Minh họa mô hình cấu trúc bên trong của Sao Mộc, với một lõi đá nhỏ được giả định nằm ở tâm, phủ bởi những lớp vật chất lỏng dày của hiđrô kim loại, chuyển tiếp dần dần sang dạng khí ở lớp ngoài cùng.

Sự lưu thông trong khí quyển Sao Mộc khác biệt rõ rệt so với Trái Đất. Lõi của sao Mộc có phần lớn là chất lỏng, nếu bỏ qua một lõi đá rắn nhỏ giả định nằm ở tâm. Do đó sự đối lưu có thể xảy ra trong toàn bộ phần vỏ chứa các phân tử của hành tinh. Cho đến năm 2008, một lý thuyết toàn diện về động lực học của khí quyển Sao Mộc vẫn chưa được phát triển. Bất kỳ một lý thuyết nào như vậy đều cần giải thích được các sự kiện sau: sự tồn tại của các vành đai hẹp và ổn định, sự tồn tại của các dòng tia ổn định, sự phân bố khá đối xứng qua đường xích đạo của các vành đai hẹp và ổn định và các dòng tia ổn định, các dòng tia thuận hành mạnh quan sát được ở đường xích đạo, sự khác biệt giữa các đới và vành đai, và nguồn gốc và sự tồn tại lâu dài của các luồng xoáy lớn, chẳng hạn như Vết Đỏ Lớn.[8]

Các lý thuyết liên quan đến động lực học của bầu khí quyển Sao Mộc có thể được chia thành hai lớp: nông và sâu. Các lý thuyết nông cho rằng các hiện tượng quan sát được phần lớn do hoạt động động lực học trong một lớp mỏng (lớp thời tiết) ở rìa ngoài của hành tinh, nằm trên phần lõi ổn định. Các giả thuyết sâu cho rằng các dòng chảy khí quyển quan sát được chỉ là biểu hiện bề mặt của sự lưu thông sâu trong toàn bộ lớp vỏ chứa phân tử của Sao Mộc.[51] Vì cả hai lý thuyết đều có những thành công và thất bại riêng, nhiều nhà khoa học hành tinh cho rằng lý thuyết thực sự sẽ bao gồm các yếu tố của cả hai mô hình.[52]

Mô hình nông

Những nỗ lực đầu tiên để giải thích động lực học khí quyển Sao Mộc bắt đầu từ những năm 1960.[51][53] Các nỗ lực này một phần là dựa vào hiểu biết về khí tượng trên Trái Đất, theo những mô hình nông đã bắt đầu được phát triển tốt vào thời điểm đó. Những mô hình nông này cho rằng các dòng tia trên Sao Mộc xuất phát từ những dòng chảy rối nhỏ, và được duy trì bởi sự đối lưu ẩm ở lớp ngoài của khí quyển (phía trên các đám mây nước).[54][55] Sự đối lưu ẩm là một hiện tượng liên quan đến sự ngưng tụ và bốc hơi của nước và là một trong những động lực chính của các hiện tượng thời tiết ở Trái Đất.[56] Cách tạo ra các dòng tia trong mô hình này có liên quan đến một tính chất nổi tiếng của dòng chảy rối hai chiều - cái gọi là thác nghịch đảo, trong đó các cấu trúc dòng chảy rối nhỏ (luồng xoáy) kết hợp thành những khối lớn hơn.[54] Kích thước giới hạn của hành tinh có nghĩa là hiệu ứng thác nghịch đảo không thể tạo ra các cấu trúc lớn hơn một số quy mô nhất định, ​gọi là kích thước Rhines trong trường hợp của Sao Mộc. Sự tồn tại của kích thước Rhines liên quan đến cơ chế tạo ra các sóng Rossby.[57] Quá trình này hoạt động như sau: khi các cấu trúc nhiễu loạn lớn nhất đạt đến một kích cỡ nhất định, năng lượng bắt đầu chảy vào sóng Rossby thay vì các cấu trúc lớn hơn, và hiệu ứng thác nghịch đảo bị dừng lại.[58] Vì trong hành tinh hình cầu quay nhanh, sự phụ thuộc của tốc độ vào bước sóng của sóng Rossby là vô hướng, khiến kích thước Rhines theo hướng song song với đường xích đạo lớn hơn theo hướng trực giao với nó.[58] Kết quả cuối cùng của quá trình được mô tả ở trên là việc sinh ra các cấu trúc lớn bị kéo dài theo hướng song song với đường xích đạo. Kích thước theo phương trực giao với xích đạo của các cấu trúc này, trong mô hình nông, có vẻ phù hợp với chiều rộng thực tế của các dòng tia.[54] Vì vậy, trong các mô hình nông, các luồng xoáy thực sự cung cấp năng lượng duy trì các dòng tia và có thể biến mất (bị hấp thụ hết) bằng cách sáp nhập vào các dòng tia.

Trong khi các mô hình sử dụng động lực học của tầng thời tiết có thể giải thích thành công sự tồn tại của các dòng tia hẹp, chúng vẫn có những vấn đề nghiêm trọng.[54] Một sự thất bại rõ rệt của mô hình liên quan đến việc giải thích các dòng tia mạnh thuận hành ở xích đạo: trừ một số ngoại lệ hiếm hoi, mô hình nông tiên đoán các dòng tia mạnh nghịch hành, ngược hoàn toàn với các kết quả quan sát. Ngoài ra, các dòng tia trong các mô hình nông thường không bền vững và sẽ biến mất theo thời gian.[54] Các mô hình nông không thể giải thích nổi vì sao các dòng chảy khí quyển trên Sao Mộc lại rất ổn định, vi phạm các tiêu chí về tính bền vững của lý thuyết.[59] Các phiên bản phức tạp hơn của các mô hình thời tiết, sử dụng nhiều tầng khí tượng, tạo ra các lưu thông khí quyển ổn định hơn, nhưng nhiều vấn đề vẫn tồn tại.[60] Trong khi đó, tàu thăm dò Galileo phát hiện ra gió trên Sao Mộc vẫn thổi mạnh ở sâu bên dưới các đám mây nước ở 5–7 bar và không cho thấy bất kỳ dấu hiệu nào của sự giảm tốc độ gió ngay cả ở độ sâu với áp suất 22 bar, có nghĩa là sự lưu thông khí quyển Sao Mộc thực tế có thể sâu.[18]

Mô hình sâu

Một cách thể hiện mô hình sâu của động lực học khí quyển Sao Mộc, trong đó khí quyển lưu thông sâu trong các ống độc lập với nhau, theo định lý Taylor-Proudman.[61]

Mô hình sâu đã được Busse đề xuất lần đầu tiên vào năm 1976.[62][63] Mô hình của ông dựa trên một tính chất nổi tiếng khác của cơ học chất lỏng, định lý Taylor-Proudman. Định lý này cho biết rằng trong bất kỳ chất lỏng hướng áp lý tưởng nào quay nhanh, các dòng chảy được tổ chức trong một loạt các ống song song với trục quay.[64][65] Các điều kiện để áp dụng định lý này có thể có trong lõi lỏng của Sao Mộc. Vì vậy, lớp vỏ chứa hydro phân tử của hành tinh có thể được chia thành các ống, mỗi ống có sự lưu thông độc lập với các ống khác.[66] Những vĩ độ có đường biên ngoài và đường biên trong của các ống giao với bề mặt nhìn thấy của hành tinh sẽ tương ứng với các dòng tia; còn phần bên trong của các ống giao với bề mặt nhìn thấy của hành tinh sẽ được quan sát ứng với các đới và vành đai.[61] Một số ống không ở quy mô toàn cầu, mà ở quy mô nhỏ hơn có thể thể hiện ở trên bề mặt như là những xoáy nghịch lớn, tồn tại lâu năm.[67]

Mô hình sâu dễ dàng giải thích được các dòng tia thuận hành mạnh mẽ quan sát thấy được ở đường xích đạo của sao Mộc; các dòng tia được tiên đoán bởi mô hình sâu là ổn định và không tuân theo tiêu chuẩn ổn định hai chiều.[66] Tuy nhiên, lý thuyết này cũng có những khó khăn lớn; lý thuyết này tiên đoán một số lượng rất nhỏ các dòng tia rộng, và cho đến năm 2008 chưa có mô phỏng thực tế nào của dòng chảy 3D được thực hiện, có nghĩa là các mô hình đơn giản được sử dụng để biện minh cho lưu thông sâu có thể không bao gồm được đầy đủ các khía cạnh quan trọng của cơ học chất lỏng trong Sao Mộc.[66] Một mô hình công bố năm 2004 đã thành công trong việc tiên đoán các cấu trúc dòng tia của Sao Mộc.[52] Nó giả định rằng lớp vỏ hydro phân tử mỏng hơn so với tất cả các mô hình khác; với độ dày chỉ chiếm 10% bán kính của sao Mộc. Trong các mô hình tiêu chuẩn của lõi Sao Mộc, lớp này chiếm 20% đến 30% bán kính.[68] Một vấn đề nữa với các mô hình sâu là cần giải thích đầy đủ về nguồn động lực cho các dòng lưu thông sâu. Các dòng chảy sâu có thể được gây ra bởi cả các lực nông (ví dụ như đối lưu ẩm) hoặc bởi sự đối lưu sâu trên toàn bộ hành tinh để mang nhiệt ra khỏi lõi của Sao Mộc.[54] Hiện vẫn chưa rõ cơ chế nào trong số những cơ chế này là quan trọng hơn.

Nội nhiệt

Ảnh nhiệt của Sao Mộc chụp bởi Cơ sở Viễn vọng Hồng ngoại NASA. Các vùng màu sáng hơn là có nhiệt độ cao hơn. Ảnh này cho thấy vùng cực của Sao Mộc có nhiệt độ thấp hơn không nhiều so với vùng xích đạo.

Như đã được biết đến từ năm 1966,[69] Sao Mộc phát ra nhiều nhiệt hơn là lượng nhiệt nó nhận được từ Mặt Trời. Tỷ lệ giữa năng lượng phát ra từ hành tinh và hấp thụ từ mặt trời được ước tính là vào khoảng 1,67 ± 0,09. Thông lượng nhiệt từ lõi Sao Mộc tỏa ra là 5,44 ± 0,43 W/m2, trong khi tổng công suất phát ra là 335 ± 26 petawatt. Công suất phát nhiệt của Sao Mộc xấp xỉ bằng một phần tỷ của tổng công suất phát nhiệt của Mặt Trời. Nhiệt dư này chủ yếu là nhiệt nguyên thủy từ giai đoạn đầu của sự hình thành Sao Mộc, nhưng có thể được đóng góp một phần từ sự kết tủa heli vào trong lõi.[70]

Nội nhiệt của Sao Mộc có thể là quan trọng đối với động lực học của khí quyển Sao Mộc. Trong khi sao Mộc có độ nghiêng trục quay nhỏ, khoảng 3°, và vùng cực của nó nhận được ít bức xạ Mặt Trời hơn rất nhiều so với vùng xích đạo, nhiệt độ tầng đối lưu không thay đổi đáng kể từ xích đạo đến cực. Một cách giải thích là các dòng đối lưu trong lõi của Sao Mộc hoạt động như một bộ ổn nhiệt, giải phóng nhiệt cho vùng cực nhiều hơn ở vùng xích đạo. Điều này dẫn đến một nhiệt độ thống nhất trong tầng đối lưu. Trong khi nhiệt được vận chuyển từ đường xích đạo đến các cực ở Trái Đất chủ yếu thông qua lớp thời tiết, trên Sao Mộc sự đối lưu sâu giúp cân bằng nhiệt. Sự đối lưu trong lõi Sao Mộc được cho là chủ yếu do nội nhiệt.[71]