Як можуть утворюватися хмари в атмосфері Юпітера Гідрогену та Гелію?

Ось графіка хмарних шарів Юпітера ( джерело: Вікіпедія ):

Є три чіткі хмарні шари аміаку, гідросульфід амонію та вода. Температурні та тискні умови здаються напрочуд земними; температури від 200 до 300 К, тиски приблизно від 1 до 10 атм, сила тяжіння близько 1,3 г.

Хмари (води) утворюються на землі, оскільки сонячна енергія змушує їх випаровуватися з твердої поверхні, підніматися на кілька км, потім конденсуватися, утворюючи краплі води (або твердий кришталевий сніг). Але Юпітер не має твердої поверхні або майже стільки ж сонячної енергії, як Земля.

$^3$

По-перше, це чудове питання. Переважно відповідь прямо вперед, тому я можу відповісти на неї, але це все ще чудове запитання.

і я додам подібну, але трохи більш детальну картину до тієї, яку ви опублікували.

Джерело

Ви маєте рацію, що між поверхнею Землі є чітка різниця, де рідка вода може існувати, випаровуватися, робити хмари, дощ і повторюватися. Водний цикл Землі теоретично може тривати нескінченно до тих пір, поки атмосфера Землі та сонячний вхід підтримуються (і втрачений водень замінюється), але це кругова система, яка потребує лише сонячного введення.

Юпітер відрізняється тим, що з часом важчі гази в Юпітері, ймовірно, будуть заглиблюватися глибше до центру, а хмари Юпітера, що утворюють хмари, повинні зменшуватися за достатньо часу. Деякі з "дощів" Юпітера, ймовірно, потрапляють занадто глибоко в свою завихрену суміш газів, і залишає хмарний цикл Юпітера постійно, подібний до того, що вода просочується під землею і залишає кругообіг водної хмари Землі. Так, за 100 мільярдів чи трильйон років або близько того, Юпітер може втратити хмари та хмари, утворюючи гази у своїй верхній атмосфері з причин, за яким ви підозрюєте.

Причина цього ще не відбулася - просто змішання. Хоча щільність газу тяжіє до шарів зростаючої щільності, внутрішнє тепло всередині Юпітера також хоче вирівнятися, тому величезна конвекція триває майже всю планету. Це утримує кілька важчих газів у верхній атмосфері Юпітера. Юпітер набагато надто бурхливий, щоб у його верхній частині атмосфери було лише водень та гелій.

Отже, як тільки ми почнемо зі спостереження, що верхня атмосфера Юпітера - це приблизно 90% водню, 9% гелію, 1% інших газів і змішування підтримує 1% інших, після цього це просто хмарна фізика .

Хмари виглядають як пухнасті колекції водяної пари (крихітні крапельки льоду чи води, оскільки водяна пара насправді прозора). Вони схожі на предмети з формами, але це не зовсім точно. Якщо ви знаходитесь близько до хмари (наприклад, літаєте в літаку), чіткі краї зникають. Хмара не є об’єктом настільки сильно, це помітна зміна фаз.

Атмосфера на Землі - це близько 78% азоту, 21% кисню, 0,9% аргону і (як правило, не перераховано, оскільки це так мінливо), близько 0,4% водяної пари в середньому, до 1% при високій температурі та високій вологості повітря і близько 0 % в холодних температурах або суходолях. Якщо ви приймаєте тепле поверхневе повітря, яке становить 0,6-0,8% водяної пари, і це повітря піднімається (як це робить гаряче повітря), зміна фаз створює хмари. Хмара утворюється в гарячому піднімається повітрі, коли він охолоджується. Існує деяке електростатичне притягнення, але в основному це лише блок подібного повітря, що зазнає охолодження, і хмара виглядає так, що має суцільні краї, але це не так.

Те саме відбувається з Юпітером, різні фази газів змінюються при різних температурах / тиску, але процес той самий. І так само, як на Землі, як тільки крапельки або "крижинки" утворюються, вони щільніше і починають падати, але краплі падають дуже мало, тому вони падають дуже повільно і здебільшого потрапляють через атмосферу, що піднімається. Крім того, оскільки вони є фазовою зміною, утворюється нова хмара, і стара хмара викидається або весь час повертається в газ, схожий на морський лід. Хмари мають вигляд напівпостійності, але хмари динамічні.

Якщо моє пояснення не працює для вас, ось пояснення щодо хмар і того, як вони насправді не пов'язані між собою, хоча вони виглядають саме так.

Але це суть її, змішування утримує верхню атмосферу Юпітера від чистого водню та гелію (або чистого водню), і після цього хмарне утворення є майже таким же, як на Землі, лише без поверхні. Деякі важчі гази, ймовірно, втрачаються від циклу, але втрати є досить повільними, що Юпітер все ще має важкі хмари, що утворюють гази у верхній атмосфері, і, ймовірно, будуть мільярди років.

Більша різниця густини між Н / Він та іншими газами, ймовірно, грає роль у тому, як поводяться хмари, оскільки коливання щільності більше, але швидкість вітру також вище на Юпітері. Все, що дійсно потрібно - це змішування. Після цього з газами, які можуть перетворюватися в рідкий або лід при перепадах температури / тиску, фазові зміни створюють хмари.

Можливо також, що хмара Юпітера, що утворює хмари, час від часу поповнюється астероїдними і кометовими ударами. Шевкер-Леві 9 був діаметром близько 5 км, і неабиякий відсоток цього був, мабуть, аміаком і водним льодом. Це багато хмари, що утворює газ, додається у верхню атмосферу Юпітера. Система слабкого кільця Юпітера, яка, можливо, була значно більшою мільйони років тому, але з моменту дощу на Юпітера і виверження Іо також можуть зіграти роль у підтримці верхньої атмосфери Юпітера, достатньо насиченою хмарними елементами, такими як вода та аміак.

Як хмари не потрапляють як опади у внутрішні місця Юпітера і ніколи не виникають знову?

Гази в тропосфері планети не відрізняються хімічно; турбулентність, зумовлена ​​нагріванням і обертанням планети, підтримують атмосферу добре змішаною. Ми можемо побачити це у власній атмосфері. Вуглекислий газ і аргон значно щільніші, ніж азот і кисень, які утворюють основну частину атмосфери. Однак у нас немає шару вуглекислого газу на дні атмосфери. Турбопауза відмічає, коли атмосфера зміщується від переважаючого турбулентного змішування до домінування дифузії. Хімічна диференціація за атомною масою відбувається над турбопаузою, але навіть там вона поступова.

А як щодо дощу? Відповідь проста: вона випаровується. Це відбувається тут, на Землі, особливо в посушливих регіонах. Хмари утворюються, і дощ падає з цих хмар, але дощ іноді випаровується, перш ніж він досягне землі. Це називається вірга.

Температура піднімається всередині Юпітера через нагрівання стисненням, зі швидкістю близько 1,85 К на кілометр зростаючої глибини. Це означає, що температура досягає критичної температури води (647 К) приблизно на 240 кілометрів нижче рівня тиску на 1 бар. Тож навіть якщо дощова вода могла б потрапити так далеко, як дощ перед випаровуванням (що сумнівно), вона перестане бути рідиною.