Wie können sich in Jupiters Wasserstoff- und Heliumatmosphäre Wolken bilden?

Hier ist eine Grafik der Wolkenschichten von Jupiter ( Quelle: Wikipedia ):

Es gibt drei verschiedene Wolkenschichten aus Ammoniak, Ammoniumhydrosulfid und Wasser. Die Temperatur- und Druckbedingungen scheinen überraschend erdähnlich zu sein; Temperaturen zwischen 200 und 300 K, Drücke zwischen 1 und 10 atm, Schwerkraft um 1,3 g.

Auf der Erde bilden sich (Wasser-) Wolken, weil sie durch Sonnenenergie von einer festen Oberfläche verdunsten, einige Kilometer aufsteigen und dann zu Wassertröpfchen (oder festem Kristallschnee) kondensieren. Aber Jupiter hat keine feste Oberfläche oder fast so viel Sonnenenergie wie die Erde.

Alle drei wolkenbildenden Verbindungen sollten unter den Bedingungen ihrer Wolkenschicht flüssig sein. Aufgrund der Dichte dieser Flüssigkeiten (zwischen 0,7 und 1,2 g / cm ) und die Dichte der Masse der Wasserstoff und Helium - Atmosphäre, wie die Wolken nicht fallen als Niederschlag in Jupiters Innere und nie wieder auftauchen?$^3$

Erstens ist es eine gute Frage. Meistens ist die Antwort einfach, also kann ich sie beantworten, aber es ist immer noch eine gute Frage.

und ich werde ein ähnliches, aber etwas detaillierteres Bild zu dem hinzufügen, das Sie gepostet haben.

Quelle

Sie haben Recht, dass es einen deutlichen Unterschied zwischen der Erdoberfläche gibt, wo flüssiges Wasser existieren, verdunsten, Wolken bilden, regnen und sich wiederholen kann. Theoretisch könnte der Wasserkreislauf der Erde auf unbestimmte Zeit andauern, solange die Erdatmosphäre und die Sonneneinstrahlung erhalten bleiben (und verlorener Wasserstoff ersetzt wird), aber es ist ein kreisförmiges System, das nur Sonneneinstrahlung benötigt.

Jupiter ist anders, weil mit der Zeit die schwereren Gase im Jupiter wahrscheinlich tiefer ins Zentrum absinken und die wolkenbildenden Gase des Jupiters mit der Zeit abnehmen sollten. Ein Teil von Jupiters "Regen" fällt wahrscheinlich zu tief in sein wirbelndes Gasgemisch und verlässt Jupiters Wolkenzyklus permanent, ähnlich wie Wasser, das unter der Erde versickert und den Wasser-Wolken-Zyklus der Erde verlässt. In 100 Milliarden oder einer Billion Jahren könnte Jupiter aus den von Ihnen vermuteten Gründen seine Wolken und wolkenbildenden Gase in der oberen Atmosphäre verlieren.

Der Grund, warum dies noch nicht passiert ist, ist das Mischen. Während die Dichte des Gases zu Schichten mit zunehmender Dichte tendiert, möchte die innere Wärme im Jupiter auch ausgeglichen werden, so dass eine enorme Konvektion auf dem gesamten Planeten stattfindet. Dies hält einige schwerere Gase in Jupiters oberer Atmosphäre. Jupiter ist viel zu turbulent, um nur Wasserstoff und Helium in seiner oberen Atmosphäre zu haben.

Wenn wir also mit der Beobachtung beginnen, dass die obere Atmosphäre von Jupiter (ungefähr) 90% Wasserstoff, 9% Helium, 1% andere Gase ist und das Mischen die 1% von anderen aufrechterhält, dann ist es nur noch Wolkenphysik .

Wolken sehen aus wie geschwollene Ansammlungen von Wasserdampf (winzige Eis- oder Wassertröpfchen, da Wasserdampf tatsächlich transparent ist). Sie sehen aus wie Objekte mit Formen, aber das ist nicht ganz richtig. Wenn Sie sich nahe an einer Wolke befinden (z. B. in einem Flugzeug fliegen), verschwinden die klaren Kanten. Eine Wolke ist nicht so sehr ein Objekt, sondern eine sichtbare Phasenänderung.

Die Atmosphäre auf der Erde besteht aus etwa 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, 0,9% Argon und (normalerweise nicht aufgeführt, weil sie so variabel ist) durchschnittlich etwa 0,4% Wasserdampf, bis zu 1% bei hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit und nahe 0 % bei kalten Temperaturen oder trockenen Wüsten. Wenn Sie warme Oberflächenluft nehmen, die 0,6 bis 0,8% Wasserdampf enthält, und diese Luft aufsteigt (wie heiße Luft), sind es die Phasenänderungen, die die Wolken erzeugen. Die Wolke bildet sich in der heißen aufsteigenden Luft, wenn sie sich abkühlt. Es gibt eine gewisse elektrostatische Anziehungskraft, aber meistens handelt es sich nur um einen Block ähnlicher Luft, die sich abkühlt, und die Wolke sieht aus, als hätte sie feste Kanten, tut es aber nicht.

Genau das gleiche passiert auf Jupiter, verschiedene Gasphasen ändern sich bei verschiedenen Temperaturen / Drücken, aber der Prozess ist der gleiche. Und genau wie auf der Erde sind die Tröpfchen oder "Eiselchen", sobald sie sich bilden, dichter und beginnen zu fallen, aber fallende Tröpfchen sind sehr klein, so dass sie sehr langsam fallen und größtenteils durch die aufsteigende Atmosphäre fallen. Da es sich um einen Phasenwechsel handelt, wird ständig eine neue Wolke gebildet und die alte Wolke ausgezahlt oder wieder in Gas umgewandelt, ähnlich wie Meereis. Die Wolken haben das Aussehen einer Halbpermanenz, aber die Wolken sind dynamisch.

Wenn meine Erklärung für Sie nicht funktioniert, finden Sie hier eine Erklärung zu Wolken und wie sie wirklich nicht miteinander verbunden sind, obwohl sie so aussehen.

Aber das ist der Kern der Sache: Das Mischen hält die obere Atmosphäre des Jupiter davon ab, reiner Wasserstoff und Helium (oder reiner Wasserstoff) zu sein, und danach ist die Wolkenbildung fast die gleiche wie auf der Erde, nur ohne Oberfläche. Einige der schwereren Gase gehen wahrscheinlich aus dem Kreislauf verloren, aber der Verlust ist langsam genug, dass Jupiter immer noch einige schwere Wolken hat, die Gase in der oberen Atmosphäre bilden, und dies wird wahrscheinlich für Milliarden von Jahren der Fall sein.

Die größere Dichteänderung zwischen H / He und anderen Gasen spielt wahrscheinlich eine Rolle für das Verhalten der Wolken, da die Dichteänderung größer ist, die Windgeschwindigkeiten auf Jupiter jedoch auch höher sind. Alles, was wirklich benötigt wird, ist das Mischen. Danach erzeugen die Phasenänderungen bei Gasen, die bei Temperatur- / Druckschwankungen flüssig oder eisig werden können, die Wolken.

Es ist auch möglich, dass Jupiters wolkenbildende Gase von Zeit zu Zeit durch Asteroiden- und Kometeneinschläge wieder aufgefüllt werden. Shoemaker-Levy 9 hatte einen Durchmesser von etwa 5 km und ein angemessener Prozentsatz davon bestand wahrscheinlich aus Ammoniak und Wassereis. Das ist eine Menge wolkenbildendes Gas, das zu Jupiters oberer Atmosphäre hinzugefügt wird. Jupiters schwaches Ringsystem, das vor Millionen von Jahren vielleicht viel größer war, aber seitdem auf den Jupiter geregnet ist, und Ausbrüche von Io könnten auch dazu beitragen, dass die obere Atmosphäre des Jupiters reich genug an wolkenbildenden Elementen wie Wasser und Ammoniak bleibt.

Wie fallen die Wolken nicht als Niederschlag in Jupiters Inneres und tauchen nie wieder auf?

Gase in der Troposphäre eines Planeten unterscheiden sich chemisch nicht. Die Turbulenzen, die durch Heizung und Planetenrotation erzeugt werden, halten die Atmosphäre gut durchmischt. Wir können das in unserer eigenen Atmosphäre sehen. Kohlendioxid und Argon sind erheblich dichter als der Stickstoff und der Sauerstoff, die den größten Teil der Atmosphäre ausmachen. Wir haben jedoch keine Kohlendioxidschicht am Boden der Atmosphäre. Die Turbopause markiert, wo sich eine Atmosphäre von einer turbulenten Vermischung zu einer Diffusionsatmosphäre verschiebt. Die chemische Differenzierung nach Atommasse erfolgt zwar oberhalb der Turbopause, aber auch dort ist sie allmählich.

Aber was ist mit Regen? Die Antwort ist einfach: Sie verdunstet. Das passiert hier auf der Erde, besonders in ariden Regionen. Wolken bilden sich und Regen fällt von diesen Wolken, aber der Regen verdunstet manchmal, bevor er den Boden erreicht. Dies nennt man Virga.

In Jupiter steigen die Temperaturen aufgrund von Kompressionserhitzung mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,85 K pro Kilometer zunehmender Tiefe. Das heißt, die Temperatur erreicht die kritische Wassertemperatur (647 K) etwa 240 Kilometer unterhalb des Druckniveaus von 1 bar. Selbst wenn Regenwasser vor dem Verdunsten so weit fallen könnte (was zweifelhaft ist), wäre es keine Flüssigkeit mehr.