Neptun (Planet)

Der Neptun ist der achte und äußerste bekannte Planet unseres Sonnensystems. Er wurde 1846 aufgrund von Berechnungen aus Bahnstörungen des Uranus durch den französischen Mathematiker Urbain Le Verrier von dem deutschen Astronomen Johann Gottfried Galle entdeckt. Ungefähr gleichzeitig mit Le Verrier berechnete auch der britische Astronom John Couch Adams die Umlaufbahn des Neptun, seine Berechnungen waren aber ungenauer. Neptun ist durchschnittlich 4,5 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt. Von der Erde aus hat er einen scheinbaren Durchmesser von ca. 2 Winkelsekunden. Mit einem Durchmesser von knapp 50.000 Kilometern hat Neptun fast den vierfachen Erddurchmesser und das rund 58-fache Erdvolumen. Nach Jupiter, Saturn und Uranus ist Neptun der viertgrößte Planet des Sonnensystems.

Zusammen mit Uranus bildet Neptun die Untergruppe der Eisriesen. Neptun dominiert durch seine Größe die Außenzone des Planetensystems, was sich zum Beispiel an der Umlaufzeit einiger „Transneptune“ wie Pluto und der Plutino-Gruppe zeigt, die etwa das 1,5-Fache der Umlaufzeit von Neptun beträgt (eine 3:2-Bahnresonanz). Von den bekannten Monden Neptuns ist Triton mit 2700 Kilometern Durchmesser der mit Abstand größte.

Der Riesenplanet ist nach Neptun benannt, dem römischen Gott des Meeres und der Fließgewässer. Sein Zeichen ♆ ist ein stilisierter Dreizack, die Waffe des Meeresgottes. Bei der Suche nach Exoplaneten werden Objekte, die eine ähnliche Masse wie Neptun aufweisen, von Astronomen analog zu den extrasolaren „Jupiters“ oder „Hot Jupiters“ manchmal als Planet der „Neptun-Klasse“ oder als „Hot Neptune“ bezeichnet. Nach dem Planeten wurde das 1940 entdeckte chemische Element Neptunium benannt.

Als einziger Planet des Sonnensystems ist Neptun von der Erde aus nicht mit bloßem Auge erkennbar. Seine Opposition war 2023 am 19. September und verlagert sich jährlich um etwa zwei Tage nach hinten.

Umlaufbahn und Rotation Umlaufbahn Neptuns Umlaufbahn um die Sonne ist mit einer Exzentrizität von 0,00859 fast kreisförmig. Sein sonnennächster Punkt, das Perihel, liegt bei 29,709 AE und sein sonnenfernster Punkt, das Aphel, bei 30,385 AE. Er ist damit der äußerste Planet des Sonnensystems. Seine Bahnebene ist mit 1,7692° nur leicht gegen die Ekliptik (Bahnebene der Erde) geneigt. Für einen Umlauf um die Sonne benötigt Neptun etwa 165 Jahre.

Im äußeren Bereich des Sonnensystems beeinflusst Neptun aufgrund seiner relativ großen Masse die Bahnen vieler kleinerer Körper wie die der Plutinos und der Transneptune. Plutos Umlaufbahn ist so exzentrisch, dass er in seinem Perihel der Sonne näher kommt als Neptun. Aus der Perspektive des Nordpols der Ekliptik – senkrecht zur Ekliptikebene – scheinen sich daher ihre Bahnen zu schneiden. Allerdings ist die Umlaufbahn von Pluto um mehr als 17,1° zur Ebene der Ekliptik geneigt. Zum Zeitpunkt der Nähe Plutos zur Sonne befindet sich Pluto fast an seinem nördlichsten Punkt über der Ekliptikebene und schneidet daher nicht die Bahn Neptuns. Zusätzlich zwingt Neptun Pluto eine 3:2-Bahnresonanz auf. Während Neptun drei Sonnenumläufe vollführt, umrundet Pluto nur zweimal die Sonne. Die Bahnen sind so synchronisiert, dass Neptun bei der scheinbaren Kreuzung der Umlaufbahn Plutos immer weit von ihm entfernt ist. Vom 7. Februar 1979 bis zum 11. Februar 1999 war Pluto der Sonne näher als Neptun.

Am 12. Juli 2011 war Neptun an jenen Punkt seiner Bahn zurückgekehrt, an dem er sich bei seiner Entdeckung am 23. September 1846 befand.

Rotation Mit einer Rotationsperiode von 15 Stunden, 57 Minuten und 59 Sekunden rotiert Neptun wie die anderen drei Riesenplaneten sehr rasch. Die Folge dieser schnellen Rotation ist eine Abplattung von 1,7 %. Somit ist der Durchmesser an den Polen etwa 1000 km geringer als am Äquator. Die Neigung des Äquators gegenüber seiner Bahnebene beträgt 28,32°. Die Schrägstellung seiner Rotationsachse ist damit etwas größer als die der Erde.

Physikalische Eigenschaften Neptun gehört mit einem Durchmesser von knapp 50.000 km zu den Riesenplaneten. Mit einer Dichte von 1,64 g/cm³ ist er der kompakteste Riesenplanet. Auch wenn Neptun etwas kleiner ist als Uranus, ist Neptun mit der 17-fachen Erdmasse massereicher. Jupiter hat mehr als die 18-fache Masse Neptuns. Die äquatoriale Fallbeschleunigung am Nullniveau beträgt 11,15 m/s² (1,14 g) und ist unter den Planeten des Sonnensystems nur bei Jupiter größer (23,1 m/s², 2,36 g).

Aufbau mini|Der innere Aufbau Neptuns:① obere Atmosphäre, oberste Wolkenschicht② Atmosphäre (Wasserstoff, Helium, Methangas)③ Mantel (Wasser, Ammoniak, Methaneis)④ Kern (Fels, Eis)

Neptun ist ein Eisriese. Der Begriff kann leicht missverstanden werden: der Großteil des Materials in Eisriesen ist nicht kalt und liegt nicht in gefrorener Form vor, sondern in Form eines heißen überkritischen Fluids. Dies ist ein Aggregatzustand, der unter hohem Druck und hoher Temperatur Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten vereint.

Der Schichtaufbau des Planeten ist bisher noch relativ unsicher. Die Grenzen zwischen den Schichten könnten diffus sein und es könnte weitere, bisher noch nicht bekannte Schichten geben.

Vergleicht man die Rotationsgeschwindigkeit mit dem Faktor der Abplattung, zeigt sich, dass die Masse im Inneren Neptuns gleichmäßiger als beim Uranus verteilt ist. Bei Uranus wird die Masse Richtung Zentrum viel dichter als bei Neptun.

Obere Atmosphäre mini|HST-Aufnahme von Neptun mit drei Monden Die oberen Schichten bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff (80 ± 3,2 Vol-%) und Helium (19 ± 3,2 Vol-%), etwas Methan (1,5 ± 0,5 Vol-%), deuteriertem Wasserstoff HD (192 Vol-ppm) und Spuren von Ethan (1,5 Vol-ppm). Neptuns blaue Farbe wird wie bei Uranus durch das Methan verursacht, das rotes Licht absorbiert. Markante Absorptionsbanden von Methan treten im roten und infraroten Teil des Spektrums bei Wellenlängen über 600 nm auf. Auf den Aufnahmen der Raumsonde Voyager 2 erschien seine blaue Farbe viel kräftiger als die des blaugrünen Uranus, dessen Atmosphäre ähnlich aufgebaut ist, was einen weiteren Bestandteil der Atmosphäre vermuten ließ. Spektrographische Analysen teleskopischer Aufnahmen ergaben jedoch 2023, dass dieser Farbunterschied größtenteils ein Artefakt der Bildbearbeitung war.

Da Neptun die Sonne in großem Abstand umläuft, empfängt er von ihr nur wenig Wärme. Seine Temperatur beträgt in der Tiefe, bei der ein Druck von 0,1 bar herrscht, etwa −218 °C (55 Kelvin) und bei 1 bar −201 °C (72 Kelvin).

In der oberen Atmosphäre, wo die Temperaturen niedrig sind, werden Wolken beobachtet. Die obersten Wolken liegen in Druckzonen unter 1 bar und bestehen aus gefrorenem Methan. Man nimmt an, dass es darunter auch Wolken aus gefrorenem Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Ammoniumhydrogensulfid und aus Wassereis gibt.

Neptun hat durch die Schrägstellung der Achse leichte jahreszeitliche Temperaturschwankungen. Momentan ist am Südpol Sommer. Dieser ist schon seit über 40 Jahren (dem Viertel eines Neptunjahres) der Sonne ausgesetzt, das nächste Äquinoktium ist 2038. Trotz des großen Abstandes zur Sonne reicht die empfangene Energie, diese Gebiete bis zu 10 Kelvin wärmer werden zu lassen als die restlichen Regionen Neptuns. Gegenüber dem enormen Anstieg der Temperatur mit zunehmender Tiefe auf Tausende von Kelvin sind 10 Kelvin allerdings kaum bedeutend.

Tiefere Atmosphäre Neptuns Atmosphäre reicht bis in eine Tiefe von etwa 10 bis 20 Prozent seines Radius und enthält etwa 5 bis 10 Prozent seiner Masse. Neptun hat jedoch – wie auch Jupiter, Saturn und Uranus – keine nach unten klar begrenzte Atmosphäre. Das Gas überschreitet mit zunehmender Tiefe den kritischen Druck oberhalb der kritischen Temperatur. Daher gibt es keinen Phasenübergang in den flüssigen Aggregatzustand, sodass es keine fest definierte Oberfläche des Planeten gibt.

Mit zunehmender Tiefe steigt in der Atmosphäre der Druck auf bis zu 10 Gigapascal, also das 100.000-fache des irdischen Luftdrucks, die Temperatur steigt auf etwa 2000 Kelvin an und der Anteil von Methan und Ammoniak nimmt zu.

In einer Tiefe von 7000 Kilometern können die Bedingungen so sein, dass Methan in Diamantkristalle zerfällt, die in Richtung Planetenkern sinken. Wissenschaftler glauben auch, dass diese Art von Diamantregen auch auf Jupiter, Saturn und Uranus auftritt.

Mantel Unter der Atmosphäre liegt eine als Mantel, manchmal auch als Wasser-Ammoniak-Ozean bezeichnete Schicht.

Höchstdruckexperimente am Lawrence Livermore National Laboratory deuten darauf hin, dass die Oberfläche des Mantels ein Ozean aus flüssigem Kohlenstoff mit schwimmenden festen „Diamanten“ sein könnte.

Der Mantel ist eine mehrere Tausend Kelvin heiße Mischung aus Fels, Wasser, Ammoniak und Methan, und liegt als elektrisch hoch leitfähiges superkritisches Fluid vor. Seine Masse ist das etwa 10- bis 15-fache der Erdmasse. Mit zunehmender Tiefe steigt im Mantel der Druck auf rund 500 bis 600 Gigapascal und die Temperatur auf mehr als 5000 Kelvin an.

Kern Es wird angenommen, dass sich im Zentrum ein fester Kern von etwa 1- bis 1 ½-facher Erdmasse befindet. Er besteht wahrscheinlich aus Eisen, Nickel und Silikaten. Der Druck im Zentrum beträgt etwa 700 Gigapascal und die Temperatur etwa 5.400 Kelvin.

Innere Wärmequelle Neptun hat ebenso wie Jupiter und Saturn eine innere Wärmequelle. Er strahlt etwa das 2,7-fache der Energie, die er von der Sonnenstrahlung absorbiert, ab. Ein Grund dafür könnten radioaktive Prozesse sein, die den Planetenkern aufheizen. Eine weitere Möglichkeit wäre die Abstrahlung der noch vorhandenen Hitze, die während der Entstehung durch einfallende Materie des Planeten gebildet wurde. Es könnte auch das Brechen von Schwerewellen über der Tropopause die Ursache dieser Wärmeabgabe sein.

Wetter Jahreszeiten mini|Helligkeitsänderungen Neptuns zwischen 1996 und 2002 (Aufnahmen des Hubble-Teleskops) Wissenschaftler der University of Wisconsin–Madison und des Jet Propulsion Laboratory der NASA untersuchten in den Jahren 1996, 1998 und 2002 jeweils eine volle Umdrehung des Neptun. Dabei bemerkten sie in der südlichen Hemisphäre eine zunehmende Helligkeit und eine höhere Wolkendichte, während nahe dem Äquator kaum Veränderungen stattzufinden schienen. Damit bestätigten sie die Berichte des Lowell-Observatoriums aus dem Jahre 1980, von dem aus das Phänomen zum ersten Mal beobachtet wurde. Genau wie auf der Erde sorgt während eines Neptunjahres die Achsenneigung des Neptuns für eine Veränderung in der Sonneneinstrahlung und führt somit zu Jahreszeiten. Sie dauern jedoch im Gegensatz zur Erde mehr als 40 Jahre.

Meteorologie Ein Unterschied zwischen Neptun und Uranus ist das Ausmaß der meteorologischen Aktivität. Als die Raumsonde Voyager 2 1986 an Uranus vorbeiflog, war dieser Planet praktisch strukturlos, während Neptun 1989 beim Anflug von Voyager 2 bemerkenswerte Wetterphänomene zeigte. Lange helle Wolken, die den Cirruswolken der Erde ähnelten, wurden hoch in Neptuns Atmosphäre ausgemacht. Durch die schnelle Rotation haben seine hohen Wolkenschichten ebenfalls eine streifenartige Struktur.