Как могут образоваться облака в атмосфере Юпитера из водорода и гелия?

Вот изображение облачных слоев Юпитера ( источник: Википедия ):

Существует три отдельных слоя облаков аммиака, гидросульфида аммония и воды. Условия температуры и давления кажутся удивительно похожими на землю; температура от 200 до 300 К, давление от 1 до 10 атм, сила тяжести около 1,3 г.

Облака (воды) образуются на земле, потому что солнечная энергия заставляет их испаряться с твердой поверхности, подниматься на несколько километров, а затем конденсироваться с образованием капель воды (или твердого кристаллического снега). Но Юпитер не имеет твердой поверхности или почти такой же солнечной энергии, как Земля.

Все три вещества, образующие облако, должны быть жидкими в условиях их облачного слоя. Принимая во внимание плотность этих жидкостей (от 0,7 до 1,2 г / см ) и плотность основной массы водорода и гелия атмосфере, как облака не падают в виде осадков в интерьер Юпитера и никогда не возродиться?$^3$

Во-первых, это отличный вопрос. В основном ответ прямой, поэтому я могу ответить на него, но это все еще отличный вопрос.

и я добавлю похожую, но чуть более подробную картинку к той, которую вы разместили.

Источник

Вы правы, что существует четкая разница между поверхностью Земли, где жидкая вода может существовать, испаряться, образовывать облака, идти дождь и повторяться. Теоретически, круговорот воды на Земле может продолжаться бесконечно, пока поддерживается атмосфера Земли и поступление солнечной энергии (и заменяется потерянный водород), но это круговая система, которая нуждается только в солнечной энергии.

Юпитер отличается тем, что со временем более тяжелые газы на Юпитере, вероятно, будут погружаться глубже к центру, и газы, образующие облако Юпитера, должны уменьшаться при достаточном времени. Некоторые из «дождей» Юпитера, вероятно, падают слишком глубоко в его вихревой смеси газов и навсегда покидают цикл облаков Юпитера, подобно воде, просачивающейся под землю и покидающей цикл воды и облаков Земли. Таким образом, через 100 миллиардов или триллион лет или около того Юпитер может потерять свои облака и образующие облака газы в своей верхней атмосфере по причинам, которые вы подозреваете.

Причина, по которой это еще не произошло, - просто смешивание. В то время как плотность газа стремится к слоям с возрастающей плотностью, внутреннее тепло внутри Юпитера также стремится к выравниванию, поэтому огромная конвекция протекает почти по всей планете. Это удерживает более тяжелые газы в верхних слоях атмосферы Юпитера. Юпитер слишком бурный, чтобы в верхних слоях атмосферы находились только водород и гелий.

Итак, как только мы начнем с наблюдения, что верхняя атмосфера Юпитера состоит из (примерно) 90% водорода, 9% гелия, 1% других газов и смешение поддерживает 1% других, после этого это просто физика облаков .

Облака выглядят как пухлые скопления водяного пара (крошечные капельки льда или воды, так как водяной пар на самом деле прозрачен). Они выглядят как объекты с формами, но это не совсем точно. Если вы находитесь близко к облаку (например, летите в самолете), четкие края исчезают. Облако - это не столько объект, сколько видимое изменение фазы.

Атмосфера на Земле составляет около 78% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона и (обычно не указывается в списке, потому что он очень изменчив), в среднем около 0,4% водяного пара, до 1% при высокой температуре и высокой влажности и близко к 0 % при низких температурах или в сухих пустынях. Когда вы берете теплый поверхностный воздух, который содержит 0,6-0,8% водяного пара, и этот воздух поднимается (как это делает горячий воздух), именно фазовое изменение создает облака. Облако формируется в горячем поднимающемся воздухе, поскольку это охлаждается. Есть некоторое электростатическое притяжение, но в основном это просто блок аналогичного воздуха, который подвергается охлаждению, и облако выглядит так, как будто оно имеет сплошные края, но это не так.

То же самое происходит на Юпитере, разные фазы газов меняются при разных температурах / давлениях, но процесс один и тот же. И так же, как на Земле, когда капли или «леденцы» образуются, они становятся плотнее и начинают падать, но падающие капли очень малы, поэтому они падают очень медленно и по большей части падают в поднимающейся атмосфере. Кроме того, поскольку они являются фазовым переходом, формируется новое облако, а старое облако все время выделяется или возвращается в газ, что-то вроде морского льда. Облака имеют вид полупостоянства, но облака динамичны.

Если мое объяснение не работает для вас, вот объяснение облаков и того, как они на самом деле не связаны друг с другом, даже если они выглядят так.

Но в этом и заключается суть: смешение удерживает верхнюю атмосферу Юпитера от чистого водорода и гелия (или чистого водорода), и после этого образование облаков почти такое же, как на Земле, только без поверхности. Некоторые из более тяжелых газов, вероятно, теряются в цикле, но потери достаточно медленны, так что на Юпитере все еще есть тяжелые облака, образующие газы в его верхней атмосфере, и это произойдет, вероятно, на миллиарды лет.

Большее изменение плотности между H / He и другими газами, вероятно, играет роль в поведении облаков, поскольку изменение плотности больше, но скорости ветра также выше на Юпитере. Все, что действительно нужно, это смешивание. После этого, с газами, которые могут стать жидкими или ледяными при изменениях температуры / давления, изменения фазы создают облака.

Также возможно, что образующие облака облака Юпитера время от времени пополняются ударами астероидов и комет. Шумейкер-Леви 9 был около 5 км в диаметре, и значительный процент этого, вероятно, составлял аммиак и водяной лед. Это много облакообразующего газа, добавленного в верхнюю атмосферу Юпитера. Слабая кольцевая система Юпитера, которая, возможно, была намного больше миллионов лет назад, но с тех пор, как на Юпитер посыпались дожди, и извержения Ио могли бы также сыграть роль в поддержании верхней атмосферы Юпитера достаточно богатой облачными элементами, такими как вода и аммиак.

Как облака не падают в виде осадков в глубь Юпитера и никогда не появляются снова?

Газы в тропосфере планеты химически не дифференцируются; турбулентность, вызванная нагревом и вращением планет, обеспечивает хорошую перемешанность атмосферы. Мы можем видеть это в нашей собственной атмосфере. Двуокись углерода и аргон значительно плотнее, чем азот и кислород, которые составляют основную часть атмосферы. Тем не менее, у нас нет слоя углекислого газа на дне атмосферы. Турбопауза отмечает, когда атмосфера переходит от доминирования турбулентного перемешивания к доминированию диффузии. Химическая дифференциация по атомной массе происходит выше турбопаузы, но даже там она постепенная.

Но как насчет дождя? Ответ прост: он испаряется. Это происходит здесь, на Земле, особенно в засушливых регионах. Облака образуются, и дождь падает с этих облаков, но дождь иногда испаряется, прежде чем достигнет земли. Это называется Вирга.

Повышение температуры внутри Юпитера происходит из-за нагрева при сжатии со скоростью около 1,85 К на километр увеличивающейся глубины. Это означает, что температура достигает критической температуры воды (647 К) примерно на 240 километров ниже уровня давления в 1 бар. Таким образом, даже если дождевая вода может упасть до дождя до испарения (что сомнительно), она перестанет быть жидкой.