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木星の大気は太陽系で最大の惑星大気です。主に分子状水素とヘリウムで構成されており、その割合は太陽とほぼ同じです。その他の化学物質は少量しか存在せず、メタン、アンモニア、硫化水素、水などが含まれます。水は大気の深層に存在すると考えられていますが、直接測定された濃度は非常に低いです。木星の大気中の窒素、硫黄、希ガスの存在量は、太陽の値の約3倍です。[ 1 ]
木星の大気には明確な下限がなく、徐々に惑星の液体の内部へと移行します。[ 2 ]大気層は、下から順に、対流圏、成層圏、熱圏、外気圏です。各層には特徴的な温度勾配があります。[ 3 ]最下層の対流圏には、アンモニア、硫化水素アンモニウム、水の層からなる複雑な雲と霞のシステムがあります。 [ 4 ]木星の表面で見られる上層のアンモニア雲は、赤道に平行な十数本の帯状帯に組織化されており、ジェットと呼ばれる強力な帯状大気流（風）によって境界付けられ、大気超回転と呼ばれる現象を示しています。帯の色は交互に変化し、暗い帯はベルト、明るい帯はゾーンと呼ばれます。ベルトよりも低温のゾーンは上昇流に対応し、ベルトは下降ガスを示します。[ 5 ]ゾーンの明るい色はアンモニア氷によるものと考えられているが、ベルトの暗い色の原因は不明である。[ 5 ]帯状構造とジェットの起源はよく理解されていないが、「浅いモデル」と「深いモデル」が存在する。[ 6 ]
木星の大気は、帯状不安定性、渦（サイクロンと反サイクロン）、嵐、雷など、幅広い活発な現象を示しています。 [ 7 ]渦は、大きな赤、白、または茶色の斑点（楕円）として現れます。最大の 2 つの斑点は、大赤斑(GRS) [ 8 ]と、同じく赤い楕円 BA [ 9 ]です。これら 2 つと他のほとんどの大きな斑点は反サイクロンです。小さな反サイクロンは白っぽい傾向があります。渦は、深さが数百キロメートルを超えない比較的浅い構造であると考えられています。南半球に位置する GRS は、太陽系で知られている最大の渦です。地球 2 つまたは 3 つを飲み込むことができ、少なくとも 300 年間存在しています。GRS の南にある楕円 BA は、2000 年に 3 つの白い楕円が合体して形成された、GRS の 3 分の 1 の大きさの赤い斑点です。[ 10 ]
木星には強力な嵐があり、しばしば落雷を伴います。嵐は、大気中の水の蒸発と凝結に関連した湿潤対流の結果です。嵐は強い上昇気流が発生する場所で、明るく濃い雲の形成につながります。嵐は主にベルト領域で発生します。木星の落雷は地球で見られる落雷の数百倍強力で、水雲に関連していると考えられています。[ 11 ]最近のジュノーの観測によると、木星の落雷は水雲の高度より上で発生しています（3～7 バール）。[ 12 ]落下する液体アンモニア水滴と水氷粒子との間の電荷分離により、より高高度の雷が発生する可能性がある。[ 12 ]上層大気の雷も観測されている。260 km上空1 バーレベル。[ 13 ]
木星の大気は高度の上昇に伴い、対流圏、成層圏、熱圏、外気圏の4つの層に分類されます。地球の大気とは異なり、木星の大気には中間圏がありません。[ 14 ]木星には固体表面がなく、最も低い大気層である対流圏は、惑星内部の流体へと滑らかに移行しています。[ 2 ]これは、温度と圧力が水素とヘリウムの臨界点をはるかに上回っているため、気相と液相の間に明確な境界がないためです。水素は、温度が臨界点を超えると超臨界流体とみなされます。33 Kで圧力は13 小節。[ 2 ]
大気の下限は明確に定義されていないため、10バール 、高度約90km 下 温度が約1バール340 K は、一般的に対流圏の底として扱われます。[ 3 ]科学文献では、 高度の基準点として、通常は1バールの気圧レベル（木星の「表面」）が選択されます。 [ 2 ]一般的にそうであるように、最上層の大気層である外気圏には、特定の上限境界はありません。[ 15 ]密度は徐々に減少し、惑星間空間へと滑らかに移行します。 「地表」から5,000 km上空。 [ 16 ]
木星大気の鉛直温度勾配は地球大気のそれと似ている。対流圏の温度は高度とともに低下し、対流圏界面（対流圏と成層圏の境界）で最低値に達する[ 17 ] 。木星では、対流圏界面はおよそ 目に見える雲の上50 km (または1 バールレベル）。対流圏界面の気圧と温度は約0.1 バールと110 K。[ 3 ] [ 18 ] (これにより340 − 110 =の低下が生じます230 °C、90 + 50 以上 =140 km。地球の断熱減率は約9.8 °C/km。断熱減率は平均分子量と重力に比例します。（後者は地球の約2.5倍ですが、平均分子量は約15分の1です。）成層圏では、温度は約9.8 °C/kmまで上昇します。 熱圏への遷移点では、高度と圧力が約200 Kである。320 kmと1 μbar。[ 3 ]熱圏では温度は上昇し続け、最終的には 約1000K1000 km、圧力は約1 nbar . [ 19 ]
木星の対流圏には複雑な雲構造が存在する。[ 20 ]上層雲は、気圧範囲に位置し、0.6～0.9 barのアンモニア氷雲は、アンモニア氷でできている。[ 21 ]これらのアンモニア氷雲の下には、硫化水素アンモニウム( NH4 ) SHまたは硫化アンモニウム( NH4 ) 2S (1～2 バール）、水（3～7 bar）が存在すると考えられている。[ 22 ] [ 23 ]温度が高すぎてメタンが凝結しないため、メタン雲は存在しない。[ 20 ]水雲は最も密度の高い雲層を形成し、大気の力学に最も強い影響を与える。これは、アンモニアや硫化水素と比較して、水の凝結熱が高く、水の存在量が多いことによる（酸素は窒素や硫黄よりも豊富な化学元素である）。[ 14 ]さまざまな対流圏（200～500 ミリバール）および成層圏（10～100 ミリバール）のヘイズ層は、主雲層の上方に存在する。[ 22 ] [ 24 ]成層圏のヘイズ層は、上部成層圏で生成される凝縮した重質多環芳香族炭化水素またはヒドラジンからできている。1～100 μbar）の圧力下で、太陽紫外線（UV）の影響によりメタンから生成される。[ 20 ]成層圏における分子状水素に対するメタンの存在量は約10である。−4、 [ 16 ]一方、エタンやアセチレンなどの他の軽質炭化水素の分子状水素に対する存在比は約10 −6である。 [ 16 ]
木星の熱圏は、1 μbarで、大気光、極オーロラ、X 線放射などの現象が見られます。[ 25 ]その内部には、電離層を形成する電子とイオン密度の増加した層があります。[ 16 ]熱圏で一般的な高温 (800～1000 K）は50年以上説明できなかった。[ 19 ]モデルは、約800～1000 Kを超える温度は予測しなかった。400 K。[ 16 ]高エネルギー太陽放射（紫外線またはX線）の吸収、木星磁気圏から降下する荷電粒子による加熱、オーロラ電離層の電流による摩擦のようなジュール加熱、または上向きに伝播する重力波の散逸[ 26 ]などのエネルギー源が、この「エネルギー危機」の解決策として提案された。温度構造のグローバル赤外線観測と更新されたモデルは、この不一致がジュール加熱から発生し、イオンドラッグによって再分配されたオーロラエネルギーの結果であることを示している。[ 27 ] [ 28 ]極と低緯度の熱圏と外気圏はX線を放出し、これは1983年にアインシュタイン天文台によって初めて観測された。 [ 29 ]木星の磁気圏から来る高エネルギー粒子は、極を囲む明るいオーロラ楕円を作り出す。地球上のオーロラは磁気嵐の時だけ現れるのに対し、木星のオーロラは恒常的な大気現象である。[ 29 ]熱圏は、地球外で初めて三水素カチオン（H + 3）が発見された場所である。[ 16 ]このイオンは、スペクトルの近赤外線領域、波長が から までの範囲で強く発光する。2 μm と 5 μmは、熱圏の主要な冷却メカニズムです。[ 19 ]
木星の大気の組成は、惑星全体の大気の組成と似ています。[ 1 ]木星の大気は、1995 年 12 月 7 日にガリレオ大気探査機が木星の大気に突入した際に直接観測されたため、すべての巨大惑星の大気の中で最も包括的に理解されています。 [ 30 ]木星の大気の組成に関するその他の情報源には、赤外線宇宙天文台(ISO)、[ 31 ]ガリレオとカッシーニの周回探査機、[ 32 ]および地球からの観測が含まれます。[ 1 ]
木星大気の2つの主要成分は分子状水素（H₂）とヘリウムである。[ 1 ]ヘリウムの存在量は分子数で分子水素に対して0.157 ± 0.004であり、質量分率は0.234 ± 0.005 であり、これは太陽系の原始値よりわずかに低い値である。[ 1 ]この存在量の低さの理由は完全には解明されていないが、ヘリウムの一部が木星の核に凝縮した可能性がある。[ 21 ]この凝縮はヘリウム雨の形で起こっていると考えられる。水素は1000 メートル以上の深さで金属状態に変化するため、10,000 km では、ヘリウムが分離して液滴を形成し、金属水素よりも密度が高いため、核に向かって降下します。これは、ヘリウム液滴に容易に溶解し、それらとともに核に向かって運ばれる元素であるネオンの深刻な枯渇も説明できます (表を参照)。[ 33 ] [ 34 ]
大気には、水、メタン（CH₄）、硫化水素（H₂S）、アンモニア（NH₃）、ホスフィン（PH₃）などの様々な単純化合物が含まれています。[ 1 ]深層（下層）におけるこれらの化合物の存在量は10 bar）対流圏は、木星の大気が太陽に比べて炭素、窒素、硫黄、そしておそらく酸素[b] が2～4 倍豊富であることを示唆しています。 [c] [ 1 ]希ガスであるアルゴン、クリプトン、キセノンも太陽レベルに比べて豊富に存在します (表を参照) が、ネオンははるかに少ないです。[ 1 ]アルシン( AsH 3 ) やゲルマン( GeH 4 )などの他の化学化合物は微量しか存在しません。[ 1 ]木星の上層大気には、太陽紫外線と木星の磁気圏から来る荷電粒子の影響でメタンから生成されるエタン、アセチレン、ジアセチレンなどの単純な炭化水素が少量含まれています。[ 1 ]上層大気に存在する二酸化炭素、一酸化炭素、水は、シューメーカー・レヴィ第 9 彗星などの衝突彗星に由来すると考えられています。対流圏から水が来ることはありません。なぜなら、冷たい対流圏界面がコールドトラップのように働き、水が成層圏に上昇するのを効果的に防いでいるからです（上記の垂直構造を参照）。[ 1 ]
地球および宇宙探査機による測定により、木星大気中の同位体比 に関する知識が向上した。2003年7月現在、重水素存在量の許容値は(2.25 ± 0.35) × 10 −5 , [ 1 ]これは、太陽系を生み出した原始太陽星雲における原始的な値を表していると考えられる。 [ 31 ]木星大気中の窒素同位体比、15 Nと14 Nは、2.3 × 10 −3 、地球の大気中の値より3分の1低い（3.5 × 10 −3 ) [ 1 ]後者の発見は、太陽系形成のこれまでの理論では窒素同位体比の地球の値が原始的であると考えられていたため、特に重要である。[ 31 ]
木星の見える表面は、赤道に平行ないくつかの帯に分かれています。帯には、明るい色のゾーンと比較的暗いベルトの2種類があります。[ 5 ]より広い赤道帯（EZ）は、南緯約7度から北緯約7度の間に広がっています。EZの上と下には、北赤道帯（NEB）と南赤道帯（SEB）があり、それぞれ北緯18度と南緯18度まで広がっています。赤道からさらに離れると、北熱帯帯（NtrZ）と南熱帯帯（STrZ）があります。[ 5 ]ベルトとゾーンの交互のパターンは、 緯度約50度の極域まで続き、そこではそれらの外観がややぼやけます。[ 35 ]
ゾーンとベルトの外観の違いは、雲の不透明度の違いによって生じます。ゾーンではアンモニア濃度が高く、その結果、より高高度にアンモニア氷の密度の高い雲が現れ、その結果、色が薄くなります。[ 17 ]一方、ベルトでは雲は薄く、より低い高度に位置しています。[ 17 ]対流圏上層は、ゾーンではより冷たく、ベルトではより暖かいです。[ 5 ]木星のゾーンとバンドをこれほどカラフルにしている化学物質の正確な性質はわかっていませんが、硫黄、リン、炭素の複雑な化合物が含まれている可能性があります。[ 5 ]
木星の帯状構造は、ジェットと呼ばれる帯状の大気流（風）によって区切られています。東向き（順行）ジェットは、帯から帯への移行部（赤道から離れる方向）に見られ、西向き（逆行）ジェットは帯から帯への移行部を示しています。[ 5 ]このような流速パターンは、ジェットの東向きの運動量が赤道から極に向かって帯では減少し、帯では増加することを意味します。したがって、帯における風のシアはサイクロン性であり、帯における風のシアは反サイクロン性です。[ 23 ] EZはこの規則の例外であり、強い東向き（順行）ジェットを示し、風速の局所的な最小値はまさに赤道にあります。木星のジェット速度は高く、100 m/s。[ 5 ]これらの速度は、圧力範囲にあるアンモニア雲に対応します。0.7～1 バール。順行ジェットは一般的に逆行ジェットよりも強力である。[ 5 ]ジェットは、ジュノー探査機に搭載された重力計によって測定されたように、惑星内部に数千キロメートル伸びている。[ 36 ]ジェットが惑星内部に伸びる方向は、テイラー・プラウドマンの定理[ 38 ]と一致して、放射状（惑星の中心方向）ではなく、木星の自転軸に平行である[ 37 ]。ガリレオ探査機は、木星大気への降下軌道に沿ったジェットの垂直プロファイルを測定し、雲の上では風が2～3スケールハイト[a]にわたって減衰する一方、雲の下では風がわずかに増加し、その後少なくともまで一定に保たれることを発見した。22 バール― プローブが到達できる最大動作深度。[ 18 ]
木星の色のついた帯状構造の起源は完全には明らかではないが、地球のハドレー循環の雲構造に似ている可能性がある。最も単純な解釈は、ゾーンは大気の上昇流の場所であり、ベルトは下降流の現れであるというものである。[ 39 ]ゾーンでアンモニアが豊富な空気が上昇すると、膨張して冷え、高くて密度の高い白い雲が形成される。しかし、ベルトでは、空気が下降し、地球の収束帯のように断熱的に暖まり、白いアンモニア雲が蒸発して、より低く暗い雲が現れる。木星の帯の位置と幅、ジェットの速度と位置は驚くほど安定しており、1980年から2000年の間にわずかにしか変化していない。変化の1つは、北熱帯帯と北温帯帯の境界である北緯23度に位置する最も強い東向きジェットの速度の低下である。[ 6 ] [ 39 ]しかし、帯の色と強度は時間とともに変化する（「特定の帯」を参照）。これらの変化は17世紀初頭に初めて観察された。[ 40 ]
子午線循環セルは、ある緯度でガスが上昇し、南北方向（子午線方向）に移動し、下降して、閉じたセル循環で元の場所に戻る大規模な大気運動です。[ 41 ]地球では、子午線循環は各半球にハドレー循環、フェレル循環、極循環の3つのセルで構成されています。木星では、目に見える雲帯は、ゾーンでは上昇運動、ベルトでは下降運動を示しており、これは上部の数本のバーのみを示しています。[ 42 ]しかし、ベルトでの雷の頻度が高いことは、大気の上昇運動を示しており、より深い大気では逆方向の運動を示しています。[ 43 ]ジュノーのマイクロ波測定は、大気を約240 バール。[ 44 ]これらの測定により、これらの動きが中緯度の大きな循環セルの一部として存在することが確認され、ベルトでは上昇運動、ゾーンでは下降運動があり、約1 バー下がって少なくとも約240 バール。[ 45 ]これまでのところ、木星の各半球の北緯/南緯20°～60°の範囲で8つのセルが確認されている。[ 45 ]中緯度セルは、地球のフェレルセルと同様に、大気波の崩壊によって駆動される。 [ 45 ]地球では、セルの下枝の戻り流はエクマン層の摩擦によってバランスが取られているが、木星でのバランスはまだ不明である。ただし、摩擦が磁気抵抗によって維持されている可能性もある。[ 46 ]
木星の大気を分割する帯とゾーンはそれぞれ固有の名前と特徴を持っています。それらは北極と南極の下から始まり、北極と南極は極から北緯/南緯約40～48度まで広がっています。これらの青みがかった灰色の領域は通常特徴がありません。[ 35 ]
北北温帯地域は、縁辺の暗化、遠近法、および特徴の全般的な拡散のため、極域よりも詳細な情報を示すことはめったにありません。しかし、北北温帯帯（NNTB）は最も北に位置する明確な帯ですが、時折消失します。擾乱は軽微で短期間である傾向があります。北北温帯帯（NNTZ）はおそらくより顕著ですが、一般的に静穏です。この地域の他の小さな帯やゾーンが時折観測されます。[ 47 ]
北温帯地域は地球から容易に観測できる緯度帯の一部であり、そのため優れた観測記録がある。[ 48 ]また、北温帯帯 (NTB) の南の境界を形成する西風である、地球上で最も強い順行ジェット気流も特徴である。 [ 48 ] NTB はおよそ 10 年ごとに弱まり (ボイジャーの遭遇時もそうであった)、北温帯 (NTZ) が北熱帯帯 (NTropZ) に合流したように見える。[ 48 ]他の時期には、NTZ は狭い帯によって北部と南部の成分に分かれる。[ 48 ]
北熱帯地域は、NTropZ と北赤道帯 (NEB) から構成されています。NTropZ は一般的に色が安定しており、NTB の南ジェット気流の活動と連動してのみ色合いが変わります。NTZ と同様に、NTropB と呼ばれる狭い帯によって分割されることもあります。まれに、南 NTropZ に「小赤斑」が出現します。名前が示すように、これらは大赤斑の北半球版です。大赤斑とは異なり、小赤斑はペアで出現する傾向があり、常に短命で、平均して 1 年間続きます。パイオニア 10 が遭遇した際にも 1 つ存在していました。[ 49 ]
NEBは地球上で最も活発な帯の一つです。高気圧性の白い楕円と低気圧性の「バージ」（「茶色の楕円」とも呼ばれる）が特徴で、前者は通常後者よりも北に形成されます。NTropZと同様に、これらの特徴のほとんどは比較的短命です。南赤道帯（SEB）と同様に、NEBは劇的に衰退したり「復活」したりすることがあります。これらの変化の時間スケールは約25 年です。[ 50 ]
赤道域（EZ）は、緯度と活動の両面において、地球上で最も安定した領域の一つです。EZの北端には、北東境界（NEB）から南西方向に伸びる壮大な噴煙があり、その境界は、フェストゥーン（ホットスポット）と呼ばれる暗く暖かい（赤外線で）特徴によって区切られています。 [ 51 ] EZの南端は通常静穏ですが、19世紀後半から20世紀初頭にかけての観測では、このパターンは現在とは逆であったことが示されています。EZの色は、淡い色から黄土色、あるいは銅色まで大きく変化し、赤道帯（EB）によって分割されることもあります。[ 52 ] EZ内の特徴は、おおよそ 他の緯度と比較して390 km/h 。 [ 53 ]
南熱帯地域には、南赤道帯 (SEB) と南熱帯帯が含まれます。ここは、最も強い逆行ジェット気流がある場所であるため、惑星上で最も活発な地域です。SEB は通常、木星で最も幅広く、最も暗い帯です。SEB は、ゾーン (SEBZ) によって分割されることもあり、SEB 復活サイクルとして知られる現象で再び現れる前に、3 ～ 15 年ごとに完全に消滅することがあります。帯が消えた後の数週間または数か月の間に、白い斑点が形成され、暗褐色の物質が噴出し、木星の風によって新しい帯に引き伸ばされます。帯が最近消えたのは 2010 年 5 月です。[ 54 ] SEB のもう 1 つの特徴は、大赤斑に続く長いサイクロン性擾乱の列です。NTropZ と同様に、STropZ は惑星上で最も目立つゾーンの 1 つです。 GRSが含まれているだけでなく、時折、非常に長く続くこともある南熱帯擾乱（STropD）によって引き裂かれることもあります。最も有名なものは1901年から1939年まで続きました。[ 55 ]
南温帯地域、または南温帯帯 (STB) は、NTB よりもさらに目立つ暗く目立つ帯です。2000 年 3 月までは、最も有名な特徴は、長寿命の白い楕円形の BC、DE、FA でしたが、これらはその後合体して楕円形の BA ("Red Jr.") を形成しました。これらの楕円形は南温帯帯の一部でしたが、STB にまで伸びて部分的にそれを遮っていました。[ 5 ] STB は、白い楕円形と GRS の複雑な相互作用により、時折薄れてきました。白い楕円形が生まれたゾーンである南温帯帯 (STZ) の外観は非常に変化します。[ 57 ]
木星には、一時的なものか地球から観測しにくい他の特徴もあります。南南温帯地域はNNTRよりもさらに識別が難しく、その詳細は微妙で、大型望遠鏡や宇宙船でしか十分に研究できません。[ 58 ]多くのゾーンやベルトは性質上より一時的で、常に見えるわけではありません。これらには、赤道帯（EB）[ 59 ] 、北赤道帯ゾーン（NEBZ、ベルト内の白いゾーン）、南赤道帯ゾーン（SEBZ）が含まれます。[ 60 ]ベルトは、突然の擾乱によって分割されることもあります。擾乱によって通常は単一のベルトまたはゾーンが分割される場合、その成分が北か南かを示すためにNまたはSが追加されます。たとえば、NEB(N)とNEB(S)です。[ 61 ]
木星の大気の循環は、地球の大気の循環とは著しく異なっている。木星の内部は流体であり、固体表面は存在しない。そのため、対流は惑星の外側の分子層全体で発生する可能性がある。2008年現在、木星大気の力学に関する包括的な理論は開発されていない。そのような理論は、木星の赤道に対して対称な狭い安定帯とジェットの存在、赤道で観測される強い順行ジェット、ゾーンとベルトの違い、大赤斑などの大きな渦の発生と持続性といった事実を説明する必要がある。[ 6 ]
木星大気の力学に関する理論は、大きく浅層と深層の2種類に分けられます。前者は、観測された循環は、安定した内部を覆う薄い外側（気象）層にほぼ限定されていると主張します。後者の仮説は、観測された大気の流れは、木星の外側の分子層に深く根ざした循環の表面的な現れにすぎないと仮定しています。[ 62 ]どちらの理論にも成功と失敗があるため、多くの惑星科学者は、真の理論には両方のモデルの要素が含まれると考えています。[ 63 ]
木星の大気力学を説明しようとする最初の試みは1960年代に遡ります。[ 62 ] [ 64 ]これらの試みは、当時すでに十分に発展していた地球の気象学に部分的に基づいています。これらの浅いモデルでは、木星のジェットは小規模な乱流によって駆動され、それが大気の外層（水雲の上）の湿潤対流によって維持されていると仮定されています。[ 65 ] [ 66 ]湿潤対流は水の凝縮と蒸発に関連する現象であり、地球の気象の主要な駆動力の1つです。[ 67 ]このモデルにおけるジェットの生成は、2次元乱流のよく知られた特性である、いわゆる逆カスケードに関連しています。これは、小さな乱流構造（渦）が合体してより大きな構造を形成するものです。[ 65 ]惑星の有限サイズは、カスケードが特定の特性スケールを超える構造を生成できないことを意味し、木星の場合、これはラインズスケールと呼ばれます。その存在はロスビー波の生成と関連しています。このプロセスは次のように機能します。最大の乱流構造があるサイズに達すると、エネルギーはより大きな構造ではなくロスビー波に流れ始め、逆カスケードが停止します。[ 68 ]球状の高速回転惑星ではロスビー波の分散関係が異方性であるため、赤道に平行な方向のラインズスケールは、それに直交する方向よりも大きくなります。[ 68 ]上記のプロセスの最終的な結果は、赤道に平行な大規模な細長い構造の生成です。それらの子午線方向の広がりは、ジェットの実際の幅と一致するようです。[ 65 ]したがって、浅いモデルでは、渦は実際にジェットに供給され、ジェットに合体して消滅するはずです。
これらの気象層モデルは、十数個の狭いジェットの存在をうまく説明できるものの、深刻な問題を抱えている。[ 65 ]モデルの明らかな欠陥は、順行（超回転）赤道ジェットである。ごくまれな例外を除いて、浅いモデルは観測に反して強い逆行（亜回転）ジェットを生成する。さらに、ジェットは不安定になりがちで、時間とともに消滅する可能性がある。[ 65 ]浅いモデルでは、木星で観測された大気の流れが安定性基準に違反する理由を説明できない。[ 69 ]気象層モデルのより精緻な多層バージョンは、より安定した循環を生成するが、多くの問題が残っている。[ 70 ]一方、ガリレオ探査機は、木星の風が水雲の下まで広がっていることを発見した。5～7 バールまで減衰の兆候は見られない22 バールの圧力レベルは、木星の大気中の循環が実際には深い可能性があることを示唆している。[ 71 ]
深層モデルは、1976 年に Busse によって初めて提案されました。[ 72 ] [ 38 ]彼のモデルは、流体力学のもう 1 つのよく知られた特徴であるTaylor–Proudman 定理に基づいています。この定理は、高速回転するバロトロピック理想液体では、流れが回転軸に平行な一連の円筒に組織化されていることを示しています。この定理の条件は、おそらく木星の流体内部で満たされています。したがって、惑星の分子水素マントルは円筒に分割でき、各円筒は他の円筒とは独立した循環を持っています。[ 73 ]円筒の外側と内側の境界が惑星の目に見える表面と交差する緯度はジェットに対応し、円筒自体はゾーンとベルトとして観測されます。
深層モデルは、木星の赤道で観測される強い順行ジェットを容易に説明できます。このモデルが生成するジェットは安定しており、2D安定性基準には従いません。[ 73 ]しかし、大きな問題があります。非常に少数の幅広ジェットしか生成せず、2008年現在、3D流れの現実的なシミュレーションは不可能であるため、深層循環を正当化するために使用される単純化されたモデルは、木星内部の流体力学の重要な側面を捉えられない可能性があります。 [ 73 ] 2004年に発表されたあるモデルは、木星のバンドジェット構造をうまく再現しました。[ 63 ]このモデルは、分子水素マントルが他のすべてのモデルよりも薄く、木星半径の外側10%のみを占めていると仮定しました。木星内部の標準モデルでは、マントルは外側20～30%を構成しています。[ 74 ]深層循環の駆動は別の問題です。深層流は、浅層力（例えば湿潤対流）または木星内部から熱を運び出す惑星規模の深層対流の両方によって引き起こされる可能性があります。[ 65 ]これらのメカニズムのうちどちらがより重要であるかはまだ明らかではありません。
数値シミュレーションによると、木星の深層対流は主に約5 バール500 ミリバール。これらの対流プルームの上層部では、圧力が数百ミリバールであるため、NH 3、H 2 S、水などの凝縮物が形成される可能性が高い。対照的に、圧力が500ミリバールを超えると、3 bar では、水が主要な凝縮物となる。Jupiter-DYNAMICO を使用した全球気候モデル (GCM) シミュレーションは、中緯度から高緯度と比較して赤道域の対流活動が弱いことを示しており、これは雷の観測結果と一致する。また、木星の強い嵐の間、アンモニア蒸気が 3 bar から 3 bar の圧力で浮遊した水氷に溶解する可能性もある。1.1～1.5 バールで、アンモニアと水の低温液体混合物を形成する。このプロセスにより、アンモニアを大気のより深い層に運ぶアンモニアリッチなマッシュボールの形成が促進される。 [ 75 ]
木星の赤道上にY字型構造が形成されるメカニズムとして考えられるのは、Y字型構造が対流性傾圧ケルビン波（CCBCKW）と結合した赤道モドンによって駆動されるというものである。このメカニズムによれば、Y字型構造は断熱環境における大規模な局所加熱によって生じ、負圧または正の浮力異常の臨界閾値に達するとハイブリッド構造が生成される。このハイブリッド構造は、準赤道モドン、コヒーレントな双極子構造、および自己維持的かつ自己推進的に東へ伝播するCCBCKWから構成される。当初、ハイブリッド構造は着実に東へ移動するが、CCBCKWの位相速度が大きいため、最終的には準赤道モドンから分離する。この結合構造の寿命は、季節間スケールから季節スケールまで変化する。[ 75 ]湿潤対流は、東へ伝播する構造を引き起こすための必要条件である。
1966年以来知られているように、[ 76 ]木星は太陽から受け取る熱よりもはるかに多くの熱を放射している。惑星から放出される熱エネルギーと太陽から吸収される熱エネルギーの比率は、1.67 ± 0.09 。木星からの内部熱流束は5.44 ± 0.43 W/m 2であり、総放射電力は335 ± 26 PW 。後者の値は、太陽から放射される全エネルギーの約 10 億分の 1 に相当します。この余剰熱は主に木星形成の初期段階からの原始熱ですが、一部はヘリウムが核に沈降したことによるものかもしれません。[ 77 ]
内部の熱は木星大気のダイナミクスにとって重要である可能性がある。木星の自転軸傾斜角は約3°と小さく、極は赤道よりも太陽放射をはるかに少なく受けるが、対流圏の温度は赤道から極にかけて大きく変化しない。一つの説明としては、木星の対流する内部がサーモスタットのように働き、赤道付近よりも極付近でより多くの熱を放出しているということである。これにより、対流圏の温度は均一になる。地球では熱は主に大気を介して赤道から極へと輸送されるが、木星では深層対流が熱を平衡させる。木星内部の対流は主に内部の熱によって駆動されていると考えられている。[ 78 ]
木星の大気には数百もの渦が存在する。渦とは、地球の大気と同様に、サイクロンと反サイクロンの2種類に分類できる円形の回転構造である。[ 7 ]サイクロンは惑星の自転と同じ方向に回転し（北半球では反時計回り、南半球では時計回り）、反サイクロンは逆方向に回転する。しかし、地球の大気とは異なり、木星では反サイクロンがサイクロンよりも優勢であり、1000メートルを超える渦の90%以上が反サイクロンである。 直径2000kmのものは反時計回りである。 [ 79 ]木星の渦の寿命は、その大きさによって数日から数百年に及ぶ。例えば、反時計回りの平均寿命は、 直径1000kmと6000kmの渦は1～3年で消滅する。 [ 80 ]渦は木星の赤道域（緯度10°以内）では不安定であるため、これまで観測されたことはない。[ 10 ]高速回転する惑星では、木星の反サイクロンは高気圧の中心であり、サイクロンは低気圧である。[ 51 ]
木星の大気中の高気圧は常に、赤道から極に向かうにつれて風速が増加する領域内に閉じ込められています。 [ 80 ]これらは通常明るく、白い楕円形に見えます。[ 7 ]経度方向には移動できますが、閉じ込められた領域から脱出できないため、ほぼ同じ緯度にとどまります。[ 10 ]その周辺部の風速は約100 m/s。[ 9 ] 1 つのゾーンにある異なる高気圧は、互いに近づくと合体する傾向があります。[ 82 ]しかし、木星には他のすべての高気圧とは少し異なる 2 つの高気圧があります。それらは大赤斑 (GRS) [ 8 ]と楕円 BA [ 9 ]です。後者は 2000 年にのみ形成されました。白い楕円とは対照的に、これらの構造は赤色で、おそらく惑星の深部から赤い物質が浚渫されたためと考えられます。[ 8 ]木星では、高気圧は通常、対流性嵐 (下記参照) などのより小さな構造の合体によって形成されますが、[ 80 ]ジェットの不安定性によって大きな楕円が生じることもあります。後者は 1938 ～ 1940 年に観測され、南温帯の不安定性の結果としていくつかの白い楕円が現れ、後に合体して楕円 BA を形成しました。[ 83 ]
反サイクロンとは対照的に、木星のサイクロンは小さく、暗く、不規則な構造である傾向がある。暗く規則的な特徴のいくつかは、茶色の楕円形（またはバッジ）として知られている。[ 79 ]しかし、いくつかの長寿命の大きなサイクロンの存在が示唆されている。コンパクトなサイクロンに加えて、木星にはいくつかの大きな不規則なフィラメント状のパッチがあり、サイクロン回転を示している。[ 7 ]そのうちの1つは、南赤道帯のGRSの西（そのウェイク領域）に位置している。 [ 84 ]これらのパッチはサイクロン領域（CR）と呼ばれている。サイクロンは常にベルトに位置し、反サイクロンと同様に、互いに遭遇すると合体する傾向がある。[ 80 ]
渦の深層構造は完全には解明されていない。渦は比較的薄いと考えられており、厚さが約500 km を超えると不安定になる。大きな高気圧は、目に見える雲の上空数十キロメートルまでしか広がっていないことが知られている。2008 年現在、渦が深い対流プルーム(または対流柱) であるという初期の仮説は、惑星科学者の大多数には共有されていない。[ 10 ]
大赤斑（GRS）は、木星の赤道から南に22°のところにある持続的な高気圧性嵐です。地球からの観測では、嵐の寿命は最低でも350年とされています。 [ 86 ] [ 87 ]ジャン・ドメニコ・カッシーニは、 1665年7月に観測機器製作者のユースタキオ・ディヴィーニと共にこの特徴を観測した後、嵐を「永久的な斑点」と表現しました。[ 88 ] 1635年のジョヴァンニ・バッティスタ・リッチョーリの報告によると、リッチョーリが「並外れた望遠鏡」を所有していたダニスバーグ修道院長と特定したレアンダー・バンディウスは、「最も長い部分で木星の直径の7分の1に相当する楕円形」と表現した大きな斑点を観測しました。リッチョーリによれば、「これらの特徴はめったに見ることができず、見ることができるのは並外れた品質と倍率の望遠鏡だけです」。[ 89 ]しかし、グレートスポットは1870年代から継続的に観測されている。
GRSは反時計回りに回転し、その周期は約6地球日[ 90 ]または14木星日である。その寸法は 東西方向に24,000～40,000km 、 南北12,000～14,000km 。この斑点は、地球サイズの惑星を2つか3つ収容できるほど大きい。2004年初頭、大赤斑の経度方向の広がりは、1世紀前の約半分だった。 直径40,000 km 。現在の縮小率では、2040年までに円形になる可能性があるが、近隣のジェット気流の歪み効果のため、これはありそうにない。 [ 91 ]この斑点がどれくらい続くか、あるいはこの変化が通常の変動の結果であるかどうかは不明である。[ 92 ]
カリフォルニア大学バークレー校の科学者による研究によると、1996年から2006年の間に、この黒点は 長軸に沿って直径の15パーセントを失った。この研究を行ったチームの一員であるザイラー・アセイ＝デイビスは、この黒点が消えていないのは、「速度の方がより確実な測定方法であり、赤斑に関連する雲は周囲の大気中の他の多くの現象にも強く影響される」ためだと指摘した。[ 93 ]
赤外線データは、大赤斑が地球上の他のほとんどの雲よりも低温（したがって高度が高い）であることを長らく示してきた。[ 94 ]大赤斑の雲頂は約周囲の雲から8 km上空。さらに、大気の特徴を注意深く追跡した結果、1966年にはすでにこの斑点の反時計回りの循環が明らかになっており、ボイジャー探査機のフライバイによる最初のタイムラプス動画によってその観測結果が劇的に確認された。[ 95 ]この斑点は、南側では穏やかな東向きのジェット気流（順行）によって、北側では極めて強い西向きのジェット気流（逆行）によって空間的に制限されている。[ 96 ]斑点の縁の風速は最大で約120 m/s（430 km/h）に達するが、内部の気流は停滞しており、流入も流出もほとんどないように見える。[ 97 ]この斑点の自転周期は時間とともに短くなっており、おそらくその大きさが着実に縮小していることが直接の原因であろう。[ 98 ] 2010年、天文学者たちは遠赤外線で大赤斑を撮影した（ 8.5～24μm ）の空間分解能がこれまで以上に高く、中心部の最も赤い領域が周囲よりも24～24μmほど暖かいことがわかった。3～4 K。 暖かい気団は、気圧範囲で上部対流圏に位置します。200〜500 ミリバール。この暖かい中心スポットはゆっくりと逆回転しており、GRSの中心部での弱い空気の沈降によって引き起こされている可能性がある。[ 99 ]
大赤斑の緯度は、良好な観測記録が残っている間は安定しており、通常は約 1 度変動しています。しかし、その経度は絶えず変動しています。[ 100 ]木星の目に見える特徴はすべての緯度で均一に回転するわけではないため、天文学者は経度を定義するために 3 つの異なるシステムを定義しました。システム II は 10° を超える緯度で使用され、元々は大赤斑の平均回転速度 9 時間 55 分 42 秒に基づいていました。[ 101 ]それにもかかわらず、この斑点は19 世紀初頭からシステム II で惑星を少なくとも 10回「周回」しています。そのドリフト速度は長年にわたって劇的に変化しており、南赤道帯の明るさと南熱帯擾乱の有無に関連付けられています。[ 102 ]
大赤斑の赤みがかった色の原因は正確には分かっていません。実験室での実験で裏付けられた理論では、その色は複雑な有機分子、赤リン、または別の硫黄化合物によって引き起こされている可能性があるとされています。大赤斑の色相は、ほぼレンガ色から淡いサーモン色、あるいは白色まで大きく変化します。最も赤い中央領域の温度が高いことは、斑点の色が環境要因によって影響を受けているという最初の証拠です。[ 99 ]斑点は時折可視スペクトルから消え、南赤道帯（SEB）にあるそのニッチである赤斑空洞を通してのみ明らかになります 。大赤斑の可視性は明らかにSEBの出現と連動しており、帯が明るい白色のときは斑点は暗くなりがちで、帯が暗いときは斑点は通常明るくなります。斑点が暗いまたは明るい期間は不規則な間隔で発生します。 1947年から1997年までの50年間で、この斑点が最も暗かったのは1961～1966年、1968～1975年、1989～1990年、1992～1993年の期間でした。[ 103 ] 2014年11月、NASAのカッシーニ探査機のデータの分析により、赤い色は惑星の上層大気で太陽紫外線照射によって単純な化学物質が分解された結果である可能性が高いことが明らかになりました。[ 104 ] [ 105 ] [ 106 ]
大赤斑は、2000年にカッシーニ・ホイヘンス探査機によって木星の北極付近（下図）で観測された大暗斑と混同してはならない。[ 107 ]海王星の大気中の現象も大暗斑と呼ばれていた。後者の現象は、 1989年にボイジャー2号によって撮影されたもので、嵐ではなく大気の穴であった可能性がある。1994年にはもはや存在していなかったが、同様の斑点がさらに北に現れていた。[ 108 ]
オーバルBAは、木星の南半球にある赤い嵐で、大赤斑に形は似ているが、サイズは小さい（しばしば親しみを込めて「レッドスポットJr.」、「レッドJr.」、または「リトルレッドスポット」と呼ばれる）。南温帯帯にあるオーバルBAは、3つの小さな白い嵐が衝突した後、2000年に初めて観測され、それ以来強まっている。[ 109 ]
後にオーバルBAに合体した3つの白い楕円形の嵐の形成は、1939年に南温帯が暗い特徴によって引き裂かれ、事実上ゾーンが3つの長いセクションに分割されたことに遡ることができます。木星観測者のエルマー・J・リースは、暗いセクションをAB、CD、EFと名付けました。裂け目が拡大し、STZの残りの部分が白い楕円形のFA、BC、DEに縮小しました。[ 110 ]楕円形のBCとDEは1998年に合体し、オーバルBEを形成しました。その後、2000年3月にBEとFAが合体し、オーバルBAを形成しました[ 109 ]。
オーバルBAは2005年8月に徐々に赤くなり始めた。[ 111 ] 2006年2月24日、アマチュア天文家のクリストファー・ゴーが色の変化を発見し、大赤斑と同じ色になったと指摘した。[ 111 ]その結果、NASAのライターであるトニー・フィリップス博士は、これを「レッドスポットJr.」または「レッドJr.」と呼ぶことを提案した。[ 112 ]
2006 年 4 月、天文学者のチームは、その年にオーバル BA が GRS と収束する可能性があると考え、ハッブル宇宙望遠鏡で嵐を観測した。[ 113 ]嵐は約 2 年ごとにすれ違うが、2002 年と 2004 年のすれ違いでは特に面白いことは起こらなかった。ゴダード宇宙飛行センターのエイミー・サイモン・ミラー博士は、嵐が最も接近するのは 2006 年 7 月 4 日だと予測した。[ 113 ] 7 月 20 日、2 つの嵐が収束することなくすれ違う様子がジェミニ天文台で撮影された。[ 114 ]
オーバルBAが赤くなった理由はよく分かっていません。バスク大学のサンティアゴ・ペレス＝ホヨス博士による2008年の研究によると、最も可能性の高いメカニズムは「着色化合物またはコーティング蒸気が上向きに内向きに拡散し、それが後にオーバルBAの上層で高エネルギーの太陽光子と相互作用する」ことです。[ 115 ]木星の小さな嵐（およびそれに伴う白い斑点）は、風が十分に強くなり、大気のより深いところから特定のガスを引き寄せ、それらのガスが日光にさらされると色が変わるため、赤くなると考える人もいます。[ 116 ]
2007年にハッブル宇宙望遠鏡で行われた観測によると、オーバルBAは勢力を増している。風速は 時速618km。大赤斑とほぼ同じで、前駆嵐よりもはるかに強い。[ 117 ] [ 118 ] 2008年7月時点では、その大きさは地球の直径とほぼ同じで、大赤斑の約半分の大きさだった。[ 115 ]
オーバルBAは2018年末にかけて赤色を失いつつあることが確認されており、この変化はジュノーによって観測された。[ 119 ]
オーバルBAは、木星の別の大きな嵐である南熱帯小赤斑（LRS）（NASAによって「ベビー赤斑」と名付けられた）[ 120 ]と混同してはならない。LRSはGRSによって破壊された。[ 116 ]ハッブル画像では以前は白い斑点だったこの新しい嵐は、2008年5月に赤くなった。観測は、米国カリフォルニア大学バークレー校のイムケ・デ・パターが主導した。[ 121 ]ベビー赤斑は2008年6月下旬から7月上旬にかけてGRSに遭遇し、衝突の過程で、より小さな赤斑は粉々に引き裂かれた。ベビー赤斑の残骸は最初に周回し、その後GRSに飲み込まれた。天文学者によって特定された赤みがかった色の最後の残骸は7月中旬までに消え、残りの破片は再びGRSに衝突し、最終的により大きな嵐と合体した。ベビーレッドスポットの残りの破片は、2008年8月までに完全に消滅した。[ 120 ]この遭遇の間、オーバルBAは近くに存在していたが、ベビーレッドスポットの破壊には明らかな役割を果たさなかった。[ 120 ]
木星の嵐は地球の雷雨に似ています。明るい塊状の雲によってその存在が明らかになります。大きさは1000 kmで、ベルトのサイクロン領域、特に強い西向き（逆行）ジェット気流の内側に時折現れる。[ 123 ]渦とは対照的に、嵐は短命な現象である。最も強い嵐は数ヶ月続くこともあるが、平均的な寿命はわずか3～4日である。[ 123 ]嵐は主に木星の対流圏内の湿潤対流によるものと考えられている。嵐は実際には高い対流柱（プルーム）であり、湿った空気を深層から対流圏上部に運び、そこで雲となって凝結する。木星の嵐の典型的な垂直方向の広がりは約100 km ; 圧力レベルが約 100 km から伸びているため 仮想的な水雲層の底部が位置する5～7バールから、0.2～0.5 バール。[ 124 ]
木星の嵐は常に雷を伴います。ガリレオ探査機とカッシーニ探査機による木星の夜側の半球の画像では、木星の帯や西向きのジェット気流の近く、特に北緯51度、南緯56度、南緯14度の緯度で規則的な光の閃光が明らかになりました。[ 125 ]木星の雷は平均して地球の数倍強力ですが、頻度は少なく、特定の領域から放出される光のパワーは地球と似ています。[ 125 ]極域でいくつかの閃光が検出されており、木星は地球に次いで極雷を示すことが知られている2番目の惑星です。 [ 126 ]マイクロ波放射計（ジュノー）は2018年にさらに多くの閃光を検出しました。
木星では15～17年ごとに特に強力な嵐が発生する。これらの嵐は北緯23度付近に発生し、そこでは最も強い東向きのジェット気流が到達する。150 m/s の速度で移動した。このような現象が最後に観測されたのは 2007 年 3 月～6 月であった。[ 124 ]北温帯帯に経度 55° 離れた 2 つの嵐が発生した。嵐は帯を大きく乱した。嵐によって放出された暗い物質が雲と混ざり、帯の色を変えた。嵐は最大で 150 m/s の速度で移動した。170 m/s はジェット機自体よりもわずかに速く、大気圏深部に強い風が存在することを示唆している。[ 124 ] [d]
木星のその他の注目すべき特徴は、惑星の北極と南極付近にあるサイクロンです。これらは周極サイクロン（CPC）と呼ばれ、ジュノー探査機がジュノーカムとJIRAMを用いて観測してきました。ジュノーが木星を39周したため、サイクロンは5年ほど観測されています。[ 127 ]北極には中心サイクロン（NPC）の周囲を8つのサイクロンが移動していますが、南極には中心サイクロン（SPC）の周囲に5つのサイクロンしかなく、最初のサイクロンと2番目のサイクロンの間には隙間があります。[ 128 ]サイクロンは、後方に螺旋状の腕があり、中心部がより密度が高いという点で地球のハリケーンに似ていますが、個々のサイクロンによって中心部の形状には違いがあります。北極のCPCは一般的に南極のCPCに比べて形状と位置が安定しており、これは南極で風速が速いためと考えられます。南極の最大風速は約80～90 m/s。[ 129 ]南部のCPCは動きが大きいものの、極に対して五角形構造を維持する傾向がある。また、中心に近づくにつれて角風速が増加し、半径が小さくなることが観察されているが、北部の1つのサイクロンは逆方向に回転している可能性がある。北部と南部でサイクロンの数が異なるのは、おそらくサイクロンの大きさによるものと考えられる。[ 130 ]南部のCPCは半径が大きく、北部のCPCは5,600～7,000kmの 範囲で、4,000～4,600 km。[ 131 ]
サイクロンのこれら 2 つの対称構造の安定性のメカニズムは、ベータドリフトの結果であり、これは、コリオリ パラメータの変化の下で渦の流線に沿った運動量の保存により、サイクロンが極方向に移動し、反サイクロンが赤道方向に移動するという既知の効果です。[ 132 ]したがって、極域で形成されるサイクロンは極に集まり、土星の極で観測されるような極サイクロンを形成する可能性があります。[ 133 ] [ 134 ]極サイクロン (多角形の中央のサイクロン) は、ベータ効果と同様に、他のサイクロンを反発する渦度場も放出します (藤原効果を参照)。周極低気圧が存在する緯度（約84°）は、周極低気圧の周囲に高気圧リングが存在すると仮定した場合、極方向へのベータドリフト力が周極低気圧の赤道方向への反発と釣り合うという仮説に計算上適合し、モデルシミュレーション[ 135 ]および観測[ 130 ]と一致している。
北極のサイクロンは、NPCを中心とする八角形の構造を維持する傾向がある。北極の冬は光量が限られているため、JunoCamが各近木点（53日）で北極のCPCの位置を正確に測定することが難しく、北極のサイクロンは南極のサイクロンよりもデータが少ないが、JIRAMは北極のCPCを理解するのに十分なデータを収集できる。光量が限られているため、北極の中心サイクロンを見ることは難しいが、4周回することでNPCを部分的に見ることができ、サイクロンの八角形の構造を識別できる。光量が限られているため、サイクロンの動きを見ることも難しいが、初期の観測では、NPCが極から約0.5°ずれており、CPCは概ね中心付近の位置を維持していることが示されている。データの取得は難しいものの、北極のCPCは近木点ごとに西に約1°から2.5°のドリフト率を持つことが観測されている。北部の7番目のサイクロン（n7）は他のサイクロンよりも少し大きく移動しますが、これは高気圧性の白い楕円（AWO）がサイクロンをNPCからさらに遠ざけるため、八角形の形状がわずかに歪むためです。
南極低気圧の瞬間的な位置は、JIRAM装置とJunoCamによって5年間追跡されてきた。[ 136 ]時間の経過に伴う位置の変化から、6つの低気圧それぞれが振動運動をしていることが明らかになり、その周期は約1（地球）年、半径は約400 km。[ 137 ] CPCの平均位置を中心としたこれらの振動は、CPCを極に向かって引っ張るベータドリフトと、6体ばね系に似たサイクロン間の相互作用によって生じる反発力との間の不均衡の結果であると説明された。 [ 137 ]この周期的な動きに加えて、南極サイクロンは西にドリフトすることが観測された。7.5°/年± 0.7°/年。[ 138 ]この変動の理由はまだ不明です。
極域低気圧は、特に北極では形態が異なり、「充填型」または「混沌型」の構造をとります。「混沌型」低気圧の内部には、小さな雲の筋や斑点が見られます。「充填型」低気圧は、縁が明るい白色で内部が暗い、境界がはっきりとした葉状の領域を持ちます。北極には、「充填型」低気圧が4つ、「混沌型」低気圧が4つあります。南極の低気圧はすべて、外側に広範囲にわたる微細な螺旋構造を持っていますが、大きさや形はそれぞれ異なります。太陽高度が低く、大気上に通常もやがかかっているため、低気圧の観測は非常に少ないですが、わずかに観測された情報によると、低気圧は赤みがかった色をしています。
帯状および帯状の通常のパターンは、一定期間にわたって乱れることがある。特に乱れの1つは、南熱帯帯の長期にわたる暗化であり、通常は「南熱帯擾乱」（STD）と呼ばれている。記録史上最も長く続いたSTDは、 1901年2月28日にパーシー・B・モールズワース によって初めて観測され、1901年から1939年まで追跡された。これは、通常は明るい南熱帯帯の一部が暗くなるという形をとった。それ以来、南熱帯帯で同様の擾乱がいくつか記録されている。[ 139 ]
木星の大気で最も謎めいた特徴の一つはホットスポットである。ホットスポットでは、大気中の雲が比較的少なく、熱が吸収されることなく深部から放出される。ホットスポットは、波長約5μmで取得された赤外線画像では明るい点として見える 。[ 51 ]ホットスポットは主にベルト地帯に位置しているが、赤道帯の北端には目立つホットスポットの列が存在する。ガリレオ探査機は、これらの赤道スポットの一つに降下した。それぞれの赤道スポットは、その西側に位置し、高さまで達する明るい雲状のプルームと関連している。 大きさは10,000 km 。 [ 5 ]ホットスポットは一般的に丸い形をしているが、渦には似ていない。[ 51 ]
ホットスポットの起源は明らかではない。それらは、下降する空気が断熱的に加熱され乾燥する下降気流である可能性もあれば、惑星規模の波動の現れである可能性もある。後者の仮説は、赤道付近のホットスポットの周期的なパターンを説明する。[ 5 ] [ 51 ]
1953年、ミラー・ユーリー実験は、雷と原始地球の大気中に存在する化合物の組み合わせによって、生命の礎となる有機物（アミノ酸を含む）が形成されることを証明した。模擬大気は水、メタン、アンモニア、水素分子から構成されており、これらの物質はすべて今日の木星の大気中に存在する。木星の大気には、これらの化合物を下層に運ぶ強い垂直気流がある。しかし、木星内部は高温であるため、これらの化学物質は分解され、地球のような生命の形成が妨げられる。[ 140 ]これはカール・セーガンとエドウィン・E・サルピーターによって推測された。
初期の近代天文学者たちは、小型望遠鏡を用いて木星の大気の変化する様相を記録した。[ 141 ]彼らが用いた記述用語、すなわち帯や帯、褐色の斑点や赤い斑点、煙、はしけ、花飾り、ストリーマーなどは、現在でも使用されている。[ 142 ]渦度、垂直運動、雲の高さといった他の用語は、20世紀になってから使用されるようになった。[ 141 ]
地球上の望遠鏡では不可能な高解像度で木星大気を初めて観測したのは、パイオニア10号とパイオニア11号探査機でした。木星大気の真に詳細な画像を初めて提供したのはボイジャー探査機でした。[ 141 ]この2機の探査機は、さまざまなスペクトルで5 kmのサイズで、動いている大気の「接近動画」を作成することもできます。[ 141 ]アンテナの問題に見舞われたガリレオ探査機は、木星の大気をあまり見ませんでしたが、平均解像度が高く、スペクトル帯域幅が広くなりました。[ 141 ]
今日、天文学者はハッブル宇宙望遠鏡などの望遠鏡のおかげで、木星の大気活動の連続記録にアクセスできる。これらの記録は、大気が時折大規模な擾乱に見舞われるものの、全体としては驚くほど安定していることを示している。[ 141 ]木星の大気の垂直方向の動きは、地上望遠鏡による微量ガスの識別によって大部分が決定された。[ 141 ]シューメーカー・レヴィ第9彗星の衝突後の分光学的研究により、雲頂の下の木星の組成が垣間見えた。二原子硫黄（S 2）と二硫化炭素（CS 2 ）の存在が記録された。これは木星での最初の検出であり、S 2が天体で検出されたのはこれが 2 回目である。アンモニア（NH 3）や硫化水素（H 2 S ）などの他の分子とともに検出されたが、二酸化硫黄などの酸素含有分子は検出されず、天文学者たちは驚いた。[ 143 ]
ガリレオ大気探査機は木星に突入する際に、風、温度、組成、雲、放射線レベルを測定した。22 バール。ただし、以下木星の他の 場所では、その量に不確実性がある。[ 141 ]
大赤斑の最初の発見は、1664年5月に惑星上の斑点を記述したロバート・フックによるものとされることが多いが、フックの斑点は実際には全く異なる帯（現在の位置である南赤道帯ではなく、北赤道帯）にあった可能性が高い。翌年にジョヴァンニ・カッシーニが「恒久的な斑点」を記述した方がはるかに説得力がある。[ 88 ]視認性の変動はあったものの、カッシーニの斑点は1665年から1713年まで観測された。[ 144 ]
1700 年頃にドナート・クレティが描いたキャンバスに描かれた木星の斑点に関するちょっとした謎がある。この絵はバチカンに展示されている。[ 145 ] [ 146 ]これは、さまざまな（拡大された）天体がさまざまなイタリアの風景の背景として使われている一連のパネルの一部であり、それらすべての制作は天文学者エウスタキオ・マンフレディが正確さを監督した。クレティの絵は、大赤斑を赤く描いた最初のものとして知られている。19 世紀後半以前には、木星の特徴が公式に赤く記述されたことはなかった。[ 146 ]
現在のGRSは1830年以降に初めて観測され、1879年の顕著な出現後に初めて詳細に研究されました。1830年以降の観測と17世紀の発見の間には118年の空白があり、元の黒点が消散して再形成されたのか、薄れたのか、あるいは単に観測記録が不十分だったのかは不明です。[ 103 ]古い黒点は観測の歴史が短く、現代の黒点よりも動きが遅いため、それらが現在の黒点と同一である可能性は低いと考えられます。[ 145 ]
1979年2月 25日、ボイジャー1号探査機が 木星から920万キロメートル離れた地点で、大赤斑の詳細な画像を初めて地球に送信した。雲の細部まで鮮明に捉えられており、直径160km の範囲が見えた。GRSの西（左）に見られる色鮮やかな波状の雲のパターンは、この黒点の後流領域であり、非常に複雑で変化に富んだ雲の動きが観測される。[ 147 ]
1940 年頃、南温帯に 3 つの長寿命の白い楕円形が形成されました。1939 年に STZ に 3 つの小さな暗いセグメントが発達し、STZ を 3 つの長い明るい色の帯に分割しました。暗いセグメントは急速に拡大し、1940 年代を通じて白い領域は楕円形に縮小しました。エルマー J. リースは暗いセグメントを AB、CD、EF と名付け、その間の白いセグメントを BC、DE、FA と名付けました。[ 148 ] 1940 年代初頭、白いセグメントは経度約 90 度の領域に広がる楕円形に縮小し、「白い楕円形」と呼ばれるようになりました。楕円は最初の 10 年間で急速に収縮し、その後はよりゆっくりと収縮し、最終的に 1965 年までに幅 10 度の安定した領域に落ち着きました。[ 149 ]縮小するにつれて、それらは北に移動し、南温帯帯に埋め込まれ、STB にニッチを「掘り」ました。[ 150 ]実際、GRS とよく似て、それらの循環は、北と南の境界にある 2 つの反対方向のジェット気流によって制限され、北には東向きのジェット気流、南には逆行する西向きのジェット気流がありました。[ 149 ]
楕円の縦方向の動きは、木星の軌道上の位置（遠日点では速度が速くなる）と大赤斑（GRS）への近さ（ 黒点から50度以内では加速する）という2つの要因に影響されているようだった。[ 151 ]白い楕円のドリフト速度の全体的な傾向は減速であり、1940年から1990年の間に半分に減少した。[ 152 ]
ボイジャーのフライバイ中、楕円はおよそ 東から西へ9,000km 、南北5,000kmで、5 日ごとに回転する（当時GRSは6日ごとだった）。[ 153 ]
1998年から、3つの楕円が融合し始めました。まず楕円DEとFAが融合して楕円DAになり、次に2000年に楕円BCとDAが融合して楕円BAになりました。[ 148 ] 楕円BAは2005年に赤くなり始め、2006年から2008年までは赤色で、その後2019年までに徐々に白に戻りました。[ 154 ]