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

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

и я добавлю аналогичную, но чуть более подробную картинку к той, что вы выложили.

Источник

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

Юпитер отличается, потому что со временем более тяжелые газы на Юпитере, вероятно, опустятся глубже к центру, и газы, образующие облака Юпитера, должны уменьшиться по прошествии достаточного времени. Некоторые из «дождей» Юпитера, вероятно, выпадают слишком глубоко в его вихревой смеси газов и навсегда покидают цикл облаков Юпитера, подобно воде, просачивающейся под землю и покидающей цикл водяных облаков Земли. Таким образом, через 100 миллиардов или триллион лет или около того Юпитер может потерять свои облака и образующие облака газы в верхних слоях атмосферы по причинам, которые вы подозреваете.

Причина, по которой этого еще не произошло, заключается в простом смешивании. В то время как плотность газа стремится к слоям с увеличивающейся плотностью, внутреннее тепло внутри Юпитера также хочет выровняться, поэтому почти на всем протяжении планеты происходит огромная конвекция. Это удерживает более тяжелые газы в верхних слоях атмосферы Юпитера. Юпитер слишком неспокойный, чтобы в его верхних слоях атмосферы были только водород и гелий.

Итак, если мы начнем с наблюдения, что верхняя атмосфера Юпитера состоит (примерно) из 90% водорода, 9% гелия, 1% других газов, и смешивание поддерживает 1% других газов, 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 на самолете), четкие края исчезают. Облако — это не столько объект, сколько видимое фазовое изменение.

Атмосфера на Земле состоит примерно из 78 % азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона и (обычно не указывается, потому что она настолько изменчива) в среднем около 0,4 % водяного пара, до 1 % при высокой температуре и высокой влажности и близкой к 0 % при низких температурах или сухих пустынях. Когда вы берете теплый приземный воздух, содержащий 0,6-0,8% водяного пара, и этот воздух поднимается вверх (как это делает горячий воздух), именно изменение фазы создает облака. Облако формируется в горячем поднимающемся воздухе по мере его охлаждения. Есть некоторое электростатическое притяжение, но в основном это просто блок такого же воздуха, подвергающегося охлаждению, и облако выглядит так, как будто у него сплошные края, но это не так.

То же самое происходит и на Юпитере, разные фазы газов меняются при разных температурах/давлениях, но процесс тот же. И, как и на Земле, когда образуются капли или «льдинки», они становятся более плотными и начинают падать, но падающие капли очень малы, поэтому падают очень медленно и по большей части падают через поднимающуюся атмосферу. Кроме того, поскольку они представляют собой фазовый переход, формируется новое облако, а старое облако все время расходуется или возвращается в газообразное состояние, подобно морскому льду. Облака кажутся полупостоянными, 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 суть, смешивание не позволяет верхней атмосфере Юпитера быть чистым водородом и гелием (или чистым водородом), и после этого образование облаков почти такое же, как на Земле, только без поверхности. Некоторые из более тяжелых газов, вероятно, теряются в цикле, но эти потери достаточно медленны, поэтому на Юпитере все еще есть тяжелые облака, образующие газы в верхних слоях атмосферы, и они будут существовать, вероятно, еще миллиарды лет.

Большая разница в плотности между H / He и другими газами, вероятно, играет роль в поведении облаков, поскольку разница в плотности больше, но скорость ветра на Юпитере также выше. Все, что действительно необходимо, это смешивание. После этого с газами, которые могут стать жидкими или льдом при колебаниях температуры/давления, фазовые изменения создают облака.

Также возможно, что газы, образующие облака Юпитера, время от времени пополняются в результате столкновений с астероидами и кометами. Шумейкер-Леви 9 имел диаметр около 5 км, и значительная его часть, вероятно, состояла из аммиака и водяного льда. Это большое количество газа, образующего облака, добавленного в верхние слои атмосферы Юпитера. Слабая система колец Юпитера, которая, возможно, была намного больше миллионы лет назад, но с тех пор, как на Юпитер пролились дожди, и извержения на Ио также могут играть роль в поддержании достаточного количества верхних слоев атмосферы Юпитера элементами, создающими облака, такими как вода и аммиак.

Почему облака не выпадают в виде осадков внутрь Юпитера и никогда не появляются снова?

Газы в тропосфере планеты химически не различаются; турбулентность, вызванная нагревом и вращением планеты, хорошо перемешивает атмосферу. Мы можем видеть это в нашей собственной атмосфере. Углекислый газ и аргон значительно более плотные, чем азот и кислород, составляющие основную часть атмосферы. Но у нас нет слоя углекислого газа на дне атмосферы. Турбопауза отмечает, где в атмосфере преобладает турбулентное перемешивание, а преобладает диффузия. Химическая дифференциация по атомной массе действительно происходит выше турбопаузы, но и там она постепенная.

Но как насчет дождя? Ответ прост: он испаряется. Это происходит здесь, на Земле, особенно в засушливых регионах. Образуются облака, и из этих облаков падает дождь, но иногда дождь испаряется, не достигнув земли. Это называется вирга.

Температура внутри Юпитера повышается из-за компрессионного нагрева со скоростью около 1,85 К на километр увеличения 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 бы дождевая вода могла падать так далеко, как дождь, прежде чем испариться (что сомнительно), она перестала бы быть жидкостью.