Атмосферы планет-гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна — существенно отличаются от земной по составу, структуре и физическим процессам. Основу их атмосфер составляют водород и гелий. На Юпитере и Сатурне водород составляет до 90% объёма, гелий — около 10%. Уран и Нептун содержат больше «лёгких» компонентов — аммиака, метана и воды, что обусловлено более низкими температурами и иным механизмом формирования.
Атмосферы этих планет не имеют чёткой границы с поверхностью, поскольку твёрдого тела у них нет. Атмосфера переходит в жидкую или сверхкритическую фазу при повышении давления. Температурный градиент в этих слоях обеспечивает существование различных термодинамических зон — тропосферы, стратосферы, термосферы и экзосферы.
Тропосфера — самая нижняя и плотная часть атмосферы планет-гигантов. Здесь происходят основные метеорологические процессы. Для неё характерна сильная конвекция, обусловленная внутренним тепловым потоком. Давление в нижней части тропосферы достигает десятков атмосфер, а температура может превышать 300 K.
Облачные системы планет-гигантов многослойны и зависят от химического состава.
Конвективные движения в тропосфере сопровождаются крупномасштабными вихрями и турбулентностью, особенно ярко выраженными на Юпитере.
Выше тропосферы расположена стратосфера. Её прогрев обусловлен поглощением солнечного ультрафиолетового излучения и инфракрасным излучением планеты. Основной процесс в этой зоне — фотохимическое расщепление молекул, таких как метан, с последующим образованием сложных углеводородов (например, ацетилена C₂H₂, этилена C₂H₄).
На высоте в стратосфере наблюдаются температурные инверсии, особенно выраженные на Сатурне и Уране. Влияние колец Сатурна на радиационный баланс также создаёт локальные температурные аномалии.
В термосфере температура начинает расти с высотой, достигая значений порядка 1000 K и выше. Этот рост обусловлен абсорбцией экстремального ультрафиолета и рентгеновского излучения. Несмотря на высокую температуру, плотность газа здесь крайне мала.
Экзосфера — самая внешняя область атмосферы, где молекулы могут покинуть планету. В этой зоне доминируют водород и ионы, утекающие в межпланетное пространство. Исследования показали, что атмосферы всех четырёх планет-гигантов теряют водород, особенно заметно это на Уране и Нептуне.
Планеты-гиганты демонстрируют мощную зональную циркуляцию. Системы атмосферных полос Юпитера и Сатурна особенно ярко выражены и включают чередующиеся по широте зоны (светлые) и пояса (тёмные), сопровождаемые струйными течениями с огромной скоростью — до 150–400 м/с.
Уран и Нептун имеют менее выраженную полосатость, но демонстрируют сильные экваториальные и высокоширотные струи. Максимальные скорости ветра на Нептуне достигают 600 м/с, что делает его самой «ветреной» планетой в Солнечной системе.
Циркуляция атмосферы регулируется глубинными тепловыми потоками, которые особенно мощны на Юпитере и Сатурне. Уран, напротив, почти не излучает внутреннего тепла, что обусловливает его более вялую атмосферную динамику.
Юпитер знаменит Большим Красным Пятном — устойчивым антициклоном диаметром более 15 000 км, существующим, по крайней мере, с XVII века. Это гигантское вихревое образование вращается против часовой стрелки и поддерживается за счёт сильной струйной циркуляции и вертикальной устойчивости тропосферы.
На Сатурне наблюдаются шестиугольные структуры вблизи северного полюса, представляющие собой устойчивый полярный вихрь, обусловленный резонансом струйных потоков.
Нептун демонстрирует переменные темные пятна — гигантские вихри, исчезающие за годы. Уран же проявляет умеренные облачные структуры и редкие крупные вихри, активизирующиеся в периоды равноденствий.
Планеты-гиганты обладают существенным внутренним тепловым излучением, особенно Юпитер и Сатурн, которые излучают в 1.6–2.5 раза больше энергии, чем получают от Солнца. Это указывает на наличие источников внутренней энергии: гравитационная дифференциация, гелиевая дождь (особенно на Сатурне), медленное охлаждение.
Уран выделяется своей низкой тепловой отдачей: он почти не излучает внутреннее тепло, что остаётся предметом обсуждения в планетологии. Нептун, напротив, излучает почти в 2.6 раза больше, чем получает, несмотря на схожую с Ураном массу и состав.
Излучательная способность атмосферы зависит от концентрации молекул, эффективно испускающих в инфракрасном диапазоне — метана, аммиака, водяного пара, а также продуктов фотохимии.
Юпитер и Сатурн обладают мощными магнитосферами, которые взаимодействуют с верхней атмосферой. На Юпитере наблюдаются мощные полярные сияния, связанные с ускорением частиц ионосферой и магнитосферной плазмой, поступающей, в частности, от спутника Ио.
На Уране и Нептуне магнитные оси существенно наклонены и смещены относительно геометрического центра планеты, что создаёт сложные электродинамические процессы в термосфере и ионосфере. Энергия, поступающая от магнитосферных частиц, может локально нагревать верхние слои атмосферы.
Ионосферы планет-гигантов формируются в результате фото-ионизации и взаимодействия с заряженными частицами. Основными ионами являются H⁺, H₃⁺ и CH₅⁺. Ионизационные процессы особенно активны в дневной стороне планет и на высоких широтах.
На Юпитере и Сатурне ионосфера играет важную роль в радиосвязи и генерации радиоволн. Было установлено, что H₃⁺ испускает интенсивное инфракрасное излучение, которое служит диагностическим инструментом для изучения термосферных температур.
В атмосферах гигантов формируются аэрозольные слои — как конденсационного, так и фотохимического происхождения. Они состоят из частиц аммиака, сероводорода, углеводородов. Эти аэрозоли поглощают и рассеивают солнечное излучение, влияя на тепловой баланс и цвет облаков (например, характерный бурый оттенок полос Юпитера).
На Уране и Нептуне голубоватый цвет атмосферы обусловлен рассеянием света метаном и наличием тонкого слоя фотохимического смога.
Из-за наклонов осей вращения и длительных орбитальных периодов планеты-гиганты демонстрируют выраженные сезонные изменения, особенно Уран, чья ось наклонена почти на 98°. Это приводит к резким различиям в солнечном освещении полушарий в течение 84-летнего оборота.
Сезонные изменения отражаются в температурных профилях, ветровых структурах, облачных покровах и фотохимической активности, особенно на Сатурне, где миссия Cassini зафиксировала изменения состава атмосферы в ходе смены сезонов.
Эти особенности атмосфер планет-гигантов делают их ключевыми объектами для изучения физики планетных атмосфер, термодинамики, динамики газов и фотохимии.