Атмосферы газовых гигантов Юпитера и Сатурна представляют собой сложные системы, состоящие в основном из водорода и гелия, с примесями тяжелых элементов и соединений. Основная масса этих планет формируется легкими газами, что определяет их высокую плотность и сильное гравитационное поле, способное удерживать газовую оболочку.
Водород и гелий составляют более 98% молекулярного состава атмосфер Юпитера и Сатурна. Водород присутствует как в молекулярной форме (H₂), так и в ионизированной и металлической формах в глубоких слоях, где давление превышает миллионы атмосфер. Гелий в атмосфере распределен неоднородно: наблюдается явление «дожди гелия» в нижних слоях, приводящее к дифференциации и локальному обогащению внутренней части планеты.
Ключевыми примесями являются метан (CH₄), аммиак (NH₃), вода (H₂O) и фосфин (PH₃). Метан обеспечивает видимую инфракрасную спектроскопическую активность, поглощая длинноволновое излучение, что позволяет определять температурные градиенты верхней атмосферы. Аммиак формирует облачные структуры на высоте 0,5–1,5 бар, играя роль инициатора конвективных процессов. Вода присутствует на более глубоких уровнях (несколько десятков бар), но ее локальная концентрация имеет критическое значение для динамики облачных слоев и формирования шторма.
Фосфин и другие фосфорные соединения свидетельствуют о химических процессах, происходящих в глубинных слоях, где высокое давление и температура способствуют восстановительным реакциям, превращающим оксиды фосфора в более восстановленные формы.
Атмосфера Юпитера и Сатурна делится на несколько химически и термодинамически различимых слоев:
Изотопный состав элементов, особенно водорода (D/H) и углерода (¹²C/¹³C), позволяет реконструировать условия формирования газовых гигантов. На Юпитере наблюдается более низкая концентрация дейтерия по сравнению с Сатурном, что указывает на различие в аккреции протопланетного диска и происхождении примесей с внешних областей Солнечной системы.
Облака Юпитера и Сатурна формируются за счет конденсации аммиака, аммоний-сульфида и воды. На Юпитере преобладают аммиачные облака верхнего слоя, а нижние слои содержат водяные облака и облака аммоний-сульфида, формирующие характерные цветовые полосы. Сатурн, обладая меньшей температурой верхней атмосферы, демонстрирует более разреженные облачные структуры, где аммиак конденсируется на больших высотах, создавая менее контрастные полосы, но более широкие вихри.
Фотохимические процессы приводят к образованию сложных органических соединений из метана и его производных. На высотах, где солнечное излучение способно разлагать молекулы, формируются углеводородные радикалы, которые участвуют в синтезе аэрозолей. Эти аэрозоли определяют цвет облачных поясов, варьируя от желто-коричневых до красных оттенков в зависимости от состава фосфорных и серных соединений.
Сильные магнитные поля Юпитера и Сатурна ускоряют заряженные частицы, вызывая локальные ионизационные реакции в верхней атмосфере. Ионы взаимодействуют с нейтральными молекулами, создавая химически активные соединения, которые затем могут диффундировать в нижние слои, участвуя в формировании облачной химической структуры. Этот процесс особенно заметен в полярных регионах, где наблюдаются сияния и повышенная концентрация NO, H₃⁺ и углеводородов.
Несмотря на сходный состав, атмосферы двух планет различаются по концентрации примесей, температурному профилю и глубине облачных слоев. Юпитер характеризуется более высокой температурой и плотной облачной структурой с интенсивной конвекцией, тогда как Сатурн демонстрирует более разреженную атмосферу с выраженной сезонной изменчивостью и меньшей концентрацией тяжелых элементов. Эти различия обусловлены как массой планет, так и историей их формирования, включая аккрецию водяного льда, газов и органических веществ из протопланетного диска.