Jak chmury mogą tworzyć się w atmosferze wodoru i helu Jowisza?

Oto grafika warstw chmur Jowisza ( źródło: Wikipedia ):

Istnieją trzy odrębne warstwy chmur amoniaku, wodorosiarczku amonu i wody. Warunki temperatury i ciśnienia wydają się zaskakująco podobne do ziemskich; temperatury od 200 do 300 K, ciśnienia około 1 do 10 atm, grawitacja około 1,3 g.

Chmury (wody) powstają na ziemi, ponieważ energia słoneczna powoduje, że odparowują one z powierzchni stałej, wznoszą się o kilka kilometrów, a następnie kondensują, tworząc krople wody (lub stały kryształowy śnieg). Ale Jowisz nie ma stałej powierzchni ani prawie tyle energii słonecznej co Ziemia.

Wszystkie trzy związki tworzące chmurę powinny być płynne w warunkach ich warstwy chmurowej. Biorąc pod uwagę gęstość tych cieczy (od 0,7 do 1,2 g / cm ) i gęstość masy atmosfery wodoru i helu, jak chmury nie spadają jako opady atmosferyczne do wnętrza Jowisza i nigdy nie pojawiają się ponownie?$^3$

Po pierwsze, to świetne pytanie. Przeważnie odpowiedź jest prosta, więc mogę na nią odpowiedzieć, ale wciąż jest to świetne pytanie.

i dodam podobny, ale nieco bardziej szczegółowy obraz do tego, który opublikowałeś.

Źródło

Masz rację, że istnieje wyraźna różnica między powierzchnią Ziemi, na której może istnieć płynna woda, parować, tworzyć chmury, deszcz i powtarzać. Teoretycznie obieg wody na Ziemi może trwać w nieskończoność, o ile utrzyma się ziemska atmosfera i wkład słoneczny (a utracony wodór zostanie zastąpiony), ale jest to układ kołowy, który potrzebuje tylko wkładu słonecznego.

Jowisz jest inny, ponieważ z czasem cięższe gazy w Jowiszu prawdopodobnie opadną głębiej w kierunku centrum, a gazy tworzące chmurę Jowisza powinny się zmniejszyć po upływie wystarczającego czasu. Część „deszczu” Jowisza prawdopodobnie wpada zbyt głęboko w wirującą mieszankę gazów i pozostawia cykl chmury Jowisza na stałe, podobnie jak woda sącząca się pod ziemią i pozostawiając cykl obłoku wodnego Ziemi. Tak więc w ciągu 100 miliardów lub trylionów lat Jowisz mógłby utracić chmury i gazy tworzące chmurę w górnej atmosferze z powodów, które podejrzewasz.

Powodem tego jeszcze nie było po prostu mieszanie. Podczas gdy gęstość gazu zmierza w kierunku warstw o ​​coraz większej gęstości, wewnętrzne ciepło wewnątrz Jowisza również chce się wyrównać, więc na całej planecie zachodzi ogromna konwekcja. Utrzymuje to niektóre cięższe gazy w górnej atmosferze Jowisza. Jowisz jest o wiele za burzliwy, by mieć w górnej atmosferze tylko wodór i hel.

Kiedy więc zaczniemy od obserwacji, że górna atmosfera Jowisza to (około) 90% wodoru, 9% helu, 1% innych gazów, a mieszanie utrzymuje 1% innych, potem jest to po prostu fizyka chmur .

Chmury wyglądają jak opuchnięte kolekcje pary wodnej (małe kropelki lodu lub wody, ponieważ para wodna jest faktycznie przezroczysta). Wyglądają jak obiekty o kształtach, ale to nie do końca dokładne. Jeśli jesteś blisko chmury (np. Lecąc samolotem), wyraźne krawędzie znikają. Chmura nie jest tak bardzo obiektem, to widoczna zmiana fazy.

Atmosfera na Ziemi zawiera około 78% azotu, 21% tlenu, 0,9% argonu i (zwykle nie jest wymieniona, ponieważ jest tak zmienna), średnio około 0,4% pary wodnej, tak wysoka jak 1% przy wysokiej temperaturze i wysokiej wilgotności i zbliżona do 0 % w niskich temperaturach lub suchych pustyniach. Kiedy weźmiesz ciepłe powietrze z powierzchni, które stanowi 0,6-0,8% pary wodnej, i to powietrze unosi się (tak jak robi to gorące powietrze), to zmiana fazy tworzy chmury. Chmura tworzy się w gorącym, podnoszącym się powietrzu, gdy stygnie. Istnieje pewna atrakcja elektrostatyczna, ale przeważnie jest to tylko blok podobnego powietrza podlegającego chłodzeniu, a chmura wygląda, jakby miała solidne krawędzie, ale nie ma.

To samo dokładnie dzieje się na Jowiszu, różne fazy gazowe zmieniają się przy różnych temperaturach / ciśnieniach, ale proces jest taki sam. I, podobnie jak na Ziemi, po utworzeniu się kropelek lub „lodu” stają się gęstsze i zaczynają opadać, ale spadające kropelki są bardzo małe, więc spadają bardzo powoli i przez większość spadają w atmosferze. Ponadto, ponieważ są one zmianą fazową, powstaje nowa chmura, a stara chmura jest cały czas wypuszczana lub zawracana do gazu, podobnie jak lód morski. Chmury mają wygląd półtrwałości, ale chmury są dynamiczne.

Jeśli moje wyjaśnienie nie działa dla ciebie, oto wyjaśnienie dotyczące chmur i tego, jak naprawdę nie są ze sobą powiązane, mimo że wyglądają w ten sposób.

Ale na tym polega sedno, mieszanie sprawia, że ​​górna atmosfera Jowisza nie jest czystym wodorem i helem (lub czystym wodorem), a następnie tworzenie się chmur jest prawie takie samo jak na Ziemi, tylko bez powierzchni. Niektóre cięższe gazy prawdopodobnie gubią się w cyklu, ale strata jest na tyle powolna, że ​​Jowisz nadal ma ciężkie chmury tworzące gazy w górnej atmosferze i prawdopodobnie przez następne miliardy lat.

Większa zmiana gęstości między H / He i innymi gazami prawdopodobnie odgrywa rolę w zachowaniu chmur, ponieważ zmiana gęstości jest większa, ale prędkości wiatru są również wyższe na Jowiszu. Wszystko, co naprawdę potrzebne, to miksowanie. Następnie, w przypadku gazów, które mogą zmieniać się w ciecz lub lód pod wpływem zmian temperatury / ciśnienia, zmiany fazowe tworzą chmury.

Możliwe jest również, że gazy tworzące chmurę Jowisza od czasu do czasu są uzupełniane przez uderzenia asteroidy i komety. Szewc-Levy 9 miał około 5 km średnicy, a spory procent z tego to prawdopodobnie amoniak i lód wodny. To dużo gazu tworzącego chmurę dodanego do górnej atmosfery Jowisza. Słaby system pierścieniowy Jowisza, który mógł być znacznie większy miliony lat temu, ale odkąd spadł na Jowisza, a wybuchy z Io mogą również odgrywać rolę w utrzymywaniu górnej atmosfery Jowisza wystarczająco bogatej w chmury, tworząc elementy takie jak woda i amoniak.

Jak chmury nie spadają jak opady atmosferyczne do wnętrza Jowisza i nigdy nie pojawiają się ponownie?

Gazy w troposferze planety nie różnicują chemicznie; turbulencje wywołane ogrzewaniem i rotacją planety utrzymują atmosferę w dobrym stanie. Widzimy to w naszej własnej atmosferze. Dwutlenek węgla i argon są znacznie bardziej gęste niż azot i tlen, które tworzą większość atmosfery. Jednak nie mamy warstwy dwutlenku węgla na dnie atmosfery. Turbopauza oznacza, że ​​atmosfera zmienia się z zdominowanej przez turbulentne mieszanie do zdominowanej przez dyfuzję. Zróżnicowanie chemiczne według masy atomowej zachodzi powyżej turbopauzy, ale nawet tam jest stopniowe.

A co z deszczem? Odpowiedź jest prosta: odparowuje. Dzieje się tak na Ziemi, szczególnie w suchych regionach. Powstają chmury i deszcz spada z tych chmur, ale deszcz czasami wyparowuje, zanim dotrze do ziemi. To się nazywa virga.

Temperatury rosną w Jowiszu z powodu ogrzewania kompresyjnego w tempie około 1,85 K na kilometr rosnącej głębokości. Oznacza to, że temperatura osiąga temperaturę krytyczną wody (647 K) około 240 kilometrów poniżej poziomu ciśnienia 1 bar. Więc nawet jeśli woda deszczowa mogłaby spaść aż do deszczu przed odparowaniem (co jest wątpliwe), przestałaby być cieczą.