เมฆก่อตัวอย่างไรในชั้นบรรยากาศไฮโดรเจนและฮีเลียมของดาวพฤหัสบดี

นี่คือกราฟิกของชั้นเมฆของดาวพฤหัสบดี (ที่มา: Wikipedia ):

แอมโมเนียมไฮโดรซัลไฟด์และชั้นน้ำมีเมฆสามชั้น สภาพอุณหภูมิและความดันดูเหมือนจะเป็นโลกที่น่าประหลาดใจ อุณหภูมิระหว่าง 200 ถึง 300 K ความกดดันประมาณ 1 ถึง 10 atm แรงโน้มถ่วงประมาณ 1.3 กรัม

เมฆ (น้ำ) ก่อตัวขึ้นบนโลกเพราะพลังงานแสงอาทิตย์ทำให้พวกมันระเหยออกจากพื้นผิวที่เป็นของแข็งเพิ่มขึ้นไม่กี่กม. จากนั้นควบแน่นเพื่อก่อตัวเป็นหยดน้ำ (หรือหิมะคริสตัลแข็ง) แต่ดาวพฤหัสบดีไม่ได้มีพื้นผิวที่เป็นของแข็งหรือพลังงานแสงอาทิตย์เกือบเท่าโลก

สารประกอบที่ก่อตัวเป็นเมฆทั้งสามควรเป็นของเหลวที่สภาวะของชั้นเมฆ เมื่อพิจารณาความหนาแน่นของของเหลวเหล่านั้น (ระหว่าง 0.7 ถึง 1.2 g / cm ) และความหนาแน่นของไฮโดรเจนและบรรยากาศฮีเลียมจำนวนมากเมฆจะไม่ตกลงมาในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสและไม่เกิดขึ้นใหม่ได้อย่างไร$^3$

ครั้งแรกมันเป็นคำถามที่ดี ส่วนใหญ่คำตอบนั้นตรงไปตรงมาดังนั้นฉันสามารถตอบได้ แต่ก็ยังเป็นคำถามที่ดี

และฉันจะเพิ่มรูปภาพที่คล้ายกัน แต่มีรายละเอียดเพิ่มเติมเล็กน้อยลงในรูปภาพที่คุณโพสต์

แหล่ง

คุณพูดถูกว่ามีความแตกต่างอย่างชัดเจนระหว่างพื้นผิวโลกที่ซึ่งมีของเหลวของเหลวสามารถระเหยกลายเป็นเมฆฝนและทำซ้ำได้ ในทางทฤษฎีวัฏจักรของน้ำในโลกอาจดำเนินต่อไปเรื่อย ๆ ตราบใดที่ชั้นบรรยากาศของโลกและแสงอาทิตย์ถูกเก็บรักษาไว้ (และแทนที่ไฮโดรเจนที่หายไป) แต่มันเป็นระบบวงกลมที่ต้องการพลังงานแสงอาทิตย์เท่านั้น

ดาวพฤหัสนั้นแตกต่างกันเพราะเมื่อเวลาผ่านไปก๊าซที่หนักกว่าในดาวพฤหัสบดีอาจจะจมลงไปตรงกลางและก๊าซที่ก่อตัวเป็นเมฆของดาวพฤหัสน่าจะลดลงเมื่อได้รับเวลาที่เพียงพอ "ฝน" ของดาวพฤหัสบดีบางคนอาจตกลึกเกินไปในการหมุนวนของก๊าซและออกจากวัฏจักรเมฆของดาวพฤหัสบดีอย่างถาวรคล้ายกับน้ำที่ไหลซึมลงใต้ดินและออกจากวงจรน้ำของโลก ดังนั้นใน 100 พันล้านหรือล้านล้านปีดาวพฤหัสอาจสูญเสียเมฆและเมฆที่ก่อตัวเป็นก๊าซในชั้นบรรยากาศบนด้วยเหตุผลที่คุณสงสัย

เหตุผลที่สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเพียงแค่ผสมกัน ในขณะที่ความหนาแน่นของก๊าซมีแนวโน้มไปสู่ชั้นของความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นความร้อนภายในภายในดาวพฤหัสบดียังต้องการออกไปอีกด้วยดังนั้นจึงมีการพาความร้อนจำนวนมหาศาลดำเนินไปทั่วโลก สิ่งนี้ทำให้ก๊าซที่หนักกว่าอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัส ดาวพฤหัสบดีมีความปั่นป่วนมากเกินไปที่จะมีเพียงไฮโดรเจนและฮีเลียมในชั้นบรรยากาศด้านบน

ดังนั้นเมื่อเราเริ่มต้นด้วยการสังเกตว่าชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีคือ (ประมาณ) ไฮโดรเจน 90%, 9% ฮีเลียม 1% ก๊าซอื่น ๆ และผสมรักษา 1% ของคนอื่น ๆ หลังจากนั้นก็เป็นเพียงฟิสิกส์เมฆ

เมฆดูเหมือนคอลเล็กชั่นไอน้ำ (หยดน้ำแข็งหรือน้ำหยดเล็ก ๆ เนื่องจากไอน้ำนั้นโปร่งใสจริง ๆ ) พวกมันดูเหมือนวัตถุที่มีรูปร่าง แต่ก็ไม่แม่นยำเลย หากคุณอยู่ใกล้กับก้อนเมฆ (ตัวอย่างเช่นบินบนเครื่องบิน) ขอบที่ชัดเจนจะหายไป คลาวด์ไม่ได้เป็นวัตถุมากนักมันเป็นการเปลี่ยนเฟสที่มองเห็นได้

บรรยากาศบนโลกมีไนโตรเจนประมาณ 78%, ออกซิเจน 21%, อาร์กอน 0.9% และ (โดยปกติจะไม่ได้อยู่ในรายการเนื่องจากตัวแปรแปรผัน), ไอน้ำประมาณ 0.4% โดยเฉลี่ยสูงถึง 1% ที่มีอุณหภูมิสูงและความชื้นสูงและใกล้กับ 0 % ในอุณหภูมิที่เย็นจัดหรือทะเลทรายแห้ง เมื่อคุณรับอากาศที่อบอุ่นบนพื้นผิวนั่นคือไอน้ำ 0.6-0.8% และอากาศนั้นเพิ่มขึ้น (อย่างอากาศร้อน) มันเป็นการเปลี่ยนเฟสที่สร้างเมฆ เมฆก่อตัวขึ้นในอากาศที่เพิ่มสูงขึ้นเมื่อมันเย็นลง มีแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตบางส่วน แต่ส่วนใหญ่เป็นเพียงบล็อกอากาศที่คล้ายกันระหว่างการทำความเย็นและเมฆดูเหมือนว่าจะมีขอบทึบ แต่ก็ไม่ได้

สิ่งเดียวกันนั้นเกิดขึ้นกับดาวพฤหัสบดีการเปลี่ยนสถานะของก๊าซที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิ / ความดันต่างกัน แต่กระบวนการก็เหมือนกัน และเช่นเดียวกับบนโลกเมื่อหยดหรือรูปแบบ "icelets" พวกมันจะหนาแน่นขึ้นและเริ่มตกลงมา แต่หยดที่ตกลงมามีขนาดเล็กมากดังนั้นพวกเขาจึงตกลงมาช้ามากและส่วนใหญ่พวกเขากำลังตกลงสู่บรรยากาศที่สูงขึ้น นอกจากนี้เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเฟสเมฆใหม่ก็กำลังก่อตัวขึ้นและเมฆก้อนเก่าก็ถูกปล่อยออกมาหรือถูกคืนกลับไปเป็นแก๊สอยู่ตลอดเวลาเหมือนน้ำแข็งในทะเล เมฆมีลักษณะกึ่งถาวร แต่เมฆนั้นมีพลัง

หากคำอธิบายของฉันไม่ได้ผลสำหรับคุณนี่คือคำอธิบายเกี่ยวกับกลุ่มเมฆและวิธีที่พวกเขาไม่ได้ถูกผูกมัดเข้าด้วยกันแม้ว่าพวกเขาจะมองแบบนั้น

แต่นั่นคือแก่นสารของมันการผสมกันทำให้บรรยากาศชั้นบนของดาวพฤหัสบดีเป็นไฮโดรเจนบริสุทธิ์และฮีเลียม (หรือไฮโดรเจนบริสุทธิ์) และหลังจากนั้นการก่อตัวของเมฆนั้นก็ค่อนข้างคล้ายกับบนโลกโดยไม่มีพื้นผิว ก๊าซที่หนักกว่าบางตัวอาจหายไปจากวัฏจักร แต่การสูญเสียนั้นช้าพอที่ดาวพฤหัสจะยังคงมีเมฆหนาบางตัวก่อตัวเป็นก๊าซในชั้นบรรยากาศของมันและจะเป็นเวลาหลายพันล้านปีที่จะมาถึง

การแปรผันของความหนาแน่นที่มากขึ้นระหว่าง H / He และก๊าซอื่น ๆ น่าจะมีบทบาทในการทำงานของก้อนเมฆในขณะที่ความหนาแน่นนั้นแปรผันมากกว่า แต่ความเร็วลมก็สูงขึ้นเช่นกันเมื่อดาวพฤหัส สิ่งที่ต้องการคือการผสม หลังจากนั้นด้วยก๊าซที่สามารถกลายเป็นของเหลวหรือน้ำแข็งภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ / ความดันการเปลี่ยนแปลงเฟสจะสร้างเมฆ

อาจเป็นไปได้ว่าก๊าซที่ก่อตัวเป็นเมฆของดาวพฤหัสบดีเป็นครั้งคราวจะถูกเติมด้วยดาวเคราะห์น้อยและผลกระทบของดาวหาง Shoemaker-Levy 9 มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 กม. และเปอร์เซ็นต์ที่พอเหมาะก็น่าจะเป็นแอมโมเนียและน้ำแข็งในน้ำ นั่นเป็นก๊าซที่ก่อตัวเป็นเมฆจำนวนมากที่ถูกเพิ่มเข้ามาในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัส ระบบวงแหวนจาง ๆ ของดาวพฤหัสซึ่งอาจใหญ่กว่าล้านปีมาแล้ว แต่เมื่อฝนตกบนดาวพฤหัสและการปะทุจากไอโอก็อาจมีบทบาทในการรักษาบรรยากาศชั้นบนของดาวพฤหัสบดีให้อุดมไปด้วยเมฆทำให้องค์ประกอบเช่นน้ำและแอมโมเนีย

เมฆไม่ตกลงมาตามการเร่งรัดภายในของดาวพฤหัสบดีและไม่เกิดขึ้นใหม่ได้อย่างไร

ก๊าซในโทรโพสเฟียร์ของดาวเคราะห์ไม่ได้แยกความแตกต่างทางเคมี ความปั่นป่วนที่ขับเคลื่อนด้วยความร้อนและการหมุนของดาวเคราะห์ทำให้บรรยากาศดีขึ้น เราสามารถเห็นสิ่งนี้ในบรรยากาศของเราเอง คาร์บอนไดออกไซด์และอาร์กอนมีความหนาแน่นมากกว่าไนโตรเจนและออกซิเจนที่ก่อตัวเป็นกลุ่มของชั้นบรรยากาศ แต่เราไม่มีคาร์บอนไดออกไซด์ที่ชั้นล่างสุดของชั้นบรรยากาศ เครื่องหมาย turbopause ที่บรรยากาศเปลี่ยนจากการถูกครอบงำโดยการผสมแบบปั่นป่วนไปจนถึงการถูกครอบงำโดยการแพร่กระจาย ความแตกต่างของสารเคมีโดยมวลอะตอมนั้นเกิดขึ้นเหนือ turbopause แต่ถึงอย่างนั้นมันก็ค่อยๆ

แต่ฝนล่ะ คำตอบนั้นง่าย: มันระเหย ที่เกิดขึ้นที่นี่บนโลกโดยเฉพาะในพื้นที่แห้งแล้ง เมฆก่อตัวและฝนตกจากก้อนเมฆเหล่านั้น แต่บางครั้งฝนก็จะระเหยก่อนที่มันจะถึงพื้น สิ่งนี้เรียกว่า virga

อุณหภูมิเพิ่มขึ้นภายในดาวพฤหัสบดีเนื่องจากความร้อนแบบอัดตัวที่อัตราประมาณ 1.85 K ต่อกิโลเมตรของความลึกที่เพิ่มขึ้น นั่นหมายความว่าอุณหภูมิจะถึงอุณหภูมิวิกฤติของน้ำ (647 K) ประมาณ 240 กิโลเมตรต่ำกว่าระดับความดัน 1 บาร์ ดังนั้นแม้ว่าน้ำฝนจะตกลงมาไกลเท่าฝนก่อนที่จะระเหย (ซึ่งเป็นพิรุธ) มันก็จะกลายเป็นของเหลว