Como as nuvens podem se formar na atmosfera de hidrogênio e hélio de Júpiter?

Aqui está um gráfico das camadas de nuvens de Júpiter ( fonte: Wikipedia ):

Existem três camadas distintas de nuvens de amônia, hidrossulfeto de amônio e água. As condições de temperatura e pressão parecem surpreendentemente semelhantes à terra; temperaturas entre 200 e 300 K, pressões de 1 a 10 atm, gravidade em torno de 1,3g.

As nuvens (da água) se formam na Terra porque a energia solar as faz evaporar de uma superfície sólida, subir alguns quilômetros e depois se condensar para formar gotículas de água (ou neve cristalina sólida). Mas Júpiter não tem uma superfície sólida, nem quase tanta energia solar quanto a Terra.

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Primeiro, é uma ótima pergunta. Principalmente a resposta é direta, então eu posso responder, mas ainda é uma ótima pergunta.

e adicionarei uma imagem semelhante, mas um pouco mais detalhada, à que você postou.

Fonte

Você está certo de que existe uma clara diferença entre a superfície da Terra, onde a água líquida pode existir, evaporar, criar nuvens, chover e repetir. Em teoria, o ciclo da água na Terra pode continuar indefinidamente enquanto a atmosfera da Terra e a entrada solar forem mantidas (e o hidrogênio perdido for substituído), mas é um sistema circular que só precisa de entrada solar.

Júpiter é diferente porque, com o tempo, os gases mais pesados ​​em Júpiter provavelmente afundarão mais profundamente em direção ao centro e os gases formadores de nuvens de Júpiter devem diminuir com o tempo suficiente. Algumas das "chuvas" de Júpiter provavelmente caem muito fundo em sua mistura de gases em turbilhão, e deixam o ciclo de nuvens de Júpiter permanentemente, semelhante à água que penetra no subsolo e deixa o ciclo de nuvens de água da Terra. Assim, em 100 bilhões ou um trilhão de anos ou mais, Júpiter poderia perder suas nuvens e as nuvens formando gases em sua atmosfera superior pelas razões que você suspeita.

A razão pela qual isso ainda não aconteceu é simplesmente uma mistura. Enquanto a densidade do gás tende a camadas de densidade crescente, o calor interno de Júpiter também quer se equilibrar, então há uma convecção enorme acontecendo praticamente em todo o planeta. Isso mantém alguns gases mais pesados ​​na atmosfera superior de Júpiter. Júpiter é muito turbulento para ter apenas hidrogênio e hélio em sua atmosfera superior.

Então, uma vez que começamos com a observação de que a atmosfera superior de Júpiter é (cerca de) 90% de hidrogênio, 9% de hélio, 1% de outros gases e a mistura mantém o 1% de outro, depois disso é apenas a física das nuvens .

As nuvens parecem coleções inchadas de vapor de água (pequenas gotas de gelo ou água, pois o vapor de água é realmente transparente). Eles se parecem com objetos com formas, mas isso não é totalmente preciso. Se você estiver perto de uma nuvem (voando em um avião, por exemplo), as bordas claras desaparecem. Uma nuvem não é tanto um objeto, é uma mudança de fase visível.

A atmosfera na Terra é de cerca de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio, 0,9% de argônio e (geralmente não listado porque é muito variável), cerca de 0,4% de vapor de água em média, até 1% com alta temperatura e alta umidade e próximo a 0 % em temperaturas frias ou desertos secos. Quando você absorve o ar quente da superfície, que é de 0,6 a 0,8% de vapor d'água, e esse ar sobe (como o ar quente), é a mudança de fase que cria as nuvens. A nuvem se forma no ar quente que sobe enquanto esfria. Há alguma atração eletrostática, mas na maioria das vezes é apenas um bloco de ar semelhante em refrigeração e a nuvem parece ter bordas sólidas, mas não possui.

A mesma coisa acontece em Júpiter, mudança de fase de gases diferentes em diferentes temperaturas / pressões, mas o processo é o mesmo. E, assim como na Terra, uma vez que as gotículas ou "icelets" se formam, elas são mais densas e começam a cair, mas as gotículas que caem são muito pequenas, então caem muito lentamente e, na maioria das vezes, caem na atmosfera crescente. Além disso, como se trata de uma mudança de fase, uma nova nuvem está sendo formada e a nuvem antiga está sendo desembolsada ou retornada ao gás o tempo todo, como o gelo do mar. As nuvens têm aparência de semi-permanência, mas as nuvens são dinâmicas.

Se minha explicação não funcionar para você, aqui está uma explicação sobre as nuvens e como elas realmente não estão ligadas, mesmo que pareçam dessa maneira.

Mas essa é a essência: a mistura impede que a atmosfera superior de Júpiter seja hidrogênio e hélio puro (ou hidrogênio puro) e, depois disso, a formação de nuvens é praticamente a mesma da Terra, apenas sem superfície. Alguns dos gases mais pesados ​​provavelmente se perdem no ciclo, mas a perda é lenta o suficiente para que Júpiter ainda tenha algumas nuvens pesadas formando gases em sua atmosfera superior e provavelmente por bilhões de anos vindouros.

A maior variação de densidade entre H / He e outros gases provavelmente desempenha um papel na forma como as nuvens se comportam, pois a variação de densidade é maior, mas as velocidades do vento também são maiores em Júpiter. Tudo o que é realmente necessário é misturar. Depois disso, com gases que podem se tornar líquidos ou gelo sob variações de temperatura / pressão, as mudanças de fase criam as nuvens.

Também é possível que os gases formadores de nuvens de Júpiter, de tempos em tempos, sejam reabastecidos por impactos de asteróides e cometas. O Shoemaker-Levy 9 tinha cerca de 5 km de diâmetro e uma boa porcentagem provavelmente era de amônia e gelo de água. São muitas nuvens formando gás adicionadas à atmosfera superior de Júpiter. O sistema de anéis fracos de Júpiter, que poderia ter sido muito maior há milhões de anos atrás, mas desde que choveu em Júpiter, e as erupções de Io também podem ter um papel importante em manter a atmosfera superior de Júpiter rica o suficiente em nuvens, produzindo elementos como água e amônia.

Como as nuvens não caem como precipitação no interior de Júpiter e nunca ressurgem?

Os gases na troposfera de um planeta não se diferenciam quimicamente; a turbulência causada pelo aquecimento e a rotação do planeta mantêm a atmosfera bem misturada. Podemos ver isso em nossa própria atmosfera. O dióxido de carbono e o argônio são consideravelmente mais densos do que o nitrogênio e o oxigênio que formam a maior parte da atmosfera. No entanto, não temos uma camada de dióxido de carbono na parte inferior da atmosfera. A turbopausa marca onde uma atmosfera muda de dominada por mistura turbulenta para dominada por difusão. A diferenciação química por massa atômica ocorre acima da turbopausa, mas mesmo lá é gradual.

Mas e a chuva? A resposta é simples: evapora. Isso acontece aqui na Terra, particularmente em regiões áridas. As nuvens se formam e a chuva cai dessas nuvens, mas às vezes a chuva evapora antes de chegar ao chão. Isso é chamado virga.

As temperaturas aumentam dentro de Júpiter devido ao aquecimento por compressão, a uma taxa de cerca de 1,85 K por quilômetro de profundidade crescente. Isso significa que a temperatura atinge a temperatura crítica da água (647 K) cerca de 240 quilômetros abaixo do nível de pressão de 1 bar. Portanto, mesmo que a água da chuva caísse tanto quanto a chuva antes de evaporar (o que é dúbio), ela deixaria de ser um líquido.