Giant Planets of Our Solar System: An Introduction

Cover\r......Page 1
Contents......Page 6
Preface......Page 12
Acknowledgements......Page 14
Abbreviations......Page 16
Figures......Page 20
Tables......Page 24
Colour plates......Page 26
1.1 The giant outer planets\r......Page 27
1.2.1 Jupiter\r......Page 31
1.2.2 Saturn\r......Page 34
1.2.3 Uranus\r......Page 35
1.2.4 Neptune\r......Page 37
1.3 Satellites of the outer planets\r......Page 38
1.4 Exploration of the outer planets\r......Page 39
1.5 Organization of book\r......Page 40
1.7 Bibliography\r......Page 41
2.1 Formation of the universe and primordial constituents\r......Page 43
2.2 Formation of the stars and evolution of the interstellar medium\r......Page 44
Jeans theory of collapse\r......Page 47
2.3.2 Formation of circumstellar disc\r......Page 49
2.4.1 Core accretion model\r......Page 54
2.5 Formation of jovian satellites\r......Page 58
2.6.1 Constraints on formation: D/H ratio\r......Page 59
2.7.1 Gravitational data\r......Page 65
2.7.3 Internal structure of Jupiter and Saturn\r......Page 68
2.7.4 Internal structure of Uranus and Neptune\r......Page 71
2.8 Migration and extrasolar planets\r......Page 73
2.9 References\r......Page 74
2.10 Bibliography\r......Page 77
3.2.1 Jeans\' formula\r......Page 79
3.2.2 Diffusion and limiting flux\r......Page 81
3.2.3 Hydrodynamic escape\r......Page 84
3.4 Internal differentiation processes\r......Page 85
3.4.1 Effective radiating temperature of planets\r......Page 86
3.5.1 Jupiter\r......Page 88
3.5.2 Saturn\r......Page 89
3.5.3 Uranus and Neptune\r......Page 90
3.7 Bibliography\r......Page 91
4.1.1 Pressure\r......Page 93
Lower troposphere\r......Page 94
Upper troposphere and stratosphere\r......Page 96
Heat capacity and ortho/para hydrogen\r......Page 99
Molecular weight\r......Page 101
4.1.4 Temperature/pressure profiles of the outer planets\r......Page 102
4.2 Vertical mixing-eddy mixing coefficients\r......Page 103
4.3.1 Disequilibrium species\r......Page 107
Germane, arsine, and phosphine\r......Page 108
Ortho-/apra-hydrogen\r......Page 109
Rayleigh scattering\r......Page 110
Photodissociation of important giant planet gases\r......Page 111
4.3.3 Condensation\r......Page 115
4.3.4 Extraplanetary sources\r......Page 117
Composition profiles\r......Page 118
Clouds and hazes\r......Page 125
Composition profiles......Page 129
Clouds and hazes......Page 131
Composition profiles......Page 136
Clouds and hazes......Page 141
Composition profiles  \r......Page 142
Clouds and hazes  \r......Page 148
4.5 References\r......Page 151
4.6 Bibliography\r......Page 157
5.2 Mean circulation of the giant planet atmospheres\r......Page 159
Navier-Stokes equation\r......Page 161
Geostrophic approximation\r......Page 163
Thermal wind equation\r......Page 164
Vorticity equation\r......Page 165
5.2.2 Mean zonal motions in the giant planet atmosphere\r......Page 167
5.3.1 Turbulence in the giant planet atmospheres\r......Page 173
Static instability\r......Page 174
Barotropic instability\r......Page 176
5.3.2 Waves in the giant planet atmospheres\r......Page 177
Gravity waves and radius of deformation\r......Page 178
Rossby or planetary waves\r......Page 180
5.3.3 Vortices in the giant planet atmospheres\r......Page 182
Deep models\r......Page 184
One-and-a-half-layer models\r......Page 187
Eddy-mean interactions\r......Page 188
5.4.2 Stratospheric and upper tropospheric circulation\r......Page 189
5.5.1 General circulation and zonal structure\r......Page 190
5.5.2 Storms and vortices\r......Page 195
5.5.3 Waves\r......Page 199
5.6.1 General circulation and zonal structure......Page 203
5.6.2 Storms and vortices\r......Page 205
5.6.3 Waves\r......Page 206
5.7.1\rGeneral circulation and zonal structure......Page 209
5.7.2 Storms and vortices\r......Page 210
5.8.1 General Circulation and zonal structure\r......Page 211
5.8.2 Storms and vortices\r......Page 213
5.8.3 Waves\r......Page 216
5.9 References\r......Page 217
5.10 Bibliography\r......Page 222
6.1 Introduction\r......Page 223
6.2.1 Femi\'s golden rule\r......Page 224
6.2.2 Electric and magnetic moments\r......Page 225
6.3.1 Molecular vibrational energy levels\r......Page 226
6.3.2 Molecular rotational energy levels\r......Page 227
6.3.3 Rotational transitions\r......Page 229
6.3.4 Vibration-rotation bands\r......Page 230
Vibrational modes\r......Page 233
6.3.6 Diatomic homonuclear molecules\r......Page 234
6.3.7 Line-broadening\r......Page 235
Doppler broadening\r......Page 236
6.3.8 Giant planet gas transmission spectra\r......Page 237
6.4 Radiative transfer in a grey atmosphere\r......Page 238
6.4.1 Nadir viewing\r......Page 239
6.4.2 Net flux and disc-averaging\r......Page 242
6.4.3 Limb-viewing\r......Page 244
6.4.4 Radiative balance\r......Page 246
6.4.5 Local thermodynamic equilibrium\r......Page 247
Band model approximation\r......Page 248
Correlated-k approximation\r......Page 250
6.5 Scattering of light by particles\r......Page 251
6.5.1 Rayleigh or dipole scattering\r......Page 252
6.5.2 Mie theory\r......Page 253
6.5.3 Non-spherical particles\r......Page 254
6.6 Radiative transfer in scattering atmospheres\r......Page 255
6.6.1 Plane-parallel approximation\r......Page 256
6.6.2 Spherical atmospheres and limb-viewing: Monte Carlo simulations\r......Page 258
6.7.1 General features of giant spectra: UV to microwave\r......Page 259
6.7.2 Near-IR and visible reflectance spectra\r......Page 260
6.7.3 Thermal-IR spectra\r......Page 262
Jupiter\r......Page 263
Uranus and Neptune\r......Page 266
6.7.4 Microwave spectra\r......Page 267
6.8.1 Planck function\r......Page 268
6.9 References\r......Page 270
6.10 Bibliography\r......Page 271
7.1 Introduction\r......Page 273
7.2.1 Detection of IR radiation\r......Page 274
7.2.2 Radiometers/photometers\r......Page 275
7.2.3 Grating spectrometers\r......Page 276
7.2.4 Michelson interferometers\r......Page 277
Heterodyne receivers\r......Page 280
7.3.1 Terrestrial atmospheric absorption\r......Page 281
7.3.2 Angular resolution\r......Page 283
Adaptive optics\r......Page 284
Deconvolution\r......Page 285
7.3.3 Brightness\r......Page 286
7.4 Ground-based visible/IR observatories\r......Page 287
7.4.1 European Southern Observatory (ESO) - very large telescope (VLT)\r......Page 289
7.4.2 The Mauma Kea observatories\r......Page 291
7.5 Airborne visible/IR observations\r......Page 294
7.5.1 Kuiper airborne observatory\r......Page 295
7.6 Ground-based microwave observatories\r......Page 296
7.6.1 The Institut de RadioAstronomic Millimetrique (IRAM)\r......Page 297
7.6.2 Very large array (VLA)\r......Page 298
7.6.3 Very large-baseline array (VLBA)\r......Page 299
7.6.5\rOwens Valley Radio Observatory (OVRO)......Page 300
7.6.6 Nobeyama Millimeter Array (NMA)\r......Page 301
7.7 Space-based tele\rscopes......Page 302
7.7.1 HST\r......Page 303
7.7.2 ISO\r......Page 305
7.7.3 Submillimeter Wave Astronomy Satellite (SWAS)\r......Page 309
7.8 Flyby spacecraft\r......Page 310
7.8.1 Pioneer\r......Page 312
7.8.2 Voyager\r......Page 314
7.9.1 Galileo\r......Page 318
7.9.2 Cassini/Huygens\r......Page 326
7.10 Retrievals\r......Page 329
7.10.1 Exact, least squares, and Backus-Gilbert solution\r......Page 332
7.10.2 Linear optimal estimation\r......Page 333
7.11 References\r......Page 335
7.12 Bibliography\r......Page 336
Index\r......Page 339