해왕성의 운동과 물리적 특징

해왕성의 운동

 

공전

해왕성과 태양 사이의 평균 거리는 45억km, 약 30.1개의 천문단위(AU)입니다. 해왕성의 궤도주기(년)는 대략 164.79지구년에 해당하며 궤도경사각은 약 1.77°입니다. 지구는 365.25일 주기의 궤도를 달리하기 때문에 지구에서 볼 수 있는 해왕성이 발견될 때 하늘의 그 자리에 있는 것은 아닙니다. 지구에서 관찰한 해왕성의 충일주기는 367일이었는데, 이 주기가 2010년 4월과 7월, 그리고 2011년 10월과 11월에 1846년에 가깝게 발견되었을 때의 좌표입니다. 2010년 8월 20일, 해왕성이 발견된 1846년 중 같은 날 재돌진했습니다. 

 

자전

해왕성의 축경사각은 28.32도로 지구(23°)와 화성(25°)의 경사각과 비슷해 해왕성은 지구와 비슷한 계절 변화를 겪습니다. 해왕성의 긴 궤도주기는 사계절이 40지구년 지속된다는 것을 의미합니다. 해왕성의 자전주기(일)는 15시간57분59초입니다. 

왜냐하면 해왕성은 하나의 고장이 아니니까체, 그 대기권은 차속회전이 발생합니다. 넓은 적도대의 자전 주기는 약 18시간으로 별의 자기장의 16.1시간보다 느립니다. 반대로, 극성 영역에서는 회전 주기가 12시간이고, 반대로도 마찬가지입니다. 해왕성의 위상차 자전은 태양계에서 가장 뚜렷하게 나타나며, 강한 위향풍의 변화를 초래합니다.

 

물리적 특성

질량
해왕성의 질량은 1.0247e+26kg으로 지구와 거행성(목성과 토성을 가리킴) 사이에 있는 중간 크기의 소행성입니다. 질량은 지구 질량의 17배이며 목성 질량의 1/18입니다. 왜냐하면 이들은 질량이 전형적인 목행성에 비해 작으며, 밀도, 구성 성분, 내부 구조도 목행성과 현격히 차이가 있기 때문입니다. 해왕성은 천왕성과 함께 종종 목행성의 한 부류로 분류됩니다. 빙상거성으로 태양계 외계행성 연구 분야에서 해왕성은 하나의 통용명칭으로 사용되며, 발견되는 것과 유사한 질량의 외계행성을 가리키며, 천문학자들이 흔히 말하는 외계 '목성'과 같습니다.

 

온도
궤도가 태양에서 멀어서 해왕성은 태양으로부터의 열량이 적기 때문에 해왕성 대기권 꼭대기의 온도가 -218℃(55K)에 불과하며, 대기권 꼭대기에서 안쪽으로 온도가 안정적으로 상승합니다. 천왕성과 유사하게 별 내부의 열의 공급원은 여전히 알려지지 않았지만 결과는 현저했습니다. 태양계의 가장 바깥쪽 행성으로서 해왕성 내부의 에너지는 태양계의 모든 행성 시스템에서 알려진 최고 속폭풍을 유지할 정도로 컸습니다. 내부 열원에 대해 몇 가지 해석이 있습니다. 행성 내핵의 방사 열원, 행성 생성 시 흡수 디스크 붕괴 에너지의 방열, 그리고 성층권 계면에 대한 중력파의 요동을 포함합니다.

 

성분
해왕성 내부 구조와 천왕성은 비슷합니다. 행성핵은 대략 하나의 질량을 넘지 않는 암석과 얼음으로 이루어진 혼합체입니다. 해왕성 맨틀의 총 질량은 지구질량 10에서 15개 정도이며, 물, 암모니아, 메탄, 기타 성분이 풍부합니다. 행성학적 관례상 이 혼합물은 얼음이라고 불리지만 사실은 고도로 압축된 과열유체입니다. 이런 고전도도의 유체를 흔히 물-암모니아 바다라고 부르기도 합니다. 대기권은 꼭대기에서 중심으로 약 10~20%를 포함하고 있으며 고층 대기는 수소 80%와 헬륨 19%로 구성되어 있습니다. 메탄, 암모니아, 물의 함량은 높이가 낮아질수록 증가합니다. 더 내부 대기 바닥의 온도가 더 높고 밀도가 더 높으며, 더 나아가 행성 맨틀의 과열 액체와 혼동됩니다. 해왕성 내핵의 압력은 지구 표면 대기압의 수백만 배에 달합니다. 회전 속도와 편률을 비교하여 해왕성의 질량 분포가 천왕성 집중보다 못함을 알 수 있습니다. 

 

 

해왕성의 내부 구조

맨틀

해왕성의 맨틀은 1에 해당합니다. 0에서 15개의 지구 질량이며 물, 암모니아, 메탄이 풍부합니다. 행성과학의 관례에 따르면,이 혼합물은 비록 열적이고 치밀한 유체일지라도 얼음이라고 불립니다. 수소 분자로 이루어진 전기 전도성이 매우 강한 물입니다. 이것은 때때로 물의 수소 이온층이라고 불립니다. 더 깊은 곳의 고급 이온수에서는 산소가 결정되고 수소 이온은 산소 격자에서 자유롭게 떠다닙니다.

또 다른 연구자들이 맞불을 놓았습니다. 석융점은 상세하게 측정했는데, 다이아몬드가 녹을 때 물이 얼고 녹는 과정처럼 액체 형태 위에 떠 있는 고정형 다이아몬드는 녹기 어려운 매우 단단한 물질입니다. 다이아몬드는 고온에서 가열해 녹으면 흑연이 되기 쉽기 때문에 연구진은 흑연이 되기 전에 구체적인 녹는 점을 측정하기 어렵습니다. 과학자들은 다이아몬드를 고압에 드러내 레이저를 사용하여 다이아몬드의 표면을 강타했는데, 4000만 배의 제로 해발 압력이 작용하여 다이아몬드는 액상으로 변했습니다. 압력이 해발 1100만 배, 온도가 섭씨 5만 도까지 낮아지면 고체로 덩어리가 된 다이아몬드가 만들어지기 시작합니다.

과학자들은 어떤 것을 발견하고 있습니다. 이들이 예상했던 대로 온도가 고형다이아몬드가 형성된 상태로 내려가면 고형다이아몬드는 가라앉지 않고 액체다이아몬드의 꼭대기에 떠다니며 마치 다이아몬드 빙하를 방불케 합니다. 해왕성이나 천왕성 같은 초거대 기체 행성에는 다이아몬드 액화 같은 초고온도와 압력이 존재합니다. 해왕성의 경우 7000㎞의 깊이에서 메탄은 다이아몬드 결정으로 분해돼 우박처럼 떨어집니다. 과학자들은 이 다이아몬드 비가 목성과 토성, 천왕성에서도 발생할 것으로 보고 있습니다. 로렌스 리버모어 국립연구소의 초고압 실험에 따르면 맨틀 윗부분은 액체 탄소의 바다일 가능성이 있고, 그 위에 고체 다이아몬드가 떠 있습니다.

별과 천왕성 표면에 액상형 다이아몬드가 존재할 수 있는 방법은 과학 탐사선을 발사하거나 지구에서 이 기체 행성들의 환경적 특징을 시뮬레이션하는 것 그 이상의 방법은 비용이 많이 들고, 여러 해 동안 준비해야 합니다. 연구보고서는 '네이쳐'지에 발표되었습니다.

 
핵
해왕성의 핵에는 철이 있을 수 있습니다. 니켈과 규산염으로 이루어져 있으며 내부의 질량은 대략 지구의 1.2배입니다. 센터의 압력은 7 Mbar(700 GPa)로 지구중심의 약 2배, 온도는 5400 K가 될 수 있습니다.