Wie können sich in Jupiters Atmosphäre aus Wasserstoff und Helium Wolken bilden?

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

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

Quelle

Sie haben Recht, dass es einen klaren Unterschied zwischen der Erdoberfläche gibt, wo flüssiges Wasser existieren, verdunsten, Wolken bilden, regnen und sich wiederholen kann. Theoretisch könnte der Wasserkreislauf der Erde unendlich weitergehen, solange die Erdatmosphäre und die Sonneneinstrahlung aufrechterhalten werden (und verlorener Wasserstoff ersetzt wird), aber es ist ein Kreislaufsystem, das nur Sonneneinstrahlung benötigt.

Jupiter ist anders, weil im Laufe der Zeit die schwereren Gase in Jupiter wahrscheinlich tiefer in Richtung Zentrum sinken werden und Jupiters wolkenbildende Gase mit genügend Zeit abnehmen sollten. Ein Teil von Jupiters „Regen“ fällt wahrscheinlich zu tief in sein wirbelndes Gasgemisch und verlässt Jupiters Wolkenzyklus dauerhaft, ähnlich wie Wasser, das in den Untergrund sickert und den Wasser-Wolken-Zyklus der Erde verlässt. In etwa 100 Milliarden oder einer Billion Jahren könnte Jupiter aus den von Ihnen vermuteten Gründen seine Wolken und wolkenbildenden Gase in seiner oberen Atmosphäre verlieren.

Der Grund, warum dies noch nicht geschehen ist, ist einfach das Mischen. Während die Dichte des Gases zu Schichten mit zunehmender Dichte tendiert, will sich auch die innere Hitze im Inneren des Jupiter ausgleichen, sodass auf dem gesamten Planeten eine enorme Konvektion 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 Jupiters obere Atmosphäre aus (ungefähr) 90 % Wasserstoff, 9 % Helium und 1 % anderen Gasen besteht und die Mischung die 1 % anderer Gase beibehält, dann ist es nur noch Wolkenphysik .

Wolken sehen aus wie aufgeblähte Ansammlungen von Wasserdampf (winzige Tröpfchen aus Eis oder Wasser, da Wasserdampf eigentlich durchsichtig ist). Sie sehen aus wie Objekte mit Formen, aber das ist nicht ganz richtig. Wenn Sie sich in der Nähe einer Wolke befinden (z. B. beim Fliegen in einem Flugzeug), verschwinden die klaren Ränder. 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 es so variabel ist) im Durchschnitt 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 0,6-0,8% Wasserdampf enthält, und diese Luft aufsteigt (wie es heiße Luft tut), ist es der Phasenwechsel, der die Wolken erzeugt. Die Wolke bildet sich in der heißen, aufsteigenden Luft, wenn sie abkühlt. Es gibt eine gewisse elektrostatische Anziehung, aber meistens ist es nur ein Block ähnlicher Luft, die gekühlt wird, und die Wolke sieht aus, als hätte sie feste Kanten, aber das ist nicht der Fall.

Genau dasselbe passiert auf Jupiter, verschiedene Gasphasen ändern sich bei unterschiedlichen Temperaturen / Drücken, aber der Prozess ist derselbe. Und genau wie auf der Erde sind die Tröpfchen oder „Eischen“, sobald sie sich gebildet haben, dichter und beginnen zu fallen, aber fallende Tröpfchen sind sehr klein, so dass sie sehr langsam fallen und zum größten Teil durch die aufsteigende Atmosphäre fallen. Da es sich auch um einen Phasenwechsel handelt, werden neue Wolken gebildet und alte Wolken werden die ganze Zeit ausgegeben oder zu Gas zurückgeführt, ähnlich wie Meereis. Die Wolken haben den Anschein von Halbpermanenz, aber 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 das Wesentliche, das Mischen verhindert, dass die obere Atmosphäre des Jupiters aus reinem Wasserstoff und Helium (oder reinem Wasserstoff) besteht, und danach ist die Wolkenbildung so ziemlich 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 seiner oberen Atmosphäre bilden, und dies wahrscheinlich noch für Milliarden von Jahren tun wird.

Die größere Dichtevariation zwischen H/He und anderen Gasen spielt wahrscheinlich eine Rolle dabei, wie sich die Wolken verhalten, da die Dichtevariation größer ist, aber die Windgeschwindigkeiten auf Jupiter auch höher sind. Alles, was wirklich benötigt wird, ist das Mischen. Danach erzeugen die Phasenänderungen bei Gasen, die unter 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 ziemlicher Prozentsatz davon bestand wahrscheinlich aus Ammoniak und Wassereis. Das ist eine Menge wolkenbildendes Gas, das der oberen Atmosphäre von Jupiter hinzugefügt wird. Jupiters schwaches Ringsystem, das vor Millionen von Jahren viel größer gewesen sein könnte, aber seitdem auf Jupiter geregnet hat, und Eruptionen von Io könnten auch eine Rolle dabei spielen, die obere Atmosphäre von Jupiter reich genug an wolkenbildenden Elementen wie Wasser und Ammoniak zu halten.

Wie fallen die Wolken nicht als Niederschlag ins Innere des Jupiter und tauchen nie wieder auf?

Gase in der Troposphäre eines Planeten unterscheiden sich chemisch nicht; Die durch Erwärmung und Planetenrotation verursachten Turbulenzen halten die Atmosphäre gut durchmischt. Wir können dies in unserer eigenen Atmosphäre sehen. Kohlendioxid und Argon sind wesentlich dichter als Stickstoff und Sauerstoff, die den Großteil der Atmosphäre bilden. Aber wir haben keine Kohlendioxidschicht am Boden der Atmosphäre. Die Turbopause markiert den Übergang einer Atmosphäre von einer turbulenten Mischung zu einer Diffusion. Die chemische Differenzierung nach Atommasse findet oberhalb der Turbopause statt, aber selbst dort ist sie allmählich.

Aber was ist mit Regen? Die Antwort ist einfach: Es verdunstet. Das passiert hier auf der Erde, besonders in trockenen Regionen. Wolken bilden sich und Regen fällt aus diesen Wolken, aber der Regen verdunstet manchmal, bevor er den Boden erreicht. Dies wird Virga genannt.

Die Temperaturen im Jupiter steigen aufgrund der Kompressionserwärmung mit einer Rate von etwa 1,85 K pro Kilometer zunehmender Tiefe. Das heißt, die Temperatur erreicht die kritische Temperatur des Wassers (647 K) etwa 240 Kilometer unterhalb des 1-bar-Druckniveaus. Selbst wenn Regenwasser vor dem Verdunsten so weit wie Regen fallen könnte (was zweifelhaft ist), würde es aufhören, eine Flüssigkeit zu sein.