El clima polar en Júpiter y Saturno revela secretos sobre el interior de los planetas

Los patrones climáticos polares observados en Júpiter y Saturno han intrigado durante décadas a la comunidad científica, ya que ambos planetas, a pesar de compartir tamaño y composición, presentan vórtices polares radicalmente diferentes.

De acuerdo con una investigación realizada por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y publicada esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, esta disparidad podría deberse a diferencias fundamentales en la estructura interna de cada planeta, lo que permitiría deducir aspectos desconocidos de sus profundidades a partir de sus fenómenos atmosféricos más visibles.

El descubrimiento clave de este estudio consiste en la relación entre la “suavidad” o “dureza” de la base material sobre la que emergen los vórtices y los esquemas atmosféricos que terminan formándose. Según concluyó el equipo, en Saturno, la existencia de un fondo más denso y rígido facilitaría la consolidación de un único vórtice polar masivo, que adquiere una forma hexagonal singular y abarca el polo norte con una extensión de aproximadamente 29.000 kilómetros de ancho.

Por el contrario, en Júpiter, una base más ligera frenaría el crecimiento de cada vórtice, propiciando en su polo norte la formación simultánea de grandes remolinos dispuestos en torno a un vórtice central, alcanzando cada uno de ellos dimensiones cercanas a 4.800 kilómetros, como evidencian las imágenes captadas por la sonda Juno de la NASA desde su llegada en 2016.

Más datos del estudio

Shi, autor principal del artículo y estudiante de posgrado del MIT, sostuvo: “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”. Añadió que: “Esto es importante porque, posiblemente, bajo la superficie de Saturno, el interior está más enriquecido con metales y contiene más material condensable, lo que le permite una estratificación más fuerte que la de Júpiter. Esto ampliaría nuestra comprensión de estos gigantes gaseosos”.

Hasta ahora, el contraste entre ambos mundos había sido considerado un enigma sin resolver, dado que tanto Júpiter como Saturno se componen principalmente de hidrógeno y helio y mantienen tamaños comparables. Sin embargo, las misiones espaciales han documentado la diferencia: la sonda Cassini de la NASA, durante su misión de 13 años hasta 2017, registró el vórtice hexagonal sobre el polo norte de Saturno, mientras que Juno ha mostrado el complejo sistema de ocho vórtices secundarios circulando sobre el polo de Júpiter.

Shi declaró: “Se ha dedicado mucho tiempo a descifrar las diferencias entre Júpiter y Saturno. 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”.

Para abordar este dilema, el equipo dirigido por Wanying Kang, profesor adjunto en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT, simuló digitalmente distintos escenarios físicos fundamentados en las imágenes recogidas por Juno y Cassini. Su modelo, que emplea ecuaciones de dinámica de fluidos previamente utilizadas para estudiar ciclones terrestres de latitudes medias, permitió simplificar la complejidad de estos sistemas.

Kang sostuvo que bajo las condiciones de rotación rápida presentes en ambos planetas, los movimientos de los fluidos tienden a uniformizarse a lo largo del eje de rotación.

Esto justifica la representación bidimensional empleada por el equipo, ya que, de acuerdo con Kang: “En un sistema de rotación rápida, el movimiento del fluido tiende a ser uniforme a lo largo del eje de rotación. 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”.

A partir de este modelo, el equipo evaluó multitud de combinaciones de variables: tamaño planetario, velocidad de rotación, calor interno y, en particular, el grado de suavidad o rigidez de la base gaseosa sobre la que evolucionan los vórtices.

Cada simulación partía de un patrón inicial caótico, con movimientos aleatorios en la atmósfera superior de los planetas. Luego, observaban cómo estos flujos se organizaban a lo largo del tiempo, produciendo en algunos casos agrupamientos de múltiples vórtices estables, similares a los de Júpiter, y en otros, la fusión de remolinos más pequeños en un solo vórtice dominante, tal como se aprecia en Saturno.

El vínculo establecido entre la profundidad gaseosa y la estructura del vórtice resulta, según Kang, tan novedoso como ilustrativo para la ciencia planetaria. Kang expresó: “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. 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”.

A lo largo de sus experimentos, Kang y Shi observaron que el tamaño máximo alcanzado por un vórtice es directamente proporcional a la “dureza” del fondo. Es decir, cuanto más denso o pesado sea el material situado bajo las nubes, mayor será la tendencia a formar un solo remolino gigante en lugar de fragmentarse en varios pequeños. En cambio, una base de composición más ligera limita el desarrollo de cada vórtice, facilitando la coexistencia de varios en torno al eje de rotación.

Según escribieron los autores, 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 dar lugar a 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 gigantesco ciclón de Saturno.

El modelo empleado requirió adaptar ecuaciones previamente válidas para comprender fenómenos terrestres y convertirlas en herramientas útiles para los gigantes del Sistema Solar. Kang explicó: “Esta ecuación se ha utilizado en muchos contextos, incluso para modelar ciclones de latitudes medias en la Tierra. Adaptamos la ecuación a las regiones polares de Júpiter y Saturno”.

Los investigadores también estudiaron las condiciones iniciales de “ruido”, es decir, aquellas en que los patrones atmosféricos emergen a partir de movimientos completamente aleatorios. De esta forma, comprobaron que la transición entre la formación de múltiples vórtices y la aparición de un único vórtice polar depende casi exclusivamente de la capacidad del fondo para absorber, retener o transferir el impulso generado por estos remolinos en expansión.

Como resultado de este análisis, el estudio sugiere que Saturno tendría un interior enriquecido con una proporción más alta de metales y materiales condensables, lo cual le confiere una estratificación más marcada. Este hecho permitiría que su polo norte exhiba el famoso vórtice hexagonal, que ha generado asombro desde su descubrimiento. Por su parte, Júpiter, con sus bandas de gases coloridos, derivaría su peculiar mosaico de vórtices polares múltiples de la diferencia en la rigidez del material a gran profundidad.

El artículo ubica la raíz de la divergencia no en diferencias visibles o superficiales, sino en el corazón mismo de cada planeta, lo que abre la puerta a investigar el interior de los planetas gigantes mediante el análisis de sus estructuras atmosféricas. Kang resumió la trascendencia de este avance al afirmar que, por primera vez, se logra vincular la variabilidad de los fenómenos atmosféricos con diferencias internas profundas no accesibles por otros medios.