Opracowanie:

dr Grzegorz Duniec, Centrum Modelowania Meteorologicznego IMGW-PIB

dr Marcin Kolonko, Centrum Modelowania Meteorologicznego IMGW-PIB

Dziewiętnastego września 2023 roku, o godzinie trzynastej, Neptun znalazł się w opozycji do Słońca. Dzień wcześniej tj. 18 IX 2023 roku, o godzinie siedemnastej, planeta znalazła się najbliżej Ziemi w odległości 28,9018 AU (4,324 mld km). Rozmiary kątowe planety, podczas największego zbliżenia do Ziemi, wyniosły 2,53”. Jasność planety osiągnęła wartość 7^m,63.

Widok Neptuna z 19 IX 2023 roku o godzinie 13. Źródło: https://stellarium-web.org/

Neptun to ostatnia planeta Układu Słonecznego. Jest oddalona od Słońca średnio o 4,498 mld km. Planeta obiega Słońce po niemal kołowej orbicie. Mimośród orbity wynosi zaledwie e=0,00859. Czas jednego pełnego obiegu planety wokół Słońca wynosi 164 lat 325,6 dnia [1]. Płaszczyzna orbity planety nachylona jest pod kątem 1°46’ do płaszczyzny ekliptyki. Neptun również wiruje wokół własnej osi. Ponieważ planeta nie jest ciałem sztywnym tylko gazową kulą zatem wnętrze planety dokonuje jednego pełnego obrotu wokół własnej osi w czasie 16^h 07^m zaś górne warstwy atmosfery planety obracają się w czasie około 17 godzin [2]. Płaszczyzna równika planety jest nachylona do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 29°36’. Skutkuje to występowaniem pór roku na Neptunie. Ze względu na podobieństwo do ziemskiego nachylenia osi obrotu planety do płaszczyzny orbity na Neptunie występują strefy klimatyczne podobne do ziemskich. Po wykonaniu obliczeń z wykorzystaniem algorytmów VSOP87 wynika, że na półkuli północnej Neptuna panuje obecnie zima, która rozpoczęła się 26 lutego 1997 roku. Wiosna na półkuli północnej zagości dopiero 28 lutego 2038 roku [3]. Oś Neptuna nie zachowuje stałego położenia. Bieguny planety podlegają nutacji z okresem 688 lat, a to za sprawą Trytona, który jest największym księżycem planety, którego węzły orbity również wykonują jednego pełnego obiegu w czasie 688 lat [3]. Ruch węzłów orbity Trytona jest spowodowany spłaszczeniem Neptuna. Planeta posiada 14 naturalnych księżyców [1]. Masa Neptuna wynosi 1,024*10²⁴ kg, czyli jest 17,15 razy większy od Ziemi. Pod względem masy stanowi trzecią co do wielkości planetę w Układzie Słonecznym. Średnia gęstość Neptuna wynosi 1,638 kg/m³ i jest największa spośród planet olbrzymów [1]. Średnica planety wynosi 49244 km co plasuje planetę pod kątem rozmiarów na czwartym miejscu spośród planet olbrzymów [1,4]. Budowa Neptuna jest dość prosta. Wnętrze planety stanowi skaliste krzemianowe jądro otoczone ciekłym metanem oraz warstwą wody [2]. Atmosfera planety zbudowana jest helu i wodoru oraz metanu i etanu [2]. W górnych obszarze atmosfery występują chmury zbudowane z zamrożonego metanu [5]. Wyglądem przypominają ziemskie chmury Cirrus. Chmury Cirrus występują nad zasadniczą warstwą chmur na wysokości około 50-100 km [5]. Górna warstwy atmosfery są niezwykle zimne. Temperatura wynosi zaledwie 53 K (-220°C). Wiatry na Neptunie osiągają prędkość rzędu 400 m/s [2]. Z pomiarów wynika, że atmosfera przemieszcza się w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu obrotowego planety co tworzy zawirowania [5]. Podobnie jak do Jowisza na Neptunie również występuje plama a dokładniej Wielka Ciemna Plama zalegająca w strefie tropikalnej (22°S). Oprócz Wielkiej Ciemnej Plamy na Neptunie można zidentyfikować jeszcze jedną plamę, jest to mała ciemna plama, na środku której można odnaleźć białe obłoki. Plama zalega na półkuli południowej (54°S). Co ciekawe obłoki towarzyszą także Wielkiej Ciemnej Plamie oraz ponadto stwierdzono cyrkulację białych obłoków między ww. plamami [5]. Jak już wspomniano wcześniej w atmosferze Neptuna znajduje się metan, który absorbując czerwony zakres widma światła nadaje charakterystyczny niebieskawy wygląd [4]. Wokół planety, w płaszczyźnie równika, rozciąga się sześć pierścieni. Pięć z nich otrzymało nazwy Adams, Lassell, Galle, Leverrier, Arago. Szósty nie ma nadanej nazwy. Rozciągają się od 17100 km do 38100 km nad powierzchnią planety [6]. W jednym z układu pierścieni o nazwie Adams stwierdzono istnienie łuków, które są mniej przepuszczalne dla światła co jest spowodowane większą ilością materii w łukach. Nazwy łuków to wolność, równość, braterstw, odwaga. Neptun jak już wspomniano jest ostatnią planetą Układu Słonecznego [7]. Poza nim znajduje się Pluton (od 2006 r. uznany za ciało transneptunowe, nie planetę) i Pas Kuipera – tysiące brył skalnych o rozmiarach od kilku do kilku tysięcy kilometrów, jak choćby MU69. Jeszcze dalej w Układzie Słonecznym można zlokalizować Obłok Oorta – matecznik komet o okresach rzędu miliona lat. Poza Obłokiem Oorta otwiera się przestrzeń międzygwiezdna.

Pas Kuipera (ang. Kuiper Belt), orbity planet zewnętrznych, Plutona i ścieżki sond kosmicznych Pioneer, Voyager i New Horizons. Źródło: NASA.

Do najbliższej zaobserwowanej gwiazdy – Proximy Centauri – mamy jakieś 30 bilionów kilometrów. Amerykańskie Voyagery po 40 latach misji międzyplanetarnej są w odległości około 20 miliardów kilometrów od Słońca. W 1989 roku Voyager-2 przeleciał w pobliżu Neptuna, wysyłając nam szereg pięknych „pocztówek” – zdjęć znad jego powierzchni. Ukazał się nam system chmur, łącznie z Wielką Ciemna Plamą – wirem cyklonicznym z wiatrem o prędkości sięgającej 2000 km/godzinę. Jest to jak na razie największa zmierzona prędkość wiatru w Układzie Słonecznym (nie licząc, oczywiście, wiatru słonecznego).

Wielka Ciemna Plama (ang. Great Dark Spot) na powierzchni Neptuna. Źródło: Voyager-2, NASA.

Neptun należy do grona planet górnych [2,5,6,7]. Pozorny ruch planet górnych na sferze niebieskiej różni się od pozornego ruchu planet dolnych tj. Merkurego czy Wenus. W wypadku planet dolnych wyróżnia się dwa rodzaje koniunkcji ze Słońcem. Koniunkcja dolna, czyli wtedy, kiedy planeta znajduje się między Ziemią a Słońcem oraz górna, kiedy Słońce znajduje się między planetą a Ziemią. W wypadku planet górnych podczas koniunkcji ze Słońcem nasza Dzienna Gwiazda zawsze znajduje się pomiędzy planeta a Ziemią, czy możliwa jest tylko koniunkcja górna. Podczas koniunkcji prędkość kątowa planety na sferze niebieskiej jest największa. Wschodzi i zachodzi w przybliżeniu w tym samym czasie jak Słońce. Kiedy Słońce zaczyna wyprzedzać pozornie na sferze niebieskiej planetę, planeta odsuwa się od Słońca na zachód. Ponadto w miarę oddalania się planety na zachód od Słońca jej prędkość kątowa na tle gwiazd maleje. Planeta początkowo wschodzi kilka minut wcześniej przed Słońcem. W miarę oddalania się planety od Słońca zaczyna wschodzić coraz wcześniej i wcześniej, a obserwatorzy mogą ją obserwować w drugiej połowie nocy. W miarę jak wrasta odległość planety od Słońca zmniejsza się jej prędkość, aż w pewnej chwili planeta na tle gwiazd staje się stacjonarna, czyli osiąga stanowisko zachodnie. Od tej chwili planeta zaczyna poruszać się ruchem wstecznym. Planeta zaczyna zakreślać pętle retrogradacyjną. Kształt pętli zależy od położenia stanowiska zachodniego i wschodniego względem węzła orbity planety. Rozmiary kątowe pętli zależą od odległości planety od Słońca i obserwatora, czyli w naszym wypadku od Ziemi. W wypadku Neptuna długość łuku wynosi około 3° [6]. Czas trwania ruchu wstecznego również zależy w jakiej odległości od Słońca i Ziemi znajduje się planeta. W wypadku Neptuna średni czas ruchu retrogradacyjnego wynosi około 158 dni [6]. Planeta wchodząc w ruch wsteczny cofa się na tle gwiazd, jednocześnie zwiększając swoją prędkość. W pewnej chwili planeta znajdzie się po przeciwnej stronie niż Słońce. Na tle gwiazd osiąga największą prędkość w ruchu wstecznym. Planeta jest w opozycji ze Słońcem. Planeta wówczas wschodzi mniej więcej w okresie, kiedy zachodzi Słońce oraz zachodzi mniej więcej w czasie wschodu Słońca. Wówczas planeta jest widoczna przez całą noc. Po osiągnięciu opozycji planeta nadal porusza się ruchem wstecznym, ale jej prędkość na tle gwiazd zaczyna maleć aż do chwili osiągnięcia przez planetę stanowiska wschodniego. Od tej chwili planeta zaczyna poruszać się ruchem prostym, zwiększając jednocześnie swoją prędkość kątową, aż do chwili koniunkcji górnej, czyli złączenia ze Słońcem. Po opozycji planeta wschodzi wtedy, kiedy Słońce jest jeszcze nad zachodnim horyzontem i zachodzi w godzinach nocnych przed wschodem Słońca. Z upływem czasu planeta zachodzi coraz to wcześniejszych. Obserwatorzy początkowo mogą obserwować planetę głównie wieczorem i znaczną część nocy jednak w miarę upływu czasu planeta jest widoczna tylko wieczorem zachodząc przed północą. Przed koniunkcją górną planeta widoczna jest wieczorem i szybko zachodzi po zachodzie Słońca.

Planety górne również wykazują fazy. Oczywiście tylko planety dolne, Wenus i Merkury, wykazuje pełen cykl faz. W wypadku planet górnych jest inaczej, cykl faz jest ograniczony. Im planeta znajduje się dalej od Ziemi tym zmniejsza się różnica w zmianach części oświetlonej przez Słońce powierzchni planety. Jedynie Mars i Jowisz wykazują wyraźniejszy przebieg faz chociaż w ograniczonym zakresie. Dla pozostałych planet różnice w fazie są nieznaczne i dla obserwatora stają mniej zauważalne [7].

We wrześniu Neptun znalazł się w opozycji, czyli na przeciwległej stronie nieba niż Słońce. Wschodzi mniej więcej wtedy, gdy Dzienna Gwiazda zachodzi i jest widoczna całą noc jako 2” tarcza na brzegu gwiazdozbiory Ryb (Pisces) i Wodnika (Aquarius).

Pozycja Neptuna w dniu 20 IX 2023 roku, godzina 00⁰⁰. Źródło: https://stellarium-web.org/.

Podczas ruchu przesuwa się po niebie bardzo powoli, i to bardziej z racji względnego ruchu Ziemi aniżeli swojego obiegu wokół Słońca. Neptuna jest niewidoczny gołym okiem, do jego obserwacji trzeba użyć silnej lornety lub teleskopu. Około 22 czasu miejscowego Neptun powinien znajdować się na wysokości 30 stopni nad wschodnim horyzontem, około 4.7 stopnia na południe od gwiazdy lambda Ryb.

Neptun widziany teleskopem z pobliża Ziemi. Źródło: ESO/P. Wellbacher.

Jak już wspomniano wyżej Neptun jest około 17 razy cięższy i 4 razy większy od Ziemi. Posiada – jak wszystkie planety olbrzymy w Układzie Słonecznym – system księżyców (spośród nich najjaśniejsze są Tryton i Nereida) oraz układ pierścieni. Został on wykryty przez zakrycie nimi odległej gwiazdy a jego istnienie zostało przypieczętowane dzięki bliskiemu przylotowi Voyagera-2. Neptun znajduje się w odległości 29 AU (Astronomical Units – jednostek astronomicznych) od Ziemi i jakieś 30 AU od Słońca. Przypomnę, że jednostka astronomiczna jest średnią odległością Ziemi od Słońca i wynosi 149597870700 m.

Golden Record, złota płytka niesiona przez Voyagery z oznaczeniem m.in. pozycji Słońca względem okolicznych gwiazd.

Oba Voyagery oraz oba Pioneery to najdalej wysłane ludzką ręką przedmioty w Kosmosie. Nie liczymy tu promieniowania, które mknie z prędkością światła w każdym kierunku z Ziemi (tak, jesteśmy np. hałaśliwi radiowo, nawet bez intencji). Pioneery niosą ze sobą płytkę adresowaną do ich ewentualnych znalazców, pozwalającą – przy odrobinie inteligencji – zdekodować zamieszczone na niej informacje i odnaleźć Słońce, Ziemię i ludzi (pod warunkiem, że cywilizacja jeszcze będzie istnieć). Z kolei Voyagery niosą na swoim pokładzie złotą płytę z nagraniami z Ziemi (tzw. golden record) i instrukcją jej odtworzenia. Ale czy kosmici znają gramofon?

Michał Kusiak, światowy rekordzista w liczbie odkrytych komet, jego imieniem została nazwana nawet planetoida! Źródło: EurekAlert.

Neptun pełni też rolę strażnika i porządkowego w świecie… komet. Z razie swojej dużej masy Neptun oddziałuje na tory komet i powoduje, że część z nich (zwłaszcza tych przelatujących blisko planety) wpada z nim w rezonans. Jednym z polskich rekordów w liczbie znalezionych komet (ponad 2000 sztuk) należy do młodego astronoma, Michała Kusiaka z Żywca. Odkrywa on komety muskające Słońce na podstawie m.in. zdjęć z satelity SOHO (ale także sieci teleskopów amatorskich wysokiej klasy, m.in. na pustyni Atacama w Chile), klasyfikuje ich rodziny i wnioskuje o ich pochodzeniu i przeszłości.

Zdjęcie „pod Słońce” cieniutkiej atmosfery małego i zimnego (ponad -200 stopni Celsjusza) Plutona, do niedawna planety. Źródło: NASA.

Pas Kuipera eksploruje także sonda New Horizons, podróżująca ponad 15 lat, będąca z kolei najszybciej poruszającym się statkiem kosmicznym wystrzelonym z Ziemi. Zbadała nie tylko Plutona (dostarczając również przepięknych zdjęć jego i księżyca Charona, odkrywając inne księżyce i subtelną atmosferę tej eks-planety), ale i inny obiekt z Pasa Kupiera, MU69. Obserwacje przez nią poczynione pozwoliły wysnuć wniosek, że obiektów takich jak Pluton jest w Pasie Kuipera znacznie więcej. Zmiana ta do reszty odarła Plutona z aury wyjątkowości a była poprzedzona uchwałą MUA (Międzynarodowej Unii Astronomicznej) o pozbawieniu Plutona statusu planety.

Ruch Neptuna po niebie we wrześniu 2023 roku. Przemierza on około 1 średnicy Księżyca w miesiąc. Źródło: Astronomy.

Literatura

1. Tomasz Ściężor, Almanach Astronomiczna na rok 2023, Polskie Towarzystwo Astronomiczne, Warszawa 2022.
2. Hannau Karttunen, Pekka Kroger, Heikki OJa, Markku Poutanwen, Karl Johan Donner, Astronomia ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2020.
3. Jean Meeus, More Mathematical Astronomy Morsels, Willmann-Bell, Inc, 2002.
4. John Chambers, Jacqueline Mitton, Od pyłu do życia – Pochodzenie i ewolucja Układu Słonecznego, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2018.
5. Tadeusz Z. Dworak, Jerzy M. Kreiner, Odległe planety w Układzie Słonecznym, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2000.
6. Jerzy M. Kreiner, Ziemia i Wszechświat – astronomia nie tylko dla geografów, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Pedagogicznego, Kraków, 2009.
7. Stefan Wierzbiński, Wstęp do astronomii matematycznej, Księgarnia Akademicka, Poznań 1950.