Agencias/Ciudad de México.- Las tormentas que se desatan en las regiones polares del planeta Júpiter son impulsadas por procesos que conocen los físicos que estudian los océanos y la atmósfera de la Tierra.
Así lo muestra una nueva investigación dirigida por Lia Siegelman, oceanógrafa física del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego. Estas similitudes podrían incluso ayudar a facilitar una mejor comprensión de esos procesos en la Tierra.
Siegelman hizo por primera vez la conexión entre nuestro planeta y el gigante gaseoso en 2018, cuando notó una sorprendente similitud entre las imágenes de los enormes ciclones de Júpiter y la turbulencia oceánica que estaba estudiando. Para un físico, tanto el aire como el agua se consideran fluidos, por lo que aplicar la física oceánica a Júpiter no es tan descabellado como parece, dijo Siegelman en un comunicado. “Júpiter es básicamente un océano de gas”.
Esta observación inicial llevó a Siegelman a ser coautor de un estudio de 2022 publicado en Nature Physics que analizó imágenes infrarrojas de alta resolución de los ciclones de Júpiter tomadas por la nave espacial Juno de la NASA. El análisis reveló que un tipo de convección similar a la que se ve en la Tierra ayuda a mantener las tormentas de Júpiter, que pueden tener miles de kilómetros de ancho y durar años.
El estudio de 2022 se centró directamente en los ciclones de Júpiter, pero Siegelman también vio zarcillos tenues, conocidos por los investigadores como filamentos, en los espacios entre los vórtices gaseosos. Estos filamentos también tenían análogos terrestres, y Siegelman utilizó las imágenes detalladas de Juno para estudiar si esta similitud con los procesos oceánicos y atmosféricos de nuestro planeta era meramente superficial.
Publicado en Nature Physics, el estudio de seguimiento de Siegelman encuentra similitudes adicionales entre los procesos que alimentan los ciclones de Júpiter y los que actúan en la Tierra. El estudio muestra que los filamentos entre los ciclones de Júpiter actúan en concierto con la convección para promover y sostener las tormentas gigantes del planeta. En concreto, los filamentos de Júpiter actúan de forma similar a lo que los oceanógrafos y meteorólogos llaman frentes en la Tierra.
Los frentes suelen ser objeto de debate en los pronósticos meteorológicos (frentes fríos o frentes de tormenta, por ejemplo), pero se aplican tanto a gases como a líquidos. Un frente es el límite entre masas de gas o líquido con diferentes densidades debido a diferencias en propiedades como la temperatura. En el océano, los frentes también pueden deberse a diferencias en la salinidad, que influye en la densidad del agua de mar junto con la temperatura. Una característica clave de los frentes es que sus bordes delanteros presentan fuertes velocidades verticales que pueden crear vientos o corrientes.
Para intentar comprender el papel de los filamentos que podía ver claramente entre los ciclones de Júpiter en las imágenes de Juno, Siegelman observó una serie de imágenes infrarrojas de Juno. El lote de imágenes era de la región polar norte de Júpiter y se tomaron en incrementos de 30 segundos.
El hecho de que las imágenes fueran en infrarrojo permitió a Siegelman y a su coautor Patrice Klein del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, el Instituto de Tecnología de California y la Escuela Normal Superior calcular la temperatura: las áreas brillantes eran más cálidas y las áreas oscuras, más frías. En Júpiter, las partes más calientes de la atmósfera corresponden a nubes delgadas y las partes más frías representan una capa de nubes espesa, que bloquea más calor que emana del núcleo supercalentado de Júpiter. Luego, los investigadores rastrearon el movimiento de las nubes y los filamentos a lo largo de los intervalos de 30 segundos que separan las fotografías para calcular las velocidades del viento horizontal.
Estos dos datos permitieron a Siegelman y Klein aplicar métodos de la ciencia oceánica y atmosférica a Júpiter, lo que les permitió calcular las velocidades del viento vertical que corresponderían a las temperaturas y las velocidades del viento horizontal que los investigadores derivaron de las imágenes. Una vez que el equipo calculó las velocidades del viento vertical, pudieron ver que los filamentos de Júpiter se estaban comportando de hecho como frentes en la Tierra.
Esas velocidades de viento verticales en los bordes de los frentes de Júpiter también significaban que los frentes estaban involucrados en el transporte de energía en forma de calor desde el interior caliente del planeta hasta su atmósfera superior, alimentando los ciclones gigantes. Aunque la convección es el principal impulsor, los frentes representan una cuarta parte de la energía cinética total que alimenta los ciclones de Júpiter y el cuarenta por ciento del transporte de calor vertical.
“Estos ciclones en los polos de Júpiter han persistido desde que se observaron por primera vez en 2016”, dijo Siegelman. “Estos filamentos entre los grandes vórtices son relativamente pequeños, pero son un mecanismo importante para sostener los ciclones. Es fascinante que los frentes y la convección estén presentes e influyan en la Tierra y Júpiter; sugiere que estos procesos también pueden estar presentes en otros cuerpos fluidos turbulentos en el universo”.
Siegelman también dijo que la escala masiva de Júpiter y las imágenes de alta resolución de Juno pueden permitir una visualización más clara de las formas en que los fenómenos de menor escala, como los frentes, se conectan con los de mayor escala, como los ciclones y la atmósfera en general. Estas conexiones a menudo son difíciles de observar en la Tierra, donde son mucho más pequeñas y efímeras. Sin embargo, agregó, un nuevo satélite largamente esperado, conocido por los investigadores como SWOT, está listo para hacer que este tipo de fenómenos oceánicos sean mucho más fáciles de observar.
“Hay cierta belleza cósmica en descubrir que estos mecanismos físicos de la Tierra existen en otros planetas lejanos”, dijo Siegelman.
En el estudio, todos los cálculos se realizan en el espacio espectral, lo que nos permite aislar de manera fácil y precisa diferentes rangos de escala. Antes de realizar la transformada de Fourier de cualquier variable dada, aplicamos dos pasos. Primero, hacemos que la variable sea doblemente periódica aplicando una simetría especular en las direcciones xey. La realización de análisis espectrales en un dominio doblemente periódico mejora considerablemente la precisión del resultado en comparación con los métodos de ventanas, que amortiguan tanto la escala grande como la pequeña y pueden cambiar la amplitud y la pendiente de la densidad de un espectro de potencia. En segundo lugar, se elimina la tendencia de la variable restando el valor medio.
Los vientos horizontales se calculan siguiendo las características de las nubes entre dos observaciones infrarrojas superpuestas separadas por 16 minutos utilizando el software Tracker del JPL4 con una resolución de 10 km. Ese conjunto de datos tiene el nombre de archivo “vector de velocidad” en los Datos complementarios. Para eliminar el ruido restante a pequeña escala, aplicamos un filtro Butterworth de orden 1 con una longitud de onda de corte de 250 km. Analizamos un total de dos mosaicos de viento (derivados de un total de 48 imágenes infrarrojas), arrojando resultados similares. En Main, mostramos resultados para el área de mayor cobertura, utilizando los mosaicos n01 y n03. Tenga en cuenta que el uso de vectores de velocidad y mapas de brillo infrarrojo proyectados en una cuadrícula de 15 km por píxel como se hace en produce resultados similares. Un análisis de la propagación del error indica que los errores asociados con las mediciones del viento se limitan a escalas inferiores a ~50 km y, por lo tanto, no afectan las conclusiones de su estudio.
