La atmósfera joviana y la gran mancha roja
La Gran Mancha Roja de Júpiter
La Gran Mancha Roja de Júpiter es un óvalo gigante de nubes de color carmesí en el hemisferio sur de Júpiter que corre en sentido antihorario alrededor del perímetro del óvalo con velocidades de viento mayores que cualquier tormenta en la Tierra. Midiendo 10.000 millas (16.000 kilómetros) de ancho a partir del 3 de abril de 2017, la Gran Mancha Roja es 1,3 veces más ancha que la Tierra.
Juno descubrió que las raíces de la Gran Mancha Roja son de 50 a 100 veces más profundas que los océanos de la Tierra y más cálidas en la base que en la cima. Los vientos están asociados con las diferencias de temperatura, y la calidez de la base del lugar explica los vientos feroces que vemos en la parte superior de la atmósfera.
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| La gran mancha roja de Júpiter. Créditos: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Gerald Eichstadt / Justin Cowart |
El futuro de la Gran Mancha Roja aún está en debate. Si bien la tormenta ha sido monitoreada desde 1830, posiblemente haya existido por más de 350 años. En el siglo XIX, la Gran Mancha Roja tenía más de dos Tierras de ancho. Pero en los tiempos modernos, la Gran Mancha Roja parece estar disminuyendo en tamaño, medida por los telescopios y las naves espaciales. En el momento en que los Voyagers 1 y 2 de la NASA corrieron por Júpiter en su camino a Saturno y más allá, en 1979, la Gran Mancha Roja tenía dos veces el diámetro de la Tierra. En la actualidad, las mediciones realizadas con telescopios basados en la Tierra indican que el óvalo sobre el que Juno sobrevoló ha disminuido en ancho en un tercio y la altura en un octavo desde tiempos de la Voyager
Juno también ha detectado una nueva zona de radiación, justo encima de la atmósfera del gigante gaseoso, cerca del ecuador. La zona incluye hidrógeno enérgico, oxígeno e iones de azufre moviéndose a una velocidad casi liviana.
La nueva zona fue identificada por la investigación del Instrumento de Detección de Partículas Energéticas de Júpiter (JEDI). Se cree que las partículas derivan de átomos neutros energéticos (iones de movimiento rápido sin carga eléctrica) creados en el gas alrededor de las lunas de Júpiter Io y Europa. Los átomos neutros se convierten en iones cuando sus electrones son eliminados por la interacción con la atmósfera superior de Júpiter.
Juno también encontró firmas de una población de iones pesados de alta energía dentro de los bordes internos del cinturón de radiación de electrones relativista de Júpiter, una región dominada por electrones que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Las firmas se observan durante los encuentros de alta latitud de Juno con el cinturón de electrones, en regiones nunca exploradas por naves espaciales anteriores. El origen y la especie exacta de estas partículas aún no se comprende. La cámara estelar de la Unidad de Referencia Estelar (SRU-1) de Juno detecta las firmas de esta población como firmas de ruido extremadamente altas en imágenes recopiladas por la investigación de monitoreo de radiación de la misión.
Velocidad del viento de la tormenta
En la Gran Mancha Roja de Júpiter, una tormenta que se ha estado agitando durante siglos, su "carril exterior" se mueve más rápido que su "carril interior", y sigue aumentando su velocidad. Al analizar los datos a largo plazo de este anillo de alta velocidad, los investigadores han descubierto que la velocidad del viento ha aumentado hasta en un 8 por ciento entre 2009 y 2020. Estos hallazgos solo se pudieron hacer con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA, que ha acumulado más de 10 años de observaciones regulares, actuando como un observador de tormentas para los planetas de nuestro Sistema Solar.
Los investigadores que analizan los "informes de tormentas" regulares del Hubble han descubierto que la velocidad media del viento justo dentro de los límites de la tormenta, conocida como anillo de alta velocidad, ha aumentado hasta en un 8 por ciento entre 2009 y 2020. En contraste, los vientos cerca de la región más interna de la mancha roja se está moviendo significativamente más lentamente.
Las nubes de colores de la tormenta masiva giran en sentido antihorario a velocidades que superan los 640 kilómetros por hora, y el vórtice es más grande que la Tierra misma. La Mancha Roja es legendaria en parte porque los humanos la han observado durante más de 150 años.
La atmósfera joviana
La atmósfera de este planeta gigante está hecha principalmente de hidrógeno y helio, y también contiene metano, amoníaco, hidrosulfito y agua en menores cantidades. La capa externa de la nube está hecha de amoníaco congelado. Debajo de ella, hay una capa de partículas sólidas de hidrosulfito de amonio y, aún más abajo, cerca de 80 kilómetros debajo de la capa externa, hay una capa de agua líquida. Las nubes más altas forman los característicos anillos cafés y zonas blancas visibles desde la Tierra.
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| Esta ilustración utiliza datos obtenidos por la misión Juno de la NASA para representar tormentas eléctricas a gran altitud en Júpiter. La sensible cámara de la Unidad de Referencia Estelar de Juno detectó destellos de rayos inusuales en el lado oscuro de Júpiter durante los sobrevuelos cercanos de la nave espacial al planeta. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Gerald Eichstädt |
Muchas de las tormentas que azotan Júpiter se producen dentro de esos anillos. Son comparables a las tormentas que hay en la Tierra, y generalmente también se observan relámpagos. En la luz visible, estas tormentas tienen el aspecto de nubes pequeñas y brillantes, causadas por chorros que afectan a los cinturones y pueden ser visibles durante meses o incluso años.
Unos astrónomos aficionados observaron una erupción en el Cinturón Ecuatorial Sur de Júpiter en enero de 2017. Al principio se observó un pequeño chorro blanco y brillante, y luego una gran mancha en el cinturón que se prolongó durante varias semanas.
Las observaciones con ALMA fueron las primeras en mostrar que se producen altas concentraciones de gas de amoníaco durante estas erupciones. La combinación de observaciones realizadas simultáneamente en distintas longitudes de onda nos permitió estudiar la erupción en detalle. Esto nos ayudó a confirmar la teoría de que los chorros energéticos son provocados por la convección de humedad en la base de las nubes de agua, ubicadas en las capas inferiores de la atmósfera. Estas nubes hacen subir el gas de amoníaco desde la profundidad de la atmósfera hasta una gran altitud, muy por encima de la nube de amoníaco principal de la capa superior
La sonda Juno trabajando
El radiómetro de microondas de Juno (MWR) permite a los científicos de la misión mirar debajo de las nubes de Júpiter y sondear la estructura de sus numerosas tormentas de vórtice. La más famosa de estas tormentas es el icónico anticiclón conocido como la Gran Mancha Roja. Más ancho que la Tierra, este vórtice carmesí ha intrigado a los científicos desde su descubrimiento hace casi dos siglos.
Los nuevos resultados muestran que los ciclones son más cálidos en la parte superior, con densidades atmosféricas más bajas, mientras que son más fríos en la parte inferior, con densidades más altas. Los anticiclones, que giran en la dirección opuesta, son más fríos en la parte superior pero más cálidos en la parte inferior.
Los hallazgos también indican que estas tormentas son mucho más altas de lo esperado, algunas se extienden 60 millas (100 kilómetros) por debajo de las cimas de las nubes y otras, incluida la Gran Mancha Roja, se extienden más de 200 millas (350 kilómetros). Este sorprendente descubrimiento demuestra que los vórtices cubren regiones más allá de aquellas donde el agua se condensa y se forman las nubes, por debajo de la profundidad donde la luz solar calienta la atmósfera.
La altura y el tamaño de la Gran Mancha Roja significa que la concentración de masa atmosférica dentro de la tormenta podría ser potencialmente detectable por instrumentos que estudian el campo gravitatorio de Júpiter. Dos sobrevuelos cercanos de Juno sobre el lugar más famoso de Júpiter brindaron la oportunidad de buscar la firma de gravedad de la tormenta y complementar los resultados de MWR en su profundidad.
Cinturones y zonas
Además de los ciclones y anticiclones, Júpiter es conocido por sus cinturones y zonas distintivos: bandas de nubes blancas y rojizas que envuelven el planeta. Los fuertes vientos de este a oeste que se mueven en direcciones opuestas separan las bandas. Juno descubrió previamente que estos vientos, o corrientes en chorro, alcanzan profundidades de aproximadamente 2.000 millas (aproximadamente 3.200 kilómetros). Los investigadores todavía están tratando de resolver el misterio de cómo se forman las corrientes en chorro. Los datos recopilados por el MWR de Juno durante múltiples pasadas revelan una posible pista: que el gas amoniaco de la atmósfera viaja hacia arriba y hacia abajo en notable alineación con las corrientes en chorro observadas.
Ciclones polares
Juno descubrió previamente arreglos poligonales de tormentas ciclónicas gigantes en ambos polos de Júpiter: ocho dispuestos en un patrón octogonal en el norte y cinco en un patrón pentagonal en el sur. Ahora, cinco años después, los científicos de la misión que utilizan observaciones del Mapeador de auroras infrarrojas jovianas (JIRAM) de la nave espacial han determinado que estos fenómenos atmosféricos son extremadamente resistentes y permanecen en la misma ubicación.
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| Un sexto ciclón se ha unido a la configuración de los ciclones circumpolares en el Polo Sur de Júpiter. Una serie de imágenes de JunoCam del pase cercano 23 de Juno de Júpiter (Perijove 23) el 3 de noviembre de 2019 ha revelado un sexto ciclón circumpolar en el grupo alrededor del polo sur de Júpiter. Un solo ciclón está ubicado cerca del polo sur geográfico, y hasta ahora ha estado rodeado por cinco ciclones. Los cinco ciclones fueron descubiertos en imágenes adquiridas al principio de la misión Juno, pero su posicionamiento nunca fue un pentágono perfecto. Siempre hubo una brecha entre los ciclones 1 y 2 que variaba en extensión. Ahora el número seis se ha desplazado hacia esa brecha, formando un pentágono casi perfecto. El nuevo ciclón se había observado anteriormente cerca. Un examen minucioso a alta resolución (figura 1) revela un movimiento ciclónico en el centro oscuro. El núcleo oscuro tiene 870 millas (1,400 kilómetros de diámetro), con el anillo exterior brillante de 1,200 millas (2,000 kilómetros) de diámetro. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS. |
Rayos y relámpagos en la superficie de Júpiter
Los nuevos resultados de la misión Juno de la NASA en Júpiter sugieren que el planeta más grande de nuestro sistema solar es el hogar de lo que se llama "relámpagos poco profundos". Una forma inesperada de descarga eléctrica, los relámpagos poco profundos se originan en nubes que contienen una solución de amoníaco y agua, mientras que los relámpagos en la Tierra se originan en nubes de agua.
Otros nuevos hallazgos sugieren que las violentas tormentas eléctricas por las que se conoce al gigante gaseoso pueden formar granizos fangosos ricos en amoníaco que el equipo científico de Juno llama "bolas de hongo"; Teorizan que las bolas de hongo esencialmente secuestran el amoníaco y el agua en la atmósfera superior y los llevan a las profundidades de la atmósfera de Júpiter.
Becker y su equipo sugieren que las poderosas tormentas eléctricas de Júpiter arrojan cristales de agua y hielo a lo alto de la atmósfera del planeta, a más de 16 millas (25 kilómetros) por encima de las nubes de agua de Júpiter, donde encuentran vapor de amoníaco atmosférico que derrite el hielo, formando una nueva solución de amoníaco. A una altitud tan elevada, las temperaturas están por debajo de menos 126 grados Fahrenheit (menos 88 grados Celsius), demasiado frío para que exista agua líquida pura.
Tormentas eléctricas jovianas
Las constantes tormentas de Júpiter son gigantescas en comparación con las de la Tierra, con tormentas eléctricas que alcanzan 40 millas desde la base hasta la parte superior, cinco veces más altas que las tormentas eléctricas típicas en la Tierra, y poderosos relámpagos hasta tres veces más enérgicos que los más grandes de la Tierra.
Al igual que los rayos en la Tierra, los rayos de Júpiter actúan como transmisores de radio, enviando ondas de radio y luz visible cuando destellan en el cielo. Los brotes de rayos están asociados con una combinación tripartita de estructuras de nubes: nubes profundas hechas de agua, grandes torres convectivas causadas por la afluencia de aire húmedo, esencialmente nubes de tormenta jovianas, y regiones despejadas presumiblemente causadas por la afluencia de aire más seco fuera de las torres convectivas, el estudio fue realizado por una combinación de telescopios, Hubble, Gemini y Juno.
Los datos del Hubble muestran la altura de las gruesas nubes en las torres convectivas, así como la profundidad de las nubes de aguas profundas. Los datos de Gemini revelan claramente los claros en las nubes de alto nivel donde es posible echar un vistazo a las nubes de aguas profundas.
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| Espesas nubes blancas están presentes en esta imagen de JunoCam de la zona ecuatorial de Júpiter. A frecuencias de microondas, estas nubes son transparentes, lo que permite que el radiómetro de microondas de Juno mida el agua en la atmósfera de Júpiter. La imagen fue adquirida durante el sobrevuelo de Juno el 16 de diciembre de 2017. Créditos: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Kevin M. Gill. |
Agua en la atmósfera de Júpiter
La misión Juno de la NASA ha proporcionado sus primeros resultados científicos sobre la cantidad de agua en la atmósfera de Júpiter. Los resultados de Juno estiman que en el ecuador, el agua constituye aproximadamente el 0,25% de las moléculas en la atmósfera de Júpiter, casi tres veces la del Sol. Estos también son los primeros hallazgos sobre la abundancia de agua del gigante gaseoso desde que la misión Galileo de la agencia en 1995 sugirió que Júpiter podría estar extremadamente seco en comparación con el Sol (la comparación no se basa en agua líquida sino en la presencia de sus componentes, oxígeno e hidrógeno, presente en el sol).
Júpiter probablemente fue el primer planeta en formarse, y contiene la mayor parte del gas y el polvo que no se incorporó al Sol.
Las principales teorías sobre su formación descansan en la cantidad de agua que absorbió el planeta. La abundancia de agua también tiene implicaciones importantes para la meteorología del gigante gaseoso (cómo fluyen las corrientes de viento en Júpiter) y la estructura interna. Si bien los rayos, un fenómeno típicamente alimentado por la humedad, detectado en Júpiter por Voyager y otras naves espaciales implicaban la presencia de agua, una estimación precisa de la cantidad de agua en las profundidades de la atmósfera de Júpiter seguía siendo esquiva.
Antes de que la sonda Galileo dejara de transmitir y durante los 57 minutos en su descenso joviano en diciembre de 1995, la sonda envió por radio mediciones espectrométricas de la cantidad de agua en la atmósfera del gigante gaseoso hasta una profundidad de aproximadamente 75 millas (120 kilómetros), donde la presión atmosférica alcanzó aproximadamente 320 libras por pulgada cuadrada (22 bar). Los científicos que trabajan en los datos quedaron consternados al encontrar diez veces menos agua de lo esperado.
Aún más sorprendente: la cantidad de agua que midió la sonda Galileo parecía seguir aumentando a la mayor profundidad medida, muy por debajo de donde las teorías sugieren que la atmósfera debería estar bien mezclada. En una atmósfera bien mezclada, el contenido de agua es constante en toda la región y es más probable que represente un promedio global; en otras palabras, es más probable que sea representativo del agua en todo el planeta. Cuando se combina con un mapa infrarrojo obtenido al mismo tiempo por un telescopio terrestre, los resultados sugieren que la misión de la sonda puede haber sido desafortunada, muestreando un punto meteorológico inusualmente seco y cálido en Júpiter.
