El clima polar en Júpiter y Saturno da pistas sobre los detalles interiores de los planetas

Científicos del MIT (Estados Unidos) aseguran en un nuevo trabajo que el clima polar en Júpiter y Saturno da pistas sobre los detalles interiores de los planetas. Los detalles se recogen en un estudio publicado en las 'Actas de la Academia Nacional de Ciencias'.

A lo largo de los años, las sondas espaciales han observado patrones climáticos desconcertantes en los polos de Júpiter y Saturno. Ambos planetas albergan tipos muy diferentes de vórtices polares, que son enormes remolinos atmosféricos que giran sobre la región polar de un planeta. En Saturno, un único y masivo vórtice polar parece coronar el polo norte con una curiosa forma hexagonal, mientras que, en Júpiter, un vórtice polar central está rodeado de ocho vórtices más pequeños, como una bandeja de rollos de canela en espiral.

Dado que ambos planetas son similares en muchos aspectos (tienen aproximadamente el mismo tamaño y están hechos de los mismos elementos gaseosos), la marcada diferencia en sus patrones climáticos polares ha sido un misterio de larga data.

Ahora, los investigadores del MIT han identificado una posible explicación de la evolución de ambos sistemas. Sus hallazgos podrían ayudar a los científicos a comprender no solo los patrones climáticos superficiales de los planetas, sino también lo que podría yacer bajo las nubes, en las profundidades de su interior.

En este nuevo trabajo, el equipo simula diversas maneras en que se pueden formar patrones de vórtices bien organizados a partir de estímulos aleatorios en un gigante gaseoso. Un gigante gaseoso es un planeta grande compuesto principalmente de elementos gaseosos, como Júpiter y Saturno. Entre una amplia gama de posibles configuraciones planetarias, el equipo descubrió que, en algunos casos, las corrientes se fusionaban en un único gran vórtice, similar al patrón de Saturno, mientras que otras simulaciones producían múltiples circulaciones grandes, similares a los vórtices de Júpiter.

Tras comparar simulaciones, el equipo descubrió que los patrones de vórtices, y el desarrollo de uno o varios vórtices polares en un planeta, se reducen a una propiedad principal: la "suavidad" de la base de un vórtice, que está relacionada con su composición interior. Los científicos comparan un vórtice individual con un cilindro giratorio que gira a través de las múltiples capas atmosféricas de un planeta.

Cuando la base de este cilindro giratorio está hecha de materiales más blandos y ligeros, cualquier vórtice que se desarrolle solo puede crecer hasta cierto punto. El patrón final puede entonces permitir la formación de múltiples vórtices más pequeños, similares a los de Júpiter. Por el contrario, si la base de un vórtice está hecha de material más duro y denso, puede crecer mucho más y posteriormente engullir otros vórtices para formar un único vórtice masivo, similar al monstruoso ciclón de Saturno.

"Nuestro estudio muestra que, dependiendo de las propiedades internas y la suavidad del fondo del vórtice, esto influirá en el tipo de patrón de fluidos que se observa en la superficie", informa el autor del estudio, Wanying Kang, profesor adjunto del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. "No creo que nadie haya establecido esta conexión entre el patrón de fluidos de la superficie y las propiedades internas de estos planetas. Un posible escenario podría ser que Saturno tenga un fondo más duro que Júpiter".

El nuevo trabajo se inspiró en las imágenes de Júpiter y Saturno obtenidas por las misiones Juno y Cassini. La sonda Juno de la NASA ha orbitado Júpiter desde 2016 y ha capturado impresionantes imágenes del polo norte del planeta y sus múltiples vórtices giratorios. A partir de estas imágenes, los científicos han estimado que cada uno de los vórtices de Júpiter es inmenso, con una extensión de unos 4.800 kilómetros, casi la mitad del ancho de la Tierra.

La sonda Cassini, antes de quemarse intencionalmente en la atmósfera de Saturno en 2017, orbitó el planeta anillado durante 13 años. Sus observaciones del polo norte de Saturno registraron un único vórtice polar hexagonal de unos 29.000 kilómetros de ancho.

"Se ha dedicado mucho tiempo a descifrar las diferencias entre Júpiter y Saturno", apuntan los investigadores "Los planetas tienen aproximadamente el mismo tamaño y ambos están compuestos principalmente de hidrógeno y helio. No se sabe con certeza por qué sus vórtices polares son tan diferentes".

Los científicos del MIT se propusieron identificar un mecanismo físico que explicara por qué un planeta podría desarrollar un solo vórtice, mientras que el otro alberga múltiples. Para ello, trabajaron con un modelo bidimensional de dinámica de fluidos superficiales. Si bien un vórtice polar es tridimensional, el equipo razonó que podrían representar con precisión la evolución de vórtices en dos dimensiones, ya que la rápida rotación de Júpiter y Saturno impone un movimiento uniforme a lo largo del eje de rotación.

"En un sistema de rotación rápida, el movimiento del fluido tiende a ser uniforme a lo largo del eje de rotación", explica Kang. "Por lo tanto, nos motivó la idea de que podemos reducir un problema dinámico 3D a uno 2D, ya que el patrón del fluido no cambia en 3D. Esto hace que simular y estudiar el problema sea cientos de veces más rápido y económico".

Siguiendo este razonamiento, el equipo desarrolló un modelo bidimensional de la evolución de vórtices en un gigante gaseoso, basado en una ecuación existente que describe cómo evoluciona el fluido en remolino con el tiempo.

"Esta ecuación se ha utilizado en muchos contextos, incluso para modelar ciclones de latitudes medias en la Tierra", detalla Kang. "Adaptamos la ecuación a las regiones polares de Júpiter y Saturno". El equipo aplicó su modelo bidimensional para simular la evolución del fluido con el tiempo en un gigante gaseoso bajo diferentes escenarios. En cada escenario, el equipo varió el tamaño del planeta, su velocidad de rotación, su calentamiento interno y la suavidad o dureza del fluido en rotación, entre otros parámetros. Posteriormente, establecieron una condición de "ruido" aleatorio, en la que el fluido fluía inicialmente siguiendo patrones aleatorios sobre la superficie del planeta. Finalmente, observaron la evolución del fluido con el tiempo dadas las condiciones específicas del escenario.

A lo largo de múltiples simulaciones, observaron que algunos escenarios evolucionaron para formar un único gran vórtice polar, como Saturno, mientras que otros formaron múltiples vórtices más pequeños, como Júpiter.

Tras analizar las combinaciones de parámetros y variables en cada escenario y su relación con el resultado final, llegaron a un único mecanismo para explicar si evoluciona un solo vórtice o varios: a medida que los movimientos aleatorios de los fluidos comienzan a fusionarse en vórtices individuales, el tamaño de un vórtice está limitado por la suavidad de su fondo. Cuanto más suave o ligero sea el gas que gira en el fondo de un vórtice, más pequeño será este al final, lo que permite la coexistencia de múltiples vórtices de menor escala en el polo de un planeta, similares a los de Júpiter.

Por el contrario, cuanto más duro o denso sea el fondo de un vórtice, más grande puede llegar a ser el sistema, hasta un tamaño tal que eventualmente pueda seguir la curvatura del planeta como un único vórtice a escala planetaria, como el de Saturno.

Si este mecanismo es realmente el que está en juego en ambos gigantes gaseosos, sugeriría que Júpiter podría estar hecho de material más blando y ligero, mientras que Saturno podría albergar material más pesado en su interior.

"Lo que observamos desde la superficie, el patrón de fluidos en Júpiter y Saturno, podría revelarnos algo sobre el interior, como la suavidad del fondo", concluyen los investigadores.