天王星と海王星の対流嵐と大気垂直構造

氷の巨人天王星とネプチューンには、冷たい上部の雰囲気に凝縮するいくつかの成分を持つ水素ベースの大気があります。両方の惑星で観察される少数の明るい雲システムは、湿った対流嵐の良い候補ですが、観察された特性（サイズ、時間的スケール、活動のサイクル）は、ガスの巨人の湿った対流嵐とは異なります。これらの雲と嵐は、おそらくメタンの凝縮によるものであり、観察はいくつかのバーの深さでの硫化水素（H2S）のより深い雲を示唆しています。さらに深い熱化学モデルは、数百のバーから数百のバーまでの圧力で、水素硫化アンモニア（NH4SH）と水の雲を予測し、延長された深い気象層を形成します。水素の低分子量と揮発性物質の存在量が多いため、それらの凝縮は、木星と土星の同等のものよりも大きい分子量の強く安定化する垂直勾配を課します。結果として生じる垂直運動の阻害は、地球やタイタンのような窒素ベースの大気で発生するものとは大きく異なる湿った対流領域につながるはずです。結果として、天王星と海王星の深い大気の熱構造はよく理解されていません。同様のプロセスは、土星の木星の深海雲で発生する可能性がありますが、氷の巨人は上部のメタン雲層でこれらの物理的側面を研究する可能性を提供します。眼窩とその場データの組み合わせは、木星、土星、巨大なエクソプラネットを含む水素大気中の氷の巨人、さらには氷の巨人の大気ダイナミクスにおける対流とその役割を理解するために必要です。この記事は、「氷の巨大システムの将来の探求」の問題の問題の一部です。

The ice giants Uranus and Neptune have hydrogen-based atmospheres with several constituents that condense in their cold upper atmospheres. A small number of bright cloud systems observed in both planets are good candidates for moist convective storms, but their observed properties (size, temporal scales and cycles of activity) differ from moist convective storms in the gas giants. These clouds and storms are possibly due to methane condensation and observations also suggest deeper clouds of hydrogen sulfide (H2S) at depths of a few bars. Even deeper, thermochemical models predict clouds of ammonia hydrosulfide (NH4SH) and water at pressures of tens to hundreds of bars, forming extended deep weather layers. Because of hydrogen's low molecular weight and the high abundance of volatiles, their condensation imposes a strongly stabilizing vertical gradient of molecular weight larger than the equivalent one in Jupiter and Saturn. The resulting inhibition of vertical motions should lead to a moist convective regime that differs significantly from the one occurring on nitrogen-based atmospheres like those of Earth or Titan. As a consequence, the thermal structure of the deep atmospheres of Uranus and Neptune is not well understood. Similar processes might occur at the deep water cloud of Jupiter in Saturn, but the ice giants offer the possibility to study these physical aspects in the upper methane cloud layer. A combination of orbital and in situ data will be required to understand convection and its role in atmospheric dynamics in the ice giants, and by extension, in hydrogen atmospheres including Jupiter, Saturn and giant exoplanets. This article is part of a discussion meeting issue 'Future exploration of ice giant systems'.