Come possono formarsi le nuvole nell'atmosfera di Giove di idrogeno ed elio?

Ecco un grafico degli strati di nuvole di Giove ( fonte: Wikipedia ):

Esistono tre distinti strati di nuvole di ammoniaca, idrosolfuro di ammonio e acqua. Le condizioni di temperatura e pressione sembrano sorprendentemente simili alla terra; temperature tra 200 e 300 K, pressioni da 1 a 10 atm, gravità intorno a 1,3 g.

Le nuvole (d'acqua) si formano sulla terra perché l'energia solare le fa evaporare da una superficie solida, si innalza di alcuni km, quindi si condensa per formare goccioline d'acqua (o neve cristallina solida). Ma Giove non ha una superficie solida, o quasi la stessa energia solare della Terra.

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Innanzitutto, è un'ottima domanda. Principalmente la risposta è semplice, quindi posso rispondere, ma è comunque un'ottima domanda.

e aggiungerò un'immagine simile, ma leggermente più dettagliata a quella che hai pubblicato.

fonte

Hai ragione sul fatto che esiste una chiara differenza tra la superficie terrestre in cui può esistere acqua liquida, evaporare, fare nuvole, piovere e ripetere. Il ciclo dell'acqua terrestre in teoria potrebbe durare indefinitamente fintanto che l'atmosfera terrestre e l'ingresso solare vengono mantenuti (e viene sostituito l'idrogeno perduto), ma è un sistema circolare che necessita solo di input solare.

Giove è diverso perché nel tempo i gas più pesanti di Giove probabilmente affonderanno più in profondità verso il centro e la nube di Giove che forma i gas dovrebbe ridursi con un tempo sufficiente. Parte della "pioggia" di Giove probabilmente cade troppo in profondità nel suo vorticoso mix di gas e lascia permanentemente il ciclo delle nuvole di Giove, simile all'acqua che filtra sottoterra e lascia il ciclo delle nuvole d'acqua della Terra. Quindi, tra 100 miliardi o trilioni di anni circa, Giove potrebbe perdere le sue nuvole e la nuvola formando gas nella sua atmosfera superiore per i motivi che sospetti.

Il motivo per cui ciò non è ancora accaduto è semplicemente la miscelazione. Mentre la densità del gas tende verso strati di densità crescente, anche il calore interno all'interno di Giove vuole uniformarsi, quindi c'è un'enorme convezione che si svolge praticamente attraverso il pianeta. Ciò mantiene alcuni gas più pesanti nell'atmosfera superiore di Giove. Giove è troppo turbolento per avere solo idrogeno ed elio nella sua atmosfera superiore.

Quindi, una volta che iniziamo con l'osservazione che l'atmosfera superiore di Giove è (circa) il 90% di idrogeno, il 9% di elio, l'1% di altri gas e la miscelazione mantiene l'1% degli altri, dopodiché è solo la fisica delle nuvole .

Le nuvole sembrano raccolte gonfie di vapore acqueo (minuscole goccioline di ghiaccio o acqua, poiché il vapore acqueo è in realtà trasparente). Sembrano oggetti con forme, ma non è del tutto esatto. Se ti trovi vicino a una nuvola (volando ad esempio su un aereo), i bordi chiari scompaiono. Una nuvola non è un oggetto così tanto, è un cambiamento di fase visibile.

L'atmosfera sulla Terra è circa il 78% di azoto, il 21% di ossigeno, lo 0,9% di argon e (di solito non elencato perché è così variabile), circa lo 0,4% di vapore acqueo in media, fino all'1% con alta temperatura e alta umidità e vicino a 0 % a basse temperature o deserti asciutti. Quando prendi aria calda di superficie che è 0,6-0,8% di vapore acqueo e quell'aria sale (come fa l'aria calda), è il cambiamento di fase che crea le nuvole. La nuvola si forma nell'aria calda che sale mentre si raffredda. C'è qualche attrazione elettrostatica, ma per lo più è solo un blocco di aria simile in fase di raffreddamento e la nuvola sembra avere bordi solidi, ma non lo è.

La stessa cosa esatta accade su Giove, diversi cambiamenti di fase dei gas a diverse temperature / pressioni, ma il processo è lo stesso. E, proprio come sulla Terra, una volta formate le goccioline o "icelet", sono più dense e iniziano a cadere, ma le goccioline che cadono sono molto piccole in modo che cadano molto lentamente e per la maggior parte, stanno cadendo attraverso l'atmosfera crescente. Inoltre, poiché si tratta di un cambiamento di fase, si sta formando una nuova nuvola e la vecchia nuvola viene erogata o restituita al gas tutto il tempo, un po 'come il ghiaccio marino. Le nuvole hanno l'aspetto di semi-permanenza, ma le nuvole sono dinamiche.

Se la mia spiegazione non funziona per te, ecco una spiegazione sulle nuvole e su come non sono davvero legati insieme anche se sembrano così.

Ma questo è l'essenza di ciò, la miscelazione impedisce all'atmosfera superiore di Giove di essere puro idrogeno ed elio (o puro idrogeno) e, successivamente, la formazione di nuvole è praticamente la stessa della Terra, solo senza una superficie. Alcuni dei gas più pesanti probabilmente si perdono dal ciclo, ma la perdita è abbastanza lenta che Giove ha ancora alcune nuvole pesanti che formano gas nella sua atmosfera superiore e probabilmente per miliardi di anni a venire.

La maggiore variazione di densità tra H / He e altri gas probabilmente gioca un ruolo nel modo in cui le nuvole si comportano, poiché la variazione di densità è maggiore, ma le velocità del vento sono anche più elevate su Giove. Tutto ciò che serve davvero è il mixaggio. Successivamente, con i gas che possono diventare liquidi o ghiacciati sotto le variazioni di temperatura / pressione, i cambiamenti di fase creano le nuvole.

È anche possibile che la nube di Giove che forma i gas, di tanto in tanto, venga riempita da impatti di asteroidi e comete. Shoemaker-Levy 9 aveva un diametro di circa 5 km e una buona percentuale era probabilmente ammoniaca e ghiaccio d'acqua. È un sacco di nuvola che forma gas aggiunto all'atmosfera superiore di Giove. Il debole sistema ad anello di Giove, che potrebbe essere stato molto più grande di milioni di anni fa, ma da quando è piovuto su Giove, e le eruzioni di Io potrebbero anche svolgere un ruolo nel mantenere l'atmosfera superiore di Giove abbastanza ricca di nuvole che rendono elementi come acqua e ammoniaca.

In che modo le nuvole non cadono come precipitazione all'interno di Giove e non riemergono mai?

I gas nella troposfera di un pianeta non si differenziano chimicamente; la turbolenza guidata dal riscaldamento e dalla rotazione del pianeta mantengono l'atmosfera ben miscelata. Possiamo vederlo nella nostra atmosfera. L'anidride carbonica e l'argon sono notevolmente più densi rispetto all'azoto e all'ossigeno che formano la maggior parte dell'atmosfera. Eppure non abbiamo uno strato di anidride carbonica sul fondo dell'atmosfera. La turbopausa segna dove un'atmosfera si sposta dall'essere dominata dalla miscelazione turbolenta all'essere dominata dalla diffusione. La differenziazione chimica per massa atomica si verifica sopra la turbopausa, ma anche lì è graduale.

Ma che dire della pioggia? La risposta è semplice: evapora. Ciò accade qui sulla Terra, in particolare nelle regioni aride. Le nuvole si formano e la pioggia cade da quelle nuvole, ma a volte la pioggia evapora prima di raggiungere il suolo. Questo si chiama virga.

Le temperature aumentano all'interno di Giove a causa del riscaldamento a compressione, ad una velocità di circa 1,85 K per chilometro di profondità crescente. Ciò significa che la temperatura raggiunge la temperatura critica dell'acqua (647 K) circa 240 chilometri al di sotto del livello di pressione di 1 bar. Quindi, anche se l'acqua piovana potesse cadere tanto quanto la pioggia prima di evaporare (il che è dubbio), smetterebbe di essere un liquido.