Comment les nuages ​​peuvent-ils se former dans l'atmosphère de l'hydrogène et de l'hélium de Jupiter?

Voici un graphique des couches nuageuses de Jupiter ( source: Wikipedia ):

Il existe trois couches nuageuses distinctes d'ammoniac, d'hydrosulfure d'ammonium et d'eau. Les conditions de température et de pression semblent étonnamment semblables à la terre; températures comprises entre 200 et 300 K, pressions d'environ 1 à 10 atm, gravité d'environ 1,3 g.

Des nuages ​​(d'eau) se forment sur la terre parce que l'énergie solaire les fait s'évaporer d'une surface solide, monter de quelques kilomètres, puis se condenser pour former des gouttelettes d'eau (ou neige cristalline solide). Mais Jupiter n'a pas de surface solide, ni presque autant d'énergie solaire que la Terre.

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D'abord, c'est une excellente question. Généralement, la réponse est simple, donc je peux y répondre, mais c'est toujours une excellente question.

et j'ajouterai une image similaire, mais légèrement plus détaillée, à celle que vous avez publiée.

La source

Vous avez raison de dire qu'il y a une nette différence entre la surface de la Terre où l'eau liquide peut exister, s'évaporer, faire des nuages, pleuvoir et se répéter. Le cycle de l'eau de la Terre en théorie pourrait durer indéfiniment tant que l'atmosphère terrestre et l'apport solaire sont maintenus (et l'hydrogène perdu est remplacé), mais c'est un système circulaire qui n'a besoin que d'un apport solaire.

Jupiter est différent car avec le temps, les gaz plus lourds de Jupiter vont probablement sombrer plus profondément vers le centre et les gaz formant des nuages ​​de Jupiter devraient diminuer avec suffisamment de temps. Une partie de la «pluie» de Jupiter tombe probablement trop profondément dans son mélange tourbillonnant de gaz, et laisse le cycle des nuages ​​de Jupiter en permanence, semblable à l'eau qui s'infiltre sous terre et quitte le cycle eau-nuage de la Terre. Ainsi, dans 100 milliards ou mille milliards d'années, Jupiter pourrait perdre ses nuages ​​et les gaz formant des nuages ​​dans sa haute atmosphère pour les raisons que vous soupçonnez.

La raison pour laquelle cela ne s'est pas encore produit est simplement un mélange. Alors que la densité du gaz tend vers des couches de densité croissante, la chaleur interne à l'intérieur de Jupiter veut également s'équilibrer, il y a donc une énorme convection qui se déroule à peu près tout au long de la planète. Cela garde des gaz plus lourds dans la haute atmosphère de Jupiter. Jupiter est beaucoup trop turbulent pour avoir juste de l'hydrogène et de l'hélium dans la haute atmosphère.

Donc, une fois que nous commençons par l'observation que la haute atmosphère de Jupiter est (environ) 90% d'hydrogène, 9% d'hélium, 1% d'autres gaz et que le mélange maintient le 1% des autres, après quoi c'est juste la physique des nuages .

Les nuages ​​ressemblent à des collections gonflées de vapeur d'eau (de minuscules gouttelettes de glace ou d'eau, car la vapeur d'eau est en fait transparente). Ils ressemblent à des objets avec des formes, mais ce n'est pas tout à fait exact. Si vous êtes près d'un nuage (volant dans un avion par exemple), les bords clairs disparaissent. Un nuage n'est pas tellement un objet, c'est un changement de phase visible.

L'atmosphère sur Terre est composée d'environ 78% d'azote, 21% d'oxygène, 0,9% d'argon et (généralement non répertoriés parce que c'est si variable), d'environ 0,4% de vapeur d'eau en moyenne, jusqu'à 1% avec des températures et une humidité élevées et près de 0 % par temps froid ou désert sec. Lorsque vous prenez de l'air chaud en surface qui contient 0,6-0,8% de vapeur d'eau et que l'air monte (comme le fait l'air chaud), c'est le changement de phase qui crée les nuages. Le nuage se forme dans l'air ascendant chaud en refroidissant. Il y a une certaine attraction électrostatique, mais la plupart du temps, ce n'est qu'un bloc d'air similaire en cours de refroidissement et le nuage semble avoir des bords solides, mais ce n'est pas le cas.

La même chose se produit exactement sur Jupiter, différents changements de phase des gaz à différentes températures / pressions, mais le processus est le même. Et, tout comme sur Terre, une fois que les gouttelettes ou les "oeillets" se forment, elles sont plus denses et commencent à tomber, mais les gouttelettes qui tombent sont très petites, donc elles tombent très lentement et, pour la plupart, elles tombent à travers l'atmosphère ascendante. De plus, comme il s'agit d'un changement de phase, un nouveau nuage se forme et un ancien nuage est déboursé ou remis au gaz tout le temps, un peu comme la glace de mer. Les nuages ​​ont l'apparence d'une semi-permanence, mais les nuages ​​sont dynamiques.

Si mon explication ne fonctionne pas pour vous, voici une explication sur les nuages ​​et comment ils ne sont vraiment pas liés, même s'ils semblent de cette façon.

Mais c'est l'essentiel, le mélange empêche la haute atmosphère de Jupiter d'être de l'hydrogène pur et de l'hélium (ou de l'hydrogène pur), et après cela, la formation des nuages ​​est à peu près la même que sur Terre, juste sans surface. Certains des gaz les plus lourds se perdent probablement du cycle, mais la perte est suffisamment lente pour que Jupiter ait encore de lourds nuages ​​formant des gaz dans sa haute atmosphère et le restera probablement pendant des milliards d'années.

La plus grande variation de densité entre H / He et d'autres gaz joue probablement un rôle dans le comportement des nuages, car la variation de densité est plus grande, mais les vitesses du vent sont également plus élevées sur Jupiter. Tout ce qui est vraiment nécessaire, c'est de mixer. Après cela, avec des gaz qui peuvent devenir liquides ou de la glace sous des variations de température / pression, les changements de phase créent les nuages.

Il est également possible que les gaz de formation de nuages ​​de Jupiter, de temps en temps, soient reconstitués par les impacts d'astéroïdes et de comètes. Shoemaker-Levy 9 mesurait environ 5 km de diamètre et une bonne partie était probablement constituée d'ammoniac et de glace d'eau. C'est beaucoup de gaz formant des nuages ​​ajouté à la haute atmosphère de Jupiter. Le système d'anneaux faibles de Jupiter, qui aurait pu être beaucoup plus grand il y a des millions d'années, mais qui a plu depuis sur Jupiter, et les éruptions de Io pourraient également jouer un rôle dans le maintien de la haute atmosphère de Jupiter suffisamment riche en nuages, comme l'eau et l'ammoniac.

Comment les nuages ​​ne tombent-ils pas sous forme de précipitations à l'intérieur de Jupiter et ne réapparaissent-ils jamais?

Les gaz dans la troposphère d'une planète ne se différencient pas chimiquement; les turbulences provoquées par le chauffage et la rotation de la planète maintiennent l'atmosphère bien mélangée. Nous pouvons voir cela dans notre propre atmosphère. Le dioxyde de carbone et l'argon sont considérablement plus denses que l'azote et l'oxygène qui forment la majeure partie de l'atmosphère. Pourtant, nous n'avons pas de couche de dioxyde de carbone au fond de l'atmosphère. La turbopause marque où une atmosphère passe de dominée par un mélange turbulent à dominée par la diffusion. La différenciation chimique par la masse atomique se produit au-dessus de la turbopause, mais même là, elle est progressive.

Mais qu'en est-il de la pluie? La réponse est simple: elle s'évapore. Cela se produit ici sur Terre, en particulier dans les régions arides. Des nuages ​​se forment et la pluie tombe de ces nuages, mais la pluie s'évapore parfois avant d'atteindre le sol. C'est ce qu'on appelle virga.

Les températures montent à l'intérieur de Jupiter en raison du chauffage par compression, à un taux d'environ 1,85 K par kilomètre de profondeur croissante. Cela signifie que la température atteint la température critique de l'eau (647 K) à environ 240 kilomètres en dessous du niveau de pression de 1 bar. Ainsi, même si l'eau de pluie pouvait tomber aussi loin que la pluie avant de s'évaporer (ce qui est douteux), elle cesserait d'être un liquide.