Por que Urano e Netuno têm mais metano que Júpiter e Saturno?

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Portanto, a teoria padrão da nebulosa solar é que, na região dos planetas gasosos, gelo e rocha poderiam condensar-se para formar planetesimais, que poderiam então acumular hidrogênio e hélio para formar gigantes gasosos. Os planetas gigantes são na sua maioria hidrogênio e hélio, mas Urano e Netuno têm quantidades relativamente grandes de compostos de hidrogênio como o metano (é isso que lhes dá a cor).

Minha pergunta é por que isso aconteceu? Como Urano e Netuno conseguiram seu metano? Minha impressão é que todos os gigantes gasosos estavam longe o suficiente para que o metano se condensasse no gelo; então, como Urano e Netuno acabaram preferencialmente com metano?

cduston
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Eu pediria um esclarecimento aqui: você acha que Júpiter e Saturno não possuem metano (eles têm) ou de onde vêm as diferenças nas relações carbono / hidrogênio em suas atmosferas superiores?
AtmosphericPrisonEscape
@AtmosphericPrisonEscape Sim, estou perguntando sobre os valores relativos. E estou deduzindo as quantidades relativas de algumas fontes simples - sua cor e espectro. O valor total é o mesmo (é?), Seria uma boa informação para se saber.
Cduston # 8/18

Respostas:

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Por que Urano e Netuno têm mais metano que Júpiter e Saturno?

É uma combinação de equações de estado ( EOS ), serpentinização e mistura (rotacional e convectiva) que favorece a preferência por algumas reações (e compostos resultantes) em detrimento de outras.

Veja as referências abaixo.

Os planetas gigantes são na sua maioria hidrogênio e hélio, mas Urano e Netuno têm quantidades relativamente grandes de compostos de hidrogênio como o metano (é isso que lhes dá a cor).

Júpiter e Saturno são gigantes de gás , Urano e Netuno são gigantes de gelo .

Vista em corte de Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.

Minha pergunta é por que isso aconteceu? Como Urano e Netuno conseguiram seu metano? Minha impressão é que todos os gigantes gasosos estavam longe o suficiente para que o metano se condensasse no gelo; então, como Urano e Netuno acabaram preferencialmente com metano?

Veja " Atmosfera extraterrestre da Wikipedia ":

Gráficos de velocidade de escape versus composição de gás.

Gráficos da velocidade de escape contra a temperatura da superfície de alguns objetos do Sistema Solar mostrando quais gases são retidos. Os objetos são desenhados em escala e seus pontos de dados estão nos pontos pretos no meio. Os dados são baseados na " Aula 5: Visão geral do sistema solar, matéria no equilíbrio termodinâmico " e " Perguntas frequentes da Stargazer - Como exatamente as atmosferas são mantidas? ".

A Wikipedia fala pouco sobre a atmosfera desses planetas, e menos sobre Urano e Netuno:

  • Atmosfera de Júpiter :

    "Não há nuvens de metano, pois as temperaturas são muito altas para condensar". - Fonte: " Nuvens de amônia de Júpiter - localizadas ou onipresentes? " (9 de abril de 2004), por SKAtreya, ASWong, KHBaines, MHWong e TCOwen.

    Citações do artigo:

    Página 502: "Para a produção de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP), a química começa com a destruição do metano (CH ) pelos fótons solares UV em4λ160 nm, levando à formação de benzeno (c-C6H6ou A1) e outros hidrocarbonetos complexos (Fig. 3). Nas regiões aurorais polares, onde as partículas energéticas também decompõem o metano, a química dos íons se torna dominante na produção de benzeno e hidrocarbonetos pesados ​​(Wong et al., 2003 e Fig. 3) ".

  • Atmosfera de Saturno :

    "A radiação ultravioleta do Sol causa fotólise de metano na atmosfera superior, levando a uma série de reações químicas de hidrocarbonetos, com os produtos resultantes sendo carregados para baixo por redemoinhos e difusão. Esse ciclo fotoquímico é modulado pelo ciclo sazonal anual de Saturno". - Fonte: " Distribuição de etano, acetileno e propano na estratosfera de Saturno a partir de observações de membros da Cassini / CIRS " (novembro de 2008), por S. Guerlet, T. Fouchet e B. Bézard.

    Citações do artigo:

    Página 406: " Método 3

    Utilizamos um modelo de transferência radiativa linha a linha para calcular espectros sintéticos. Inclui opacidade do CH4, CH3D, C2H6, C2H2, C3H8, C3H4,C_4H_2 e opacidade induzida por colisão de H2-He e H2-H2. A grade atmosférica consistia em [de] 360 camadas de 10 bar a 10−8 bar. Foi acoplado a um algoritmo de inversão iterativo adaptado de Conrath et al. (1998), a fim de recuperar o estado atmosférico (temperatura, perfis verticais de hidrocarbonetos) dos espectros medidos.

    Como uma intensidade de emissão molecular depende de sua abundância e temperatura, procedemos em duas etapas. Primeiro, recuperamos o perfil vertical de temperatura da banda de emissão de metano ν4 a 1305 m1 (supondo que seja uniformemente misturado com um vmr de 4,5 x103 (Flasar et al. 2005)), fornecendo informações no 1 mbar - 2 μregião do bar.

    ...

    A Figura 1 mostra um exemplo de comparação entre as bandas de emissão sintéticas e observadas de etano, acetileno e propano em dois níveis de pressão (todos os diferentes níveis de pressão testados pelo CIRS não foram plotados por razões de clareza) e Fig. 3 perfis recuperados ".

O que isso significa é que compostos mais complexos que o metano são favorecidos pelas condições, veja os comentários acima sobre "equações de estado".

  • Atmosfera de Urano e Netuno :

    "As camadas externas gasosas dos gigantes de gelo têm várias semelhanças com as dos gigantes de gás. Elas incluem ventos equatoriais de longa velocidade e alta velocidade, vórtices polares, padrões de circulação em larga escala e processos químicos complexos, impulsionados por radiação ultravioleta de cima. e misturando com a atmosfera mais baixa.

    Estudar o padrão atmosférico dos gigantes do gelo também fornece informações sobre a física atmosférica. Suas composições promovem diferentes processos químicos e recebem muito menos luz solar em suas órbitas distantes do que quaisquer outros planetas do Sistema Solar (aumentando a relevância do aquecimento interno nos padrões climáticos) ".

Fichas técnicas da NASA - Composição atmosférica (em volume, incerteza entre parênteses):

  • Júpiter

    • Principal: Hidrogênio molecular (H2) - 89,8% (2,0%); Hélio (He) - 10,2% (2,0%)

    • Menor (ppm): Metano (CH4) - 3000 (1000); Amônia (NH3) - 260 (40); Deuterido de hidrogênio (HD) - 28 (10); Etano (C2H6) - 5,8 (1,5); Água (H2O) - 4 (varia com a pressão)

    • Aerossóis: gelo de amônia, gelo de água, hidrossulfeto de amônia

  • Saturno

    • Principal: Hidrogênio molecular (H2) - 96,3% (2,4%); Hélio (He) - 3,25% (2,4%)

    • Menor (ppm): Metano (CH4) - 4500 (2000); Amônia (NH3) - 125 (75); Deuterido de hidrogênio (HD) - 110 (58); Etano (C2H6) - 7 (1,5)

    • Aerossóis: gelo de amônia, gelo de água, hidrossulfeto de amônia

  • Urano

    • Principal: Hidrogênio molecular (H2) - 82,5% (3,3%); Hélio (He) - 15,2% (3,3%) Metano (CH4) - 2,3%

    • Menor (ppm): Deuterídeo de hidrogênio (HD) - 148

    • Aerossóis: gelo de amônia, gelo de água, hidrossulfeto de amônia, gelo de metano (?)

  • Netuno

    • Principal: Hidrogênio molecular (H2) - 80,0% (3,2%); Hélio (He) - 19,0% (3,2%); Metano (CH4) 1,5% (0,5%)

    • Menor (ppm): Deuterido de Hidrogênio (HD) - 192; Etano (C2H6) - 1,5

    • Aerossóis: gelo de amônia, gelo de água, hidrossulfeto de amônia, gelo de metano (?)

Referências adicionais:

" Metano no sistema solar " em inglês (Bol. Soc. Geol. Mex [online]. 2015, vol.67, n.3, pp.377-385.), De Andrés Guzmán-Marmolejo e Antígona Segura.

" Produção abiótica de metano em planetas terrestres " (Astrobiology. 2013 jun; 13 (6): 550–559), de Andrés Guzmán-Marmolejo, Antígona Segura e Elva Escobar-Briones.

" Clatrato de metano no sistema solar " (Astrobiology. 2015 abr; 15 (4): 308-26), de Mousis O, Chassefière E, Holm NG, Bouquet A, Waite JH, et al.

NASA - " Os cientistas modelam uma cornucópia de planetas do tamanho da Terra " (24 de setembro de 2007).

Roubar
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Há muitas coisas boas aqui, mas acho que uma frase do primeiro artigo que você cita fornece a imagem básica: "Em geral, a química atmosférica desse composto é dominada pela radiação solar, embora em atmosferas ricas em O2 esse composto participe de uma sistema de reacção que remove atmosféricas CH4" Outros detalhes em que papel de deixar claro que a radiação solar destruir o metano é o condutor principal (embora vários efeitos dinâmicos estejam em jogo bem)
cduston