¿Cómo pueden formarse nubes en la atmósfera de hidrógeno y helio de Júpiter?

Primero, es una gran pregunta. En su mayoría, la respuesta es directa, por lo que puedo responderla, pero sigue siendo una gran pregunta.

y agregaré una imagen similar, pero un poco más detallada, a la que publicaste.

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Tienes razón en que hay una clara diferencia entre la superficie de la Tierra donde el agua líquida puede existir, evaporarse, hacer nubes, llover y repetir. En teoría, el ciclo del agua de la Tierra podría continuar indefinidamente mientras se mantengan la atmósfera de la Tierra y la entrada solar (y se reemplace el hidrógeno perdido), pero es un sistema circular que solo necesita la entrada solar.

Júpiter es diferente porque con el tiempo, los gases más pesados ​​en Júpiter probablemente se hundirán más hacia el centro y los gases que forman las nubes de Júpiter deberían disminuir con el tiempo suficiente. Parte de la "lluvia" de Júpiter probablemente cae demasiado profundo en su mezcla arremolinada de gases, y deja el ciclo de nubes de Júpiter de forma permanente, similar al agua que se filtra bajo tierra y abandona el ciclo de nubes de agua de la Tierra. Entonces, en 100 mil millones o un billón de años más o menos, Júpiter podría perder sus nubes y los gases que forman nubes en su atmósfera superior por las razones que sospechas.

La razón por la que esto no ha sucedido todavía es simplemente la mezcla. Si bien la densidad del gas tiende hacia capas de densidad creciente, el calor interno dentro de Júpiter también quiere nivelarse, por lo que hay una enorme convección en casi todo el planeta. Esto mantiene algunos gases más pesados ​​en la atmósfera superior de Júpiter. Júpiter es demasiado turbulento para tener solo hidrógeno y helio en su atmósfera superior.

Entonces, una vez que comenzamos con la observación de que la atmósfera superior de Júpiter es (alrededor de) 90% de hidrógeno, 9% de helio, 1% de otros gases y la mezcla mantiene el 1% de otros, después de eso es solo física de nubes .

Las nubes parecen acumulaciones hinchadas de vapor de agua (gotas diminutas de hielo o agua, ya que el vapor de agua es en realidad transparente). Parecen objetos con formas, pero eso no es del todo exacto. Si estás cerca de una nube (volando en avión, por ejemplo), los bordes claros desaparecen. Una nube no es tanto un objeto, es un cambio de fase visible.

La atmósfera en la Tierra es aproximadamente un 78 % de nitrógeno, un 21 % de oxígeno, un 0,9 % de argón y (por lo general, no se incluye en la lista porque es muy variable), aproximadamente un 0,4 % de vapor de agua en promedio, hasta un 1 % con alta temperatura y alta humedad y cerca de 0 % en temperaturas frías o desiertos secos. Cuando tomas aire caliente de la superficie que es 0.6-0.8% de vapor de agua, y ese aire sube (como lo hace el aire caliente), es el cambio de fase lo que crea las nubes. La nube se forma en el aire caliente que asciende a medida que se enfría. Hay algo de atracción electrostática, pero en su mayoría es solo un bloque de aire similar que se enfría y la nube parece tener bordes sólidos, pero no es así.

Lo mismo sucede exactamente en Júpiter, diferentes gases cambian de fase a diferentes temperaturas/presiones, pero el proceso es el mismo. Y, al igual que en la Tierra, una vez que se forman las gotas o "icelets", son más densas y comienzan a caer, pero las gotas que caen son muy pequeñas, por lo que caen muy lentamente y, en su mayor parte, caen a través de la atmósfera ascendente. Además, como son un cambio de fase, se forman nuevas nubes y las viejas se desembolsan o se vuelven a convertir en gas todo el tiempo, como si fuera hielo marino. Las nubes tienen apariencia de semipermanencia, pero las nubes son dinámicas.

Si mi explicación no funciona para usted, aquí hay una explicación sobre las nubes y cómo realmente no están unidas a pesar de que se ven de esa manera.

Pero esa es la esencia, la mezcla evita que la atmósfera superior de Júpiter sea hidrógeno y helio puros (o hidrógeno puro), y después de eso, la formación de nubes es más o menos la misma que en la Tierra, solo que sin superficie. Es probable que algunos de los gases más pesados ​​se pierdan en el ciclo, pero la pérdida es lo suficientemente lenta como para que Júpiter todavía tenga algunas nubes pesadas que forman gases en su atmósfera superior y lo harán probablemente durante miles de millones de años.

La mayor variación de densidad entre H/He y otros gases probablemente juega un papel en el comportamiento de las nubes, ya que la variación de densidad es mayor, pero las velocidades del viento también son mayores en Júpiter. Todo lo que realmente se necesita es mezclar. Después de eso, con gases que pueden volverse líquidos o hielo bajo variaciones de temperatura/presión, los cambios de fase crean las nubes.

También es posible que los gases que forman las nubes de Júpiter, de vez en cuando, se repongan por los impactos de asteroides y cometas. Shoemaker-Levy 9 tenía unos 5 km de diámetro y un buen porcentaje de eso era probablemente amoníaco y hielo de agua. Eso es mucho gas formador de nubes agregado a la atmósfera superior de Júpiter. El tenue sistema de anillos de Júpiter, que podría haber sido mucho más grande hace millones de años, pero desde que llovió sobre Júpiter, y las erupciones de Io también podrían desempeñar un papel en mantener la atmósfera superior de Júpiter lo suficientemente rica en elementos que forman nubes como el agua y el amoníaco.

¿Cómo las nubes no caen como precipitación en el interior de Júpiter y nunca vuelven a emerger?

Los gases en la troposfera de un planeta no se diferencian químicamente; la turbulencia provocada por el calentamiento y la rotación de los planetas mantienen la atmósfera bien mezclada. Podemos ver esto en nuestra propia atmósfera. El dióxido de carbono y el argón son considerablemente más densos que el nitrógeno y el oxígeno que forman la mayor parte de la atmósfera. Sin embargo, no tenemos una capa de dióxido de carbono en el fondo de la atmósfera. La turbopausa marca el lugar en el que una atmósfera pasa de estar dominada por una mezcla turbulenta a estar dominada por la difusión. La diferenciación química por masa atómica ocurre por encima de la turbopausa, pero incluso allí, es gradual.

Pero ¿y la lluvia? La respuesta es simple: se evapora. Eso sucede aquí en la Tierra, particularmente en las regiones áridas. Se forman nubes y la lluvia cae de esas nubes, pero la lluvia a veces se evapora antes de llegar al suelo. Esto se llama virga.

Las temperaturas aumentan dentro de Júpiter debido al calentamiento por compresión, a un ritmo de aproximadamente 1,85 K por kilómetro de profundidad creciente. Eso significa que la temperatura alcanza la temperatura crítica del agua (647 K) unos 240 kilómetros por debajo del nivel de presión de 1 bar. Entonces, incluso si el agua de lluvia pudiera caer tan lejos como lluvia antes de evaporarse (lo cual es dudoso), dejaría de ser un líquido.