán)。但旅行者2號的圖像顯示這些弧完全是由亮塊組成的光環(huán)。其中的一個(gè)光環(huán)看上去似乎有奇特的螺旋形結(jié)構(gòu)。同天王星和木星一樣，海王星的光環(huán)十分暗淡，但它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍是未知數(shù)。人們已命名了海王星的光環(huán)：最外面的是Adams（它包括三段明顯的圓弧，今已分別命名為自由Liberty，平等Equality和友愛Fraternity），其次是一個(gè)未命名的包有Galatea衛(wèi)星的弧然后是Leverrier（它向外延伸的部分叫作Lassell和Arago），最里面暗淡但很寬闊的叫Galle。 這顆藍(lán)色行星有著暗淡的天藍(lán)色圓環(huán)，但與土星比起來相去甚遠(yuǎn)。當(dāng)這些環(huán)由以愛德華·奎南為首的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)時(shí)曾被認(rèn)為也許是不完整的。然而，“旅行者2號”的發(fā)現(xiàn)表明并非如此。這些行星環(huán)有一個(gè)特別的“堆狀”結(jié)構(gòu)。其起因如今不明，但也許可以歸結(jié)于附近軌道上的小衛(wèi)星的引力相互作用。

20世紀(jì)80年代中期，認(rèn)為海王星環(huán)不完整的證據(jù)首次出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)觀測到海王星在掩星前后出現(xiàn)了偶爾的額外“閃光”旅行者2號在1989年拍攝的圖像發(fā)現(xiàn)了這個(gè)包含幾個(gè)微弱圓環(huán)的行星環(huán)系統(tǒng)，從而解決了這個(gè)問題。最外層的圓環(huán)，亞當(dāng)斯，包含三段顯著的弧，如今名為“Liberté”，“Egalité”和“Fraternité”（自由、平等、博愛）?；〉拇嬖诜浅ｋy于理解，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)定律預(yù)示弧應(yīng)在不長的時(shí)間內(nèi)變成分布一致的圓環(huán)。如今認(rèn)為環(huán)內(nèi)側(cè)的衛(wèi)星海衛(wèi)六的引力作用束縛了弧的運(yùn)動(dòng)。旅行者2號的相機(jī)發(fā)現(xiàn)了其他幾個(gè)環(huán)。除了狹窄的、距海王星中心63000千米的亞當(dāng)斯環(huán)之外，勒維耶環(huán)距中心53000千米，更寬、更暗的伽勒環(huán)距中心42000千米。勒維耶環(huán)外側(cè)的暗淡圓環(huán)被命名為拉塞爾；再往外是距中心57000千米的Arago環(huán)。2005年新發(fā)表的在地球上觀察的結(jié)果表明，海王星的環(huán)比原先以為的更不穩(wěn)定。凱克天文臺在2002年和2003年拍攝的圖像顯示，與“旅行者2號”拍攝時(shí)相比，海王星環(huán)發(fā)生了顯著的退化，特別是“自由弧”，也許在一個(gè)世紀(jì)左右就會(huì)消失。

衛(wèi)星

海王星有14顆已知的天然衛(wèi)星。海衛(wèi)一是僅有的一顆大型衛(wèi)星，被威廉·拉塞爾發(fā)現(xiàn)于發(fā)現(xiàn)海王星17天后，與其他大型衛(wèi)星不同，海衛(wèi)一運(yùn)行于逆行軌道，說明它是被海王星俘獲的，大概曾經(jīng)是一個(gè)柯伊伯帶天體。它與海王星的距離足夠近使它被鎖定在同步軌道上，它將緩慢地經(jīng)螺旋軌道接近海王星，當(dāng)它到達(dá)洛希極限時(shí)最終將被海王星的引力撕開。海衛(wèi)一是太陽系中被測量的最冷的天體，溫度為-235℃（38K）。海王星第二個(gè)已知衛(wèi)星（依距離排列）是形狀不規(guī)則的海衛(wèi)二，它的軌道是太陽系中離心率最大的衛(wèi)星軌道之一。從1989年7月到9月，“旅行者2號”發(fā)現(xiàn)了六個(gè)新的海王星衛(wèi)星。其中形狀不規(guī)則的海衛(wèi)八以擁有在其密度下不會(huì)被它自身的引力變成球體的最大體積而出名。盡管它是質(zhì)量第二大的海王星衛(wèi)星，它只是海衛(wèi)一質(zhì)量的1/400。最靠近海王星的四個(gè)衛(wèi)星，海衛(wèi)三、海衛(wèi)四、海衛(wèi)五和海衛(wèi)六，軌道在海王星的環(huán)之內(nèi)。第二靠外的海衛(wèi)七在1981年它掩星的時(shí)候被觀察到。起初掩星的原因被歸結(jié)為行星環(huán)上的弧，但據(jù)1989年“旅行者2號”的觀察，才發(fā)現(xiàn)是由衛(wèi)星造成的。2004年宣布了在2002年和2003之間發(fā)現(xiàn)的五個(gè)新的形狀不規(guī)則衛(wèi)星。由于海王星得名于羅馬神話的海神，它的衛(wèi)星都以低等的海神命名。SETI協(xié)會(huì)研究員馬克·肖華特（Mark Showalter）2013年發(fā)現(xiàn)了圍繞海王星的一顆新衛(wèi)星，編號為海王星衛(wèi)星S/2004N1，直徑約為19千米，距地球約48億千米。

形成與遷移

冰質(zhì)巨行星海王星和天王星的形成，已經(jīng)證明很難精確模擬。模型表明，太陽系外部區(qū)域的物質(zhì)密度太低，無法用傳統(tǒng)的核心吸積方法來解釋如此大的天體的形成，因而人們提出了各種假說來解釋它們的形成。一種說法是，冰巨星不是由核心吸積形成的，而是由原行星盤內(nèi)的不穩(wěn)定性形成的，后來它們的大氣層被附近一顆大質(zhì)量OB型星的輻射炸飛了，其中一部分形成了天王星和海王星。

另一個(gè)假說是，它們在離太陽更近的地方形成，那里的物質(zhì)密度更高，然后在移除氣態(tài)原行星圓盤之后遷移到它們當(dāng)前的軌道上。這種形成后遷移的假設(shè)是有利的，因?yàn)樗軌蚋玫亟忉屧诳绾Ｍ跣菂^(qū)域觀察到的小型天體的構(gòu)成比例。最為廣泛接受的對這個(gè)假設(shè)細(xì)節(jié)的解釋被稱為尼斯模型，它探索了遷移的海王星和其他巨行星對柯伊伯帶結(jié)構(gòu)的影響。右圖是一個(gè)顯示外行星和柯伊伯帶的模擬：（a）在木星和土星達(dá)到2:1共振之前；（b）在海王星軌道移動(dòng)后柯伊伯帶物體向內(nèi)散射后；（c）在木星射出散射的柯伊伯帶天體之后。

觀測和探測

觀測

肉眼看不到海王星，其亮度介乎視星等 7.7和 8.0，比木星的伽利略衛(wèi)星，矮行星、谷神星和小行星、灶神星、智神星、虹神星、婚神星和韶神星都暗。在天文望遠(yuǎn)鏡或優(yōu)質(zhì)的雙筒望遠(yuǎn)鏡中，海王星顯現(xiàn)為一個(gè)小小的藍(lán)色圓盤，看上去與天王星很相似。藍(lán)色來自在于它大氣中的甲烷。它在視覺上的細(xì)小給研究造成了困難；多數(shù)從望遠(yuǎn)鏡中獲得的數(shù)據(jù)是相當(dāng)有限的，直到出現(xiàn)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和大型地基望遠(yuǎn)鏡與自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)才獲得改觀。對無線電頻段內(nèi)海王星的觀測表明，它既是連續(xù)發(fā)射又是不規(guī)則爆發(fā)的來源。這兩種輻射源都被認(rèn)為是由其旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的。在光譜的紅外部分，海王星的風(fēng)暴在較冷的背景下顯得明亮，使得這些特征的大小和形狀很容易被跟蹤。

探測

1989年8月25日，美國航天局發(fā)射的旅行者2號探測器飛越海王星，這是人類首次用空間探測器探測海王星。它在距海王星4827千米的最近點(diǎn)與海王星相會(huì)，從而使人類第一次看清了遠(yuǎn)在距離地球45億千米之外的海王星面貌。它發(fā)現(xiàn)了海王星的6顆新衛(wèi)星，使其衛(wèi)星總數(shù)增至8顆；首次發(fā)現(xiàn)海王星有5條光環(huán)，其中3條暗淡、2條明亮。從旅行者2號拍攝的6000多幅海王星照片中發(fā)現(xiàn)，海王星南極周圍有兩條寬約4345千米的巨大黑色風(fēng)云帶和一塊面積有如地球那么大的風(fēng)暴區(qū)，它們形成了像木星大紅斑那樣的大黑斑。這塊大黑斑沿中心軸向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)360°需10天。海王星也有磁場和輻射帶，大部分地區(qū)有像地球南北極那樣的極光。海王星的大氣層動(dòng)蕩不定，大氣中含有由冰凍甲烷構(gòu)成的白云和大面積氣旋，跟隨在氣旋后面的是時(shí)速為640千米的颶風(fēng)。海王星上空有一層因陽光照射大氣層中的甲烷而形成的煙霧。

海王星與太陽的平均距離為44.96億公里，是地球到太陽距離的30倍。海王星接收到太陽的光和熱只有地球的19%于是其表面覆蓋著延綿幾千公里厚的冰層，外表則圍繞著濃密的大氣，海王星的直徑49500公里，是地球的3.88倍體積有57個(gè)地球那么大，質(zhì)量只是地球的17倍多，所以其密度也相當(dāng)小，海王星以每秒5.43公里的速度繞著太陽公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)一周需要花上164.8年，自轉(zhuǎn)一周15小時(shí)57分59秒。

海王星的磁場和天王星的一樣，位置十分古怪，這很可能是由于行星地殼中層傳導(dǎo)性的物質(zhì)（大概是水）的運(yùn)動(dòng)而造成的。

未來探測計(jì)劃

美國宇航局正在研究可能進(jìn)行的海王星探測任務(wù)。

美國宇航局在2005年提出發(fā)射海王星軌道探測器的構(gòu)想，計(jì)劃于2016年發(fā)送一個(gè)或兩個(gè)探測器登陸海衛(wèi)一，并探測海王星的大氣層，類似伽利略號探測器的大氣探測器。

旗艦或基石任務(wù)是另一個(gè)可能進(jìn)行的海王星探測任務(wù)，需要超過10億美元的資金。這些任務(wù)經(jīng)費(fèi)由美國宇航局和歐洲空間局共同負(fù)擔(dān)，這個(gè)未來計(jì)劃目標(biāo)可能變成木衛(wèi)二或土衛(wèi)六，預(yù)計(jì)不會(huì)在2040年之前發(fā)射。

由于天文學(xué)家對于探測海王星系統(tǒng)的興趣濃厚，一些學(xué)者認(rèn)為美國宇航局負(fù)責(zé)的新疆界計(jì)劃任務(wù)（如新視野號和朱諾號）可以提供10億美元資金，而探測器可以在2010年發(fā)射。這個(gè)探測器不僅可以研究海王星及其系統(tǒng)而且也將經(jīng)過木星及土星，并借由其重力節(jié)省燃料，然后接近柯伊伯帶中兩個(gè)或三個(gè)天體。新地平線號在通過冥王星后也將探測其他目標(biāo)。

世界紀(jì)錄

海王星是太陽系中離太陽最遠(yuǎn)的行星，創(chuàng)造了太陽系中速度最快的風(fēng)、一個(gè)航天器到訪過的最多行星紀(jì)錄。（吉尼斯世界紀(jì)錄）