По-видимому, на дне нептунианской атмосферы находится океан из воды, насыщенной различными ионами. Предложенная для Урана (и, по-видимому, не подтвердившаяся) гипотеза «о горячем перемешивающемся водяном океане», оказывается справедливой для Нептуна. Если предварительные выводы правильны, Нептун окажется самым большим океаном в Солнечной системе. Один из сильных аргументов в пользу океана — это странное магнитное поле Нептуна.
Хотя в атмосфере планеты метан составляет лишь малую часть, полагают, что он в большом количестве входит в ледяную мантию планеты. При давлении около 1 Мбар смесь воды, метана и аммиака может образовать твердые или газожидкие льды даже при очень высоких температурах — от 2000 до 5000 К. На долю ледяной мантии приходится до 70% всей массы планеты, причем основная ее часть — вода.
Около 25% массы Нептуна приходится на его ядро, состоящее из окислов кремния, магния, железа и его сульфидов. Ядро должно включать также много хондритных материалов, которые в обилии присутствовали в протопланетном облаке на стадии формирования планет.
Теоретические модели позволяют представить несколько различных вариантов внутреннего строения Нептуна, выбирать между которыми можно только на основе экспериментальных данных. Типичная модель дает давление в центре планеты 6—8 Мбар и температуру в ядре около 7000 К. Критический параметр для всех моделей — безразмерный момент инерции планеты, который до «Вояджера» принимался равным 0,29. По результатам пролета его удалось уточнить (0,26), поэтому набор возможных моделей значительно сузился.
Своеобразие недр Нептуна проявляется в его тепловом излучении. Поток солнечного тепла у его орбиты в 2,46 раза меньше, чем вблизи Урана, а отражательные свойства обеих планет близки: в видимой части спектра они отражают около 85% падающего солнечного света, поэтому энергетический бюджет Нептуна очень невелик (полпроцента земного). Напомним, что Уран имеет весьма «спокойную» метеорологию. Но ожидание, что на Нептуне атмосферные течения будут еще слабее, не подтвердилось. Уже наземные измерения позволяли предположить, что Нептун выделяет значительный поток энергии. «Вояджер» показал, что этот поток намного (в 2,7 раза) больше того, что планета получает от Солнца. Температура теплового излучения Нептуна достигает 59,3 К, что даже выше, чем у Урана (59,1 К).
Те гипотезы, которые успешно объясняли большое тепловыделение у Юпитера и Сатурна, здесь не годятся. Предполагается, что значительный избыток тепла порождают хондритные материалы, выделяющие немало энергии в радиоактивном распаде.
Диск планеты не слишком богат деталями — ровный голубой фон со слабо выраженными поясами, несколько темных пятен и несколько групп очень светлых облаков. Возможно, «Вояджер» застал Нептун в не самом эффектном виде. Лучшие наземные снимки, полученные в начале 1980-х гг. с ПЗС-камерой в спектральной полосе поглощения метана 890 нм., позволяют различить большие, в четверть диска, светлые пятна. Это были расположенные высоко в атмосфере облака из твердых аэрозольных частиц неизвестного состава. Подобные же снимки были получены и в конце 1990-х гг. (Они требуют большого труда и применения новейших приборов и технологий, потому что даже в хороших астрономических условиях изображение Нептуна почти неразрешимо). На снимках, полученных с использованием новых методов, отчетливо виден темный экваториальный пояс планеты и две широкие полосы облаков в интервалах широт 30—70° в северном и южном полушариях.
Знакомясь с Ураном, мы узнали, что солнечное тепло — это практически единственный источник его энергии (собственное тепло дает вклад в суммарный тепловой поток не более 13%). Этой энергии слишком мало, чтобы возникли такие мощные явления, как циклоны. В отличие от Урана, атмосфера Нептуна обнаруживает значительную метеорологическую активность, причем характер циркуляции доказывает, что энергия приходит «снизу», из недр планеты, как на Юпитере и Сатурне. На Нептуне ветры несравнимо сильнее, чем на Уране. Одно из возможных объяснений состоит в том, что Уран уже отдал все запасенное тепло, а Нептун — еще нет. Таким образом, эти планеты-близнецы не слишком похожи.
В задачу «Вояджера» входило изучение Нептуна и окружающих его объектов — колец, спутников, пылевых частиц, магнитосферы. В максимальном сближении «Вояджер» отделяло от центра планеты 29240 км., а до поверхности облачного слоя оставалось всего 4900 км. Аппарат приближался к Нептуну со стороны освещенного Солнцем южного полушария планеты.
Одним из первых открытий «Вояджера» было странное образование на диске Нептуна, которое по аналогии с Большим красным пятном на Юпитере назвали «Большим темным пятном» (БТП). Его размер хотя и меньше, чем у юпитерианского пятна, но близок к размеру земного шара. Его форма не вполне постоянна. Угловая протяженность БТП практически та же, что и на Юпитере: долготная 38°, широтная 15°. Более того, БТП и находится на том же месте: 20°ю.ш., на широкой и самой светлой полосе («зоне», по аналогии с Юпитером), охватывающей широты от 5°с.ш. до 40°ю.ш., несимметрично относительно экватора.
По своей природе БТП — гигантский антициклон, вытянутый в долготном направлении. Расположенный в южном полушарии, он вращался против часовой стрелки и завершал один оборот за 16 земных суток (значительно дольше, чем на Юпитере). Антициклоническое движение БТП примерно соответствовало разности скоростей зональных течений с его северной и южной сторон, которые, обтекая, как бы вращали его. К тому же, Большое Темное Пятно уплывало к западу со скоростью 325 м/с.
БТП — зона повышенных давления и температуры. Но при наблюдении поля теплового излучения планеты БТП ничем не выделяется, в то время как Красное Пятно Юпитера хорошо видно на тепловых картах. Над центром Большого Темного Пятна порой появлялись яркие белые облака, которые висят высоко в прозрачной надоблачной атмосфере. Высоту белых облаков — от 50 до 100 км. — удалось найти по положению их теней на основном облачном слое. В отличие от БКП Юпитера, пятно на Нептуне имело ровное очертание. Над южным краем БТП постоянно присутствовал массив белых облаков, подобный облакам над горными вершинами Земли. По аналогии с горными облаками можно утверждать, что здесь имелись мощные восходящие потоки. На рис. видна широкая облачная полоса, появившаяся 21 августа 1989 г. над БТП. Она как бы разрезала пятно пополам.
Несмотря на все сходство БТП Нептуна с БКП Юпитера, время их существования несопоставимо: всего через полтора-два года БТП, по-видимому, исчезло. Следы его не обнаруживаются даже самыми изощренными средствами наземной астрономии. Зато появились другие подобные объекты.
Изучение метеорологических явлений на Нептуне оказалось сложным делом. Предсказанные для повторных наблюдений положения некоторых метеорологических объектов сплошь и рядом не оправдывались. Зачастую через сутки они оказывались на другой широте, а то и вовсе исчезали. Многие из деталей, по движению которых определялась динамика атмосферы, оказались «метеорологическими миражами»: через несколько часов они куда-то бесследно пропадали. Но и сравнительно крупные детали, которые наблюдались постоянно, тоже вызывали трудности в предсказании их положения. Второе по размерам темное пятно всего за одну неделю сместилось на 2000 км. к северу. При этом его период возрос на 30 мин. Светлое образование, получившее прозвище «скутер», отличалось особенно быстрым движением и за короткое время несколько раз изменяло свою форму.
Скорости движений в атмосфере Нептуна огромны. По отношению к самой вращающейся планете некоторые объекты смещаются на 2200 км. за 1 ч. По скорости ветров Нептун превосходит даже Сатурн. Уникальная особенность атмосферы Нептуна — движение атмосферы направлено к западу относительно вращающейся к востоку планеты. Но скорость вращения планеты настолько высока (2,7 км/с на экваторе), что результирующая скорость атмосферы всегда остается направленной к востоку. Иными словами, поскольку сверхураганные ветры дуют в сторону, обратную направлению вращения планеты, период вращения, найденный по движению облаков, получается длительнее истинного периода планеты. По сравнению с суперротацией Венеры — это противоположный случай.
Темные пояса, тоже расположенные несимметрично относительно экватора, выражены нечетко и охватывают широты от 6 до 25°с.ш. и от 45 до 70°ю.ш. Вокруг южного полюса Нептуна расположена облачная «полярная шапка», по яркости соответствующая полосе на широте 40°ю.ш. «Шапка» вблизи северного полюса неизвестна: там сейчас полярная ночь.
Самой низкой температурой на диске Нептуна, всего 52 К, отличаются подсолнечные широты, а самыми «теплыми», до 61 К, оказались районы полюсов и экватор. Простейшее объяснение заключается в том, что слегка нагревающийся газ поднимается, охлаждаясь, в подсолнечных широтах и растекается к экватору и к полюсу. Там он снова опускается и нагревается, сжимаясь. Температура, которую измеряют приборы, — это не температура газа, а главным образом температура аэрозольной среды, высота расположения которой в этих районах не одинакова.
Видимый облачный слой соответствует давлению 1,2—1,3 бар и среднему диаметру планеты 49100 км. На 50—100 км. выше видимого облачного слоя иногда наблюдались группы вытянутых облачных полос шириной по 50—200 км. с четкими тенями от них на основном облачном слое. Таков снимок, представленный на рис. Здесь можно видеть уходящую в ночь облачную гряду (типа земных перистых облаков) вблизи терминатора, расположенную примерно на широте БТП, но в северном полушарии. Такие облака появлялись перед заходом Солнца.
Природа надоблачной дымки другая. Расположенная выше основного облачного слоя, она наблюдалась над лимбом Нептуна в виде дуг над краем планеты. Скорее всего, дымка состоит из углеводородов, возникающих при фотолизе метана: этана С