Warum haben Uranus und Neptun mehr Methan als Jupiter und Saturn?

Warum haben Uranus und Neptun mehr Methan als Jupiter und Saturn?

Es ist eine Kombination aus Zustandsgleichungen ( EOS ), Serpentinisierung und Mischen (Rotation und Konvektion), die eine Bevorzugung einiger Reaktionen (und resultierender Verbindungen) gegenüber anderen begünstigt.

Siehe die Referenzen unten.

Die Riesenplaneten bestehen alle hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, aber Uranus und Neptun haben relativ große Mengen an Wasserstoffverbindungen wie Methan (das gibt ihnen ihre Farbe).

Jupiter und Saturn sind Gasriesen , Uranus und Neptun sind Eisriesen .

Meine Frage ist, warum ist das passiert? Wie kamen Uranus und Neptun zu ihrem Methan? Mein Eindruck ist, dass alle Gasriesen weit genug entfernt waren, damit Methan zu Eis kondensieren konnte, also wieso landeten Uranus und Neptun bevorzugt mit Methan?

Siehe Wikipedias " Außerirdische Atmosphäre ":

^{Diagramme der Fluchtgeschwindigkeit gegen die Oberflächentemperatur einiger Objekte des Sonnensystems, die zeigen, welche Gase zurückgehalten werden. Die Objekte sind maßstabsgetreu gezeichnet und ihre Datenpunkte befinden sich an den schwarzen Punkten in der Mitte. Die Daten basieren auf „ Lecture 5: Overview of the Solar System, Matter in Thermodynamc Equilibrium “ und „ Stargazer’s FAQ – How genau are atmosphärics? “.}

Wikipedia sagt wenig über die Atmosphäre dieser Planeten und am wenigsten über Uranus und Neptun:

• Atmosphäre des Jupiters :

  "Es gibt keine Methanwolken, da die Temperaturen zu hoch sind, als dass es kondensieren könnte." - Quelle: „ Jupiters Ammoniakwolken — lokalisiert oder allgegenwärtig? “ (9. April 2004), von SKAtreya, ASWong, KHBaines, MHWong und TCOwen.

  Zitate aus der Zeitung:

  Seite 502: „Für die Herstellung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) beginnt die Chemie mit der Zerstörung von Methan (CH$_4$) durch solare UV-Photonen bei$\lambda \le$160 nm, was schließlich zur Bildung von Benzol ($c$-C$_6$H$_6$, oder ein$_1$) und andere komplexe Kohlenwasserstoffe (Abb. 3). In den Polarregionen, in denen energetische Teilchen auch Methan abbauen, wird die Ionenchemie bei der Produktion von Benzol und schweren Kohlenwasserstoffen dominant (Wong et al., 2003, und Abb. 3).“.

• Atmosphäre des Saturn :

  "Ultraviolette Strahlung von der Sonne verursacht Methanphotolyse in der oberen Atmosphäre, was zu einer Reihe von chemischen Kohlenwasserstoffreaktionen führt, wobei die resultierenden Produkte durch Wirbel und Diffusion nach unten getragen werden. Dieser photochemische Zyklus wird durch Saturns jährlichen saisonalen Zyklus moduliert." - Quelle: " Ethane, acetylene and propane distribution in Saturn's stratosphere from Cassini/CIRS limb Beobachtungs " (Nov. 2008), von S. Guerlet, T. Fouchet und B. Bézard.

  Zitate aus der Zeitung:

  Seite 406: " 3 Methode

  Wir verwendeten ein zeilenweises Strahlungsübertragungsmodell, um synthetische Spektren zu berechnen. Es enthielt Opazität von CH$_4$, CH$_3$D, C$_2$H$_6$, C$_2$H$_2$, C$_3$H$_8$, C$_3$H$_4, C$_4$H$_2 und kollisionsinduzierte Opazität von H2-He und H2-H2 . Das atmosphärische Gitter bestand aus [aus] 360 Schichten von 10 bar bis 10−8 bar. Es wurde mit einem iterativen Inversionsalgorithmus gekoppelt, der von Conrath et al. (1998), um den atmosphärischen Zustand (Temperatur, Kohlenwasserstoff-Vertikalprofile) aus den gemessenen Spektren abzuleiten.

  Da die Intensität einer molekularen Emission sowohl von ihrer Häufigkeit als auch von ihrer Temperatur abhängt, gingen wir in zwei Schritten vor. Zuerst haben wir das vertikale Temperaturprofil aus dem Methan-ν4-Emissionsband bei 1305 m abgerufen$^{−1}$(vorausgesetzt, es wird gleichmäßig mit einem vmr von 4,5 x 10 gemischt$^{−3}$(Flasar et al. 2005)), die Angaben im Bereich 1 mbar - 2 machen$\mu$Bar-Region.

  ...

  Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für einen Vergleich zwischen synthetischen und beobachteten Emissionsbanden von Ethan, Acetylen und Propan bei zwei gegebenen Druckniveaus (alle unterschiedlichen Druckniveaus, die von CIRS untersucht wurden, wurden der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt) und Abbildung 3 das entsprechende abgerufene Profile.".

Das bedeutet, dass komplexere Verbindungen als Methan durch die Bedingungen begünstigt werden, siehe obige Ausführungen zu "Zustandsgleichungen".

• Atmosphäre von Uranus und Neptun :

  „Die gasförmigen äußeren Schichten der Eisriesen haben mehrere Ähnlichkeiten mit denen der Gasriesen. Dazu gehören langlebige, schnelle Äquatorwinde, Polarwirbel, großräumige Zirkulationsmuster und komplexe chemische Prozesse, die durch ultraviolette Strahlung von oben angetrieben werden und sich mit der unteren Atmosphäre vermischen.

  Das Studium der atmosphärischen Muster der Eisriesen gibt auch Einblicke in die atmosphärische Physik. Ihre Zusammensetzung fördert verschiedene chemische Prozesse und sie erhalten in ihren fernen Umlaufbahnen weit weniger Sonnenlicht als alle anderen Planeten im Sonnensystem (was die Relevanz der internen Erwärmung für Wettermuster erhöht).".

NASA Factsheets - Atmosphärische Zusammensetzung (nach Volumen, Unsicherheit in Klammern):

• Jupiter

  • Hauptfach: Molekularer Wasserstoff (H$_2$) - 89,8 % (2,0 %); Helium (He) - 10,2 % (2,0 %)

  • Minor (ppm): Methan (CH$_4$) - 3000 (1000); Ammoniak (NH$_3$) - 260 (40); Wasserstoff Deuterid (HD) - 28 (10); Ethan (C$_2$H$_6$) - 5,8 (1,5); Wasser (H$_2$O) - 4 (variiert je nach Druck)

  • Aerosole: Ammoniakeis, Wassereis, Ammoniakhydrosulfid

• Saturn

  • Hauptfach: Molekularer Wasserstoff (H$_2$) - 96,3 % (2,4 %); Helium (He) - 3,25 % (2,4 %)

  • Minor (ppm): Methan (CH$_4$) - 4500 (2000); Ammoniak (NH$_3$) - 125 (75); Wasserstoff Deuterid (HD) - 110 (58); Ethan (C$_2$H$_6$) - 7 (1,5)

  • Aerosole: Ammoniakeis, Wassereis, Ammoniakhydrosulfid

• Uranus

  • Hauptfach: Molekularer Wasserstoff (H$_2$) - 82,5 % (3,3 %); Helium (He) - 15,2 % (3,3 %) Methan (CH$_4$) - 2,3 %

  • Gering (ppm): Wasserstoff Deuterid (HD) - 148

  • Aerosole: Ammoniakeis, Wassereis, Ammoniakhydrosulfid, Methaneis(?)

• Neptun

  • Hauptfach: Molekularer Wasserstoff (H$_2$) - 80,0 % (3,2 %); Helium (He) – 19,0 % (3,2 %); Methan (CH$_4$) 1,5 % (0,5 %)

  • Minor (ppm): Wasserstoff Deuterid (HD) - 192; Ethan (C$_2$H$_6$) - 1,5

  • Aerosole: Ammoniakeis, Wassereis, Ammoniakhydrosulfid, Methaneis(?)

Weitere Referenzen:

" Methane in the Solar System " in Englisch, (Bol. Soc. Geol. Mex [online]. 2015, Bd. 67, Nr. 3, S. 377-385.), von Andrés Guzmán-Marmolejo und Antígona Segura.

„ Abiotic Production of Methane in Terrestrial Planets “ (Astrobiology. 2013 Jun; 13(6): 550–559), von Andrés Guzmán-Marmolejo, Antígona Segura und Elva Escobar-Briones.

„ Methan clathrates in the solar system “ (Astrobiology. 2015 Apr;15(4):308-26), von Mousis O, Chassefière E, Holm NG, Bouquet A, Waite JH, et al.

NASA – „ Wissenschaftler modellieren ein Füllhorn erdgroßer Planeten “ (24. September 2007).