Por que Urano e Netuno têm mais metano que Júpiter e Saturno?

Portanto, a teoria padrão da nebulosa solar é que, na região dos planetas gasosos, gelo e rocha poderiam condensar-se para formar planetesimais, que poderiam então acumular hidrogênio e hélio para formar gigantes gasosos. Os planetas gigantes são na sua maioria hidrogênio e hélio, mas Urano e Netuno têm quantidades relativamente grandes de compostos de hidrogênio como o metano (é isso que lhes dá a cor).

Minha pergunta é por que isso aconteceu? Como Urano e Netuno conseguiram seu metano? Minha impressão é que todos os gigantes gasosos estavam longe o suficiente para que o metano se condensasse no gelo; então, como Urano e Netuno acabaram preferencialmente com metano?

Por que Urano e Netuno têm mais metano que Júpiter e Saturno?

É uma combinação de equações de estado ( EOS ), serpentinização e mistura (rotacional e convectiva) que favorece a preferência por algumas reações (e compostos resultantes) em detrimento de outras.

Veja as referências abaixo.

Os planetas gigantes são na sua maioria hidrogênio e hélio, mas Urano e Netuno têm quantidades relativamente grandes de compostos de hidrogênio como o metano (é isso que lhes dá a cor).

Júpiter e Saturno são gigantes de gás , Urano e Netuno são gigantes de gelo .

Minha pergunta é por que isso aconteceu? Como Urano e Netuno conseguiram seu metano? Minha impressão é que todos os gigantes gasosos estavam longe o suficiente para que o metano se condensasse no gelo; então, como Urano e Netuno acabaram preferencialmente com metano?

Veja " Atmosfera extraterrestre da Wikipedia ":

^{Gráficos da velocidade de escape contra a temperatura da superfície de alguns objetos do Sistema Solar mostrando quais gases são retidos. Os objetos são desenhados em escala e seus pontos de dados estão nos pontos pretos no meio. Os dados são baseados na " Aula 5: Visão geral do sistema solar, matéria no equilíbrio termodinâmico " e " Perguntas frequentes da Stargazer - Como exatamente as atmosferas são mantidas? ".}

A Wikipedia fala pouco sobre a atmosfera desses planetas, e menos sobre Urano e Netuno:

• Atmosfera de Júpiter :

  "Não há nuvens de metano, pois as temperaturas são muito altas para condensar". - Fonte: " Nuvens de amônia de Júpiter - localizadas ou onipresentes? " (9 de abril de 2004), por SKAtreya, ASWong, KHBaines, MHWong e TCOwen.

  Citações do artigo:

  Página 502: "Para a produção de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP), a química começa com a destruição do metano (CH ) pelos fótons solares UV em$_4$$\lambda \le$160 nm, levando à formação de benzeno ($c$-C$_6$H$_6$ou A$_1$) e outros hidrocarbonetos complexos (Fig. 3). Nas regiões aurorais polares, onde as partículas energéticas também decompõem o metano, a química dos íons se torna dominante na produção de benzeno e hidrocarbonetos pesados ​​(Wong et al., 2003 e Fig. 3) ".

• Atmosfera de Saturno :

  "A radiação ultravioleta do Sol causa fotólise de metano na atmosfera superior, levando a uma série de reações químicas de hidrocarbonetos, com os produtos resultantes sendo carregados para baixo por redemoinhos e difusão. Esse ciclo fotoquímico é modulado pelo ciclo sazonal anual de Saturno". - Fonte: " Distribuição de etano, acetileno e propano na estratosfera de Saturno a partir de observações de membros da Cassini / CIRS " (novembro de 2008), por S. Guerlet, T. Fouchet e B. Bézard.

  Citações do artigo:

  Página 406: " Método 3

  Utilizamos um modelo de transferência radiativa linha a linha para calcular espectros sintéticos. Inclui opacidade do CH$_4$, CH$_3$D, C$_2$H$_6$, C$_2$H$_2$, C$_3$H$_8$, C$_3$H$_4, C$_4$H$_2 e opacidade induzida por colisão de H2-He e H2-H2. A grade atmosférica consistia em [de] 360 camadas de 10 bar a 10−8 bar. Foi acoplado a um algoritmo de inversão iterativo adaptado de Conrath et al. (1998), a fim de recuperar o estado atmosférico (temperatura, perfis verticais de hidrocarbonetos) dos espectros medidos.

  Como uma intensidade de emissão molecular depende de sua abundância e temperatura, procedemos em duas etapas. Primeiro, recuperamos o perfil vertical de temperatura da banda de emissão de metano ν4 a 1305 m$^{−1}$ (supondo que seja uniformemente misturado com um vmr de 4,5 x10$^{−3}$ (Flasar et al. 2005)), fornecendo informações no 1 mbar - 2 $\mu$região do bar.

  ...

  A Figura 1 mostra um exemplo de comparação entre as bandas de emissão sintéticas e observadas de etano, acetileno e propano em dois níveis de pressão (todos os diferentes níveis de pressão testados pelo CIRS não foram plotados por razões de clareza) e Fig. 3 perfis recuperados ".

O que isso significa é que compostos mais complexos que o metano são favorecidos pelas condições, veja os comentários acima sobre "equações de estado".

• Atmosfera de Urano e Netuno :

  "As camadas externas gasosas dos gigantes de gelo têm várias semelhanças com as dos gigantes de gás. Elas incluem ventos equatoriais de longa velocidade e alta velocidade, vórtices polares, padrões de circulação em larga escala e processos químicos complexos, impulsionados por radiação ultravioleta de cima. e misturando com a atmosfera mais baixa.

  Estudar o padrão atmosférico dos gigantes do gelo também fornece informações sobre a física atmosférica. Suas composições promovem diferentes processos químicos e recebem muito menos luz solar em suas órbitas distantes do que quaisquer outros planetas do Sistema Solar (aumentando a relevância do aquecimento interno nos padrões climáticos) ".

Fichas técnicas da NASA - Composição atmosférica (em volume, incerteza entre parênteses):

• Júpiter

  • Principal: Hidrogênio molecular (H$_2$) - 89,8% (2,0%); Hélio (He) - 10,2% (2,0%)

  • Menor (ppm): Metano (CH$_4$) - 3000 (1000); Amônia (NH$_3$) - 260 (40); Deuterido de hidrogênio (HD) - 28 (10); Etano (C$_2$H$_6$) - 5,8 (1,5); Água (H$_2$O) - 4 (varia com a pressão)

  • Aerossóis: gelo de amônia, gelo de água, hidrossulfeto de amônia

• Saturno

  • Principal: Hidrogênio molecular (H$_2$) - 96,3% (2,4%); Hélio (He) - 3,25% (2,4%)

  • Menor (ppm): Metano (CH$_4$) - 4500 (2000); Amônia (NH$_3$) - 125 (75); Deuterido de hidrogênio (HD) - 110 (58); Etano (C$_2$H$_6$) - 7 (1,5)

  • Aerossóis: gelo de amônia, gelo de água, hidrossulfeto de amônia

• Urano

  • Principal: Hidrogênio molecular (H$_2$) - 82,5% (3,3%); Hélio (He) - 15,2% (3,3%) Metano (CH$_4$) - 2,3%

  • Menor (ppm): Deuterídeo de hidrogênio (HD) - 148

  • Aerossóis: gelo de amônia, gelo de água, hidrossulfeto de amônia, gelo de metano (?)

• Netuno

  • Principal: Hidrogênio molecular (H$_2$) - 80,0% (3,2%); Hélio (He) - 19,0% (3,2%); Metano (CH$_4$) 1,5% (0,5%)

  • Menor (ppm): Deuterido de Hidrogênio (HD) - 192; Etano (C$_2$H$_6$) - 1,5

  • Aerossóis: gelo de amônia, gelo de água, hidrossulfeto de amônia, gelo de metano (?)

Referências adicionais:

" Metano no sistema solar " em inglês (Bol. Soc. Geol. Mex [online]. 2015, vol.67, n.3, pp.377-385.), De Andrés Guzmán-Marmolejo e Antígona Segura.

" Produção abiótica de metano em planetas terrestres " (Astrobiology. 2013 jun; 13 (6): 550–559), de Andrés Guzmán-Marmolejo, Antígona Segura e Elva Escobar-Briones.

" Clatrato de metano no sistema solar " (Astrobiology. 2015 abr; 15 (4): 308-26), de Mousis O, Chassefière E, Holm NG, Bouquet A, Waite JH, et al.

NASA - " Os cientistas modelam uma cornucópia de planetas do tamanho da Terra " (24 de setembro de 2007).