在木星的氢和氦气氛中如何形成云？

这是木星云层的图形（来源：Wikipedia）：

氨，硫化氢铵和水分为三个不同的云层。温度和压力条件似乎与大地相似。温度介于200至300 K之间，压力约为1至10 atm，重力约为1.3 g。

（水）云是在地球上形成的，因为它们使太阳能从固体表面蒸发，上升了几公里，然后凝结形成水滴（或固体晶体雪）。但是木星没有固体表面，也没有与地球差不多的太阳能。

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— 金翅雀
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泰坦上也形成云，甚至更少的阳光。

— Gerrit

@gerrit它们在主要是双原子氮的原子层中形成，并且可以从几公里以下的表面蒸发掉。我想知道云如何在极低密度的氢气和氦气气氛中漂浮，如果它们在雨中掉落，它们将永远消失在深渊中。

— Kingledion

为什么降水永远不会重新出现？当您走得更远时，压力会增加，因此温度会上升。我必须检查所有这些化合物的三相点，以确保确定，但是我猜想在某个时刻，热量会使它们返回到气态，从而驱动对流，进而将它们带回，再次形成云团。

— 查理·基利安

@CharlieKilian因为所有这些化合物的密度都比氢和氦高，所以我不希望它们在氢氦气氛中被对流向上驱动。

— Kingledion

恐怕我不知道确切的细节，但是我可以向您展示一种假设是错误的方式。我怀疑密度在这里是误导性的东西。密度随温度和压力而变化。在STP（标准温度和压力，定义为273.15 K和01.325 kPa）下，N2（氮气）的密度为1.251 g / L。但在STP时，气态H2O（即水蒸气）为1.27 g / L。显然，水可以并且确实会在我们大部分为氮的气氛中蒸发并形成云。

— 查理·基利安

Answers:

首先，这是一个很好的问题。通常，答案是直截了当的，因此我可以回答，但这仍然是一个很好的问题。

然后我将在您发布的图片中添加类似的图片，但略为详细。

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没错，地球表面之间存在明显的区别，液态水可以存在，蒸发，形成云，下雨并重复。从理论上讲，只要维持地球大气层和太阳输入（并替换掉损失的氢），地球的水循环就可以无限期地进行，但这是一个仅需要太阳输入的循环系统。

木星之所以与众不同，是因为随着时间的推移，木星中较重的气体可能会向中心深处沉入，并且木星的云形成气体在足够的时间内应会减少。木星的某些“雨”可能确实在其漩涡状的气体混合中坠落得太深，并永久离开木星的云循环，类似于水渗入地下并离开地球的水云循环。因此，在1000亿或一万亿年左右的时间里，由于您怀疑的原因，木星可能会在其高层大气中失去云层和形成云的气体。

尚未发生的原因仅仅是混合。尽管气体的密度趋于增加密度的层，但木星内部的内部热量也希望均匀，因此整个地球几乎一直存在巨大的对流。这将在木星的高层大气中保留一些较重的气体。木星太湍急，以至于它的高层大气中只有氢和氦。

因此，一旦我们开始观察到木星的最高大气层是（大约）90％的氢，9％的氦气，1％的其他气体，并且混合维持了其他1％的气体，之后这只是云物理学。

云看起来像水蒸气的蓬松集合（微小的冰或水滴，因为水蒸气实际上是透明的）。它们看起来像具有形状的对象，但这并不完全准确。如果您靠近云层（例如在飞机上飞行），则清晰的边缘会消失。云远不是物体，而是可见的相变。

地球上的大气约含78％的氮，21％的氧气，0.9％的氩气（通常不列出，因为它是如此可变），平均约0.4％的水蒸气，在高温高湿下高达1％，接近0 ％在寒冷的温度或沙漠中。当您获取表面水分为0.6-0.8％的温暖的地面空气并且空气上升（就像热空气一样）时，正是相变产生了云。云在冷却时在热升腾的空气中形成。有一些静电吸引，但是大多数情况下，它只是一小块相似的空气经过冷却，而云看起来好像有坚固的边缘，但是没有。

在木星上也发生了同样的事情，不同的气相在不同的温度/压力下发生了变化，但是过程是相同的。而且，就像在地球上一样，一旦形成液滴或“冰粒”，它们就会变得更稠密并开始下落，但是下落的液滴非常小，因此它们下落得非常缓慢，并且在大多数情况下，它们是通过上升的大气层下落的。而且，由于它们是一个相变，因此一直在形成新的云，而老的云则一直在散发或返回天然气，就像海冰一样。云具有半永久性外观，但是云是动态的。

如果我的解释对您不起作用，那么这里是关于云的解释，即使它们看起来是这样，它们实际上也没有被束缚在一起。

但这就是要点，混合使木星的高层大气不再是纯氢和氦（或纯氢），此后，云层的形成与地球几乎相同，只是没有表面。一些较重的气体可能确实会从循环中损失掉，但是损失的速度很慢，以至于木星在其高层大气中仍然有一些重云形成气体，并且可能持续数十亿年。

H / He与其他气体之间较大的密度变化可能会影响云的行为，因为密度变化较大，但木星的风速也较高。真正需要的是混合。之后，由于气体在温度/压力变化下会变成液体或冰，相变会产生云。

小行星和彗星撞击可能会不时补充木星形成云的气体。Shoemaker-Levy 9的直径约为5公里，其中相当一部分可能是氨水和水冰。木星的高层大气中大量积云的气体。木星的微弱的环系统，可能在数百万年前就已经大得多，但是自从下雨以来，木卫一的喷发和Io的喷发也可能使木星的高层大气足够富含云团，如水和氨。

— 用户LTK
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重新木星是不同的，因为随着时间的推移，在木星的较重的气体可能会沉向中心深入和木星云层形成的气体应减少给予足够的时间。需要引用。行星大气不是这样工作的。“对流层”一词是指大气中充分混合的部分。脱分化确实发生在行星的高层大气中，而不发生在对流层中。

— 大卫·哈门

@DavidHammen，我不好。我会改变的。我在文章中读到，随着您深入木星，重气体的比例确实增加了，所以我将尝试找到它。固体表面确实是一种不同的动力学，但是您指出的对流层混合是准确的。我会尝试更好地措辞并添加源。

— userLTK '16

云层如何不会像降水一样落入木星的内部而永不重新出现呢？

行星对流层中的气体不会化学区分。受热和行星旋转驱动的湍流使大气混合得很好。我们可以在自己的氛围中看到这一点。二氧化碳和氩气比构成大气层的氮气和氧气的密度大得多。但是，我们在大气层的底部没有一层二氧化碳。涡轮暂停标志着大气从湍流混合控制变为扩散控制的位置。通过原子质量进行化学区分确实发生在涡轮暂停上方，但即使在那儿，它也是渐进的。

但是下雨呢？答案很简单：它会蒸发。这发生在地球上，特别是在干旱地区。形成云层，雨水从这些云层上落下，但是雨有时会在到达地面之前蒸发掉。这称为维加。

由于压缩加热，木星内部的温度以每公里增加的深度约1.85 K的速率上升。这意味着温度达到水的临界温度（647 K），低于1 bar压力水平约240公里。因此，即使雨水在蒸发之前可能降到与雨水一样远（这是可疑的），它也将不再是液体。

— 大卫·汉门
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