La atmósfera de Júpiter es la atmósfera planetaria más grande del Sistema Solar . Está compuesto principalmente de hidrógeno molecular y helio en proporciones aproximadamente solares ; otros compuestos químicos están presentes sólo en pequeñas cantidades e incluyen metano , amoníaco , sulfuro de hidrógeno y agua . Aunque se cree que el agua reside en las profundidades de la atmósfera, su concentración medida directamente es muy baja. La abundancia de nitrógeno , azufre y gases nobles en la atmósfera de Júpiter supera los valores solares en un factor de aproximadamente tres. [2]
La atmósfera de Júpiter carece de un límite inferior claro y gradualmente pasa al interior líquido del planeta. [3] De menor a mayor, las capas atmosféricas son la troposfera , la estratosfera , la termosfera y la exosfera . Cada capa tiene gradientes de temperatura característicos . [4] La capa más baja, la troposfera, tiene un complicado sistema de nubes y brumas, que comprende capas de amoníaco, hidrosulfuro de amonio y agua. [5] Las nubes superiores de amoníaco visibles en la superficie de Júpiter están organizadas en una docena de bandas zonales paralelas al ecuador y están limitadas por poderosos flujos atmosféricos zonales (vientos) conocidos como chorros, que exhiben un fenómeno conocido como superrotación atmosférica . Las bandas se alternan en color: las bandas oscuras se llaman cinturones , mientras que las claras se llaman zonas . Las zonas más frías que los cinturones corresponden a surgencias, mientras que los cinturones marcan el descenso de gas. [6] Se cree que el color más claro de las zonas es el resultado del hielo de amoníaco; No se sabe con certeza qué es lo que da a los cinturones sus colores más oscuros. [6] Los orígenes de la estructura de bandas y los chorros no se comprenden bien, aunque existen un "modelo superficial" y un "modelo profundo". [7]
La atmósfera joviana muestra una amplia gama de fenómenos activos, incluidas inestabilidades de bandas, vórtices ( ciclones y anticiclones ), tormentas y relámpagos. [8] Los vórtices se revelan como grandes manchas rojas, blancas o marrones (óvalos). Los dos puntos más grandes son la Gran Mancha Roja (GRS) [9] y el Óvalo BA, [10] que también es rojo. Estos dos y la mayoría de los otros puntos grandes son anticiclónicos. Los anticiclones más pequeños tienden a ser blancos. Se cree que los vórtices son estructuras relativamente poco profundas con profundidades que no superan varios cientos de kilómetros. Ubicado en el hemisferio sur, el GRS es el vórtice más grande conocido en el Sistema Solar. Podría abarcar dos o tres Tierras y existe desde hace al menos trescientos años. Oval BA, al sur de GRS, es una mancha roja de un tercio del tamaño de GRS que se formó en 2000 a partir de la fusión de tres óvalos blancos. [11]
Júpiter tiene tormentas poderosas, a menudo acompañadas de rayos. Las tormentas son el resultado de la convección húmeda en la atmósfera relacionada con la evaporación y condensación del agua. Son sitios de fuerte movimiento ascendente del aire, lo que conduce a la formación de nubes brillantes y densas. Las tormentas se forman principalmente en las regiones del cinturón. Los rayos que caen sobre Júpiter son cientos de veces más potentes que los que caen sobre la Tierra y se supone que están asociados con las nubes de agua. [12] Observaciones recientes de Juno sugieren que los rayos jovianos ocurren por encima de la altitud de las nubes de agua (3-7 bares). [13] Una separación de carga entre las gotas de agua y amoníaco líquido que caen y las partículas de hielo de agua puede generar rayos a mayor altitud. [13] También se han observado rayos en la atmósfera superior a 260 km por encima del nivel de 1 barra. [14]
La atmósfera de Júpiter se clasifica en cuatro capas, según aumenta la altitud: la troposfera , la estratosfera , la termosfera y la exosfera . A diferencia de la atmósfera terrestre , la de Júpiter carece de mesosfera . [15] Júpiter no tiene una superficie sólida, y la capa atmosférica más baja, la troposfera, realiza una transición suave hacia el interior fluido del planeta. [3] Esto es el resultado de tener temperaturas y presiones muy por encima de las de los puntos críticos para el hidrógeno y el helio, lo que significa que no existe un límite definido entre las fases gaseosa y líquida. El hidrógeno se considera un fluido supercrítico cuando la temperatura es superior a 33 K y la presión es superior a 13 bar. [3]
Dado que el límite inferior de la atmósfera no está bien definido, el nivel de presión de 10 bares , a una altitud de unos 90 km por debajo de 1 bar con una temperatura de alrededor de 340 K , se considera comúnmente como la base de la troposfera. [4] En la literatura científica, el nivel de presión de 1 bar se suele elegir como punto cero para las altitudes: una "superficie" de Júpiter. [3] Como suele ser el caso, la capa atmosférica superior, la exosfera, no tiene un límite superior específico. [16] La densidad disminuye gradualmente hasta que pasa suavemente al medio interplanetario aproximadamente a 5.000 km sobre la "superficie". [17]
Los gradientes verticales de temperatura en la atmósfera joviana son similares a los de la atmósfera de la Tierra . La temperatura de la troposfera disminuye con la altura hasta alcanzar un mínimo en la tropopausa , [18] que es el límite entre la troposfera y la estratosfera. En Júpiter, la tropopausa está aproximadamente a 50 km por encima de las nubes visibles (o al nivel de 1 barra). La presión y la temperatura en la tropopausa son aproximadamente 0,1 bar y 110 K. [4] [19] (Esto da una caída de 340−110=230 °C en 90+50=140 km. El gradiente adiabático en la Tierra es de aproximadamente 9,8 °C por km. El gradiente adiabático es proporcional al peso molecular medio y a la fuerza gravitacional (esta última es unas 2,5 veces más fuerte que en la Tierra, pero el peso molecular medio es unas 15 veces menor.) En la estratosfera, la las temperaturas aumentan hasta unos 200 K en la transición a la termosfera, a una altitud y presión de unos 320 km y 1 μbar. [4] En la termosfera, las temperaturas continúan aumentando, hasta alcanzar finalmente los 1000 K a unos 1000 km, donde la presión es de aproximadamente 1 nbar. [20]
La troposfera de Júpiter contiene una estructura de nubes complicada. [21] Las nubes superiores, situadas en el rango de presión de 0,6 a 0,9 bar, están formadas por hielo de amoníaco. [22] Debajo de estas nubes de hielo de amoníaco, se cree que nubes más densas hechas de hidrosulfuro de amonio ((NH 4 )SH) o sulfuro de amonio ((NH 4 ) 2 S, entre 1 y 2 bar) y agua (3 a 7 bar). existir. [23] [24] No hay nubes de metano ya que las temperaturas son demasiado altas para que se condense. [21] Las nubes de agua forman la capa más densa de nubes y tienen la mayor influencia en la dinámica de la atmósfera. Esto es el resultado del mayor calor de condensación del agua y la mayor abundancia de agua en comparación con el amoníaco y el sulfuro de hidrógeno (el oxígeno es un elemento químico más abundante que el nitrógeno o el azufre). [15] Varias capas de neblina troposférica (entre 200 y 500 mbar) y estratosférica (entre 10 y 100 mbar) residen encima de las principales capas de nubes. [23] [25] Las capas de neblina estratosférica están formadas por hidrocarburos aromáticos policíclicos pesados condensados o hidrazina , que se generan en la estratosfera superior (1–100 μbar) a partir de metano bajo la influencia de la radiación ultravioleta (UV) solar. [21] La abundancia de metano en relación con el hidrógeno molecular en la estratosfera es de aproximadamente 10 −4 , [17] mientras que la proporción de abundancia de otros hidrocarburos ligeros, como el etano y el acetileno, con respecto al hidrógeno molecular es de aproximadamente 10 −6 . [17]
La termosfera de Júpiter se encuentra a presiones inferiores a 1 μbar y presenta fenómenos como el resplandor del aire , las auroras polares y las emisiones de rayos X. [26] Dentro de él se encuentran capas de mayor densidad de electrones e iones que forman la ionosfera . [17] Las altas temperaturas que prevalecen en la termosfera (800-1000 K) aún no se han explicado; [20] los modelos existentes predicen una temperatura no superior a unos 400 K. [17] Pueden ser causados por la absorción de radiación solar de alta energía (UV o rayos X), por el calentamiento de las partículas cargadas que precipitan de la magnetosfera joviana, o por disipación de ondas de gravedad que se propagan hacia arriba . [27] La termosfera y la exosfera en los polos y en latitudes bajas emiten rayos X, que fueron observados por primera vez por el Observatorio Einstein en 1983. [28] Las partículas energéticas provenientes de la magnetosfera de Júpiter crean brillantes óvalos aurorales que rodean los polos. A diferencia de sus análogos terrestres, que aparecen sólo durante las tormentas magnéticas , las auroras son características permanentes de la atmósfera de Júpiter. [28] La termosfera fue el primer lugar fuera de la Tierra donde el catión trihidrógeno ( H+
3) fue descubierto. [17] Este ion emite fuertemente en la parte del infrarrojo medio del espectro, en longitudes de onda entre 3 y 5 μm; este es el principal mecanismo de enfriamiento de la termosfera. [26]
La composición de la atmósfera de Júpiter es similar a la del planeta en su conjunto. [2] La atmósfera de Júpiter es la más comprendida de todos los gigantes gaseosos porque fue observada directamente por la sonda atmosférica Galileo cuando entró en la atmósfera joviana el 7 de diciembre de 1995. [29] Otras fuentes de información sobre la composición atmosférica de Júpiter incluyen el Observatorio Espacial Infrarrojo (ISO), [30] los orbitadores Galileo y Cassini , [31] y observaciones desde la Tierra. [2]
Los dos componentes principales de la atmósfera joviana son el hidrógeno molecular ( H
2) y helio . [2] La abundancia de helio es 0,157 ± 0,004 en relación con el hidrógeno molecular por número de moléculas, y su fracción de masa es 0,234 ± 0,005 , que es ligeramente inferior al valor primordial del Sistema Solar . [2] La razón de esta baja abundancia no se comprende del todo, pero parte del helio puede haberse condensado en el núcleo de Júpiter. [22] Es probable que esta condensación se produzca en forma de lluvia de helio: cuando el hidrógeno pasa al estado metálico a profundidades de más de 10.000 km, el helio se separa formando gotas que, al ser más densas que el hidrógeno metálico, descienden hacia el núcleo. . Esto también puede explicar el grave agotamiento del neón (ver tabla), un elemento que se disuelve fácilmente en gotas de helio y que también sería transportado en ellas hacia el núcleo. [32]
La atmósfera contiene varios compuestos simples como agua , metano (CH 4 ), sulfuro de hidrógeno (H 2 S), amoníaco (NH 3 ) y fosfina (PH 3 ). [2] Su abundancia en la troposfera profunda (por debajo de 10 bar) implica que la atmósfera de Júpiter está enriquecida en elementos carbono , nitrógeno , azufre y posiblemente oxígeno [b] en un factor de 2 a 4 en relación con el Sol. [c] [2] Los gases nobles argón , criptón y xenón también aparecen en abundancia en relación con los niveles solares (ver tabla), mientras que el neón es más escaso. [2] Otros compuestos químicos como la arsina (AsH 3 ) y el germen (GeH 4 ) están presentes sólo en pequeñas cantidades. [2] La atmósfera superior de Júpiter contiene pequeñas cantidades de hidrocarburos simples como etano , acetileno y diacetileno , que se forman a partir de metano bajo la influencia de la radiación ultravioleta solar y partículas cargadas provenientes de la magnetosfera de Júpiter . [2] Se cree que el dióxido de carbono , el monóxido de carbono y el agua presentes en la atmósfera superior se originan a partir del impacto de cometas , como Shoemaker-Levy 9 . El agua no puede provenir de la troposfera porque la tropopausa fría actúa como una trampa fría, impidiendo efectivamente que el agua suba a la estratosfera (ver Estructura vertical arriba). [2]
Las mediciones realizadas desde la Tierra y desde naves espaciales han permitido mejorar el conocimiento de las proporciones isotópicas en la atmósfera de Júpiter. En julio de 2003, el valor aceptado para la abundancia de deuterio es (2,25 ± 0,35) × 10 −5 , [2] que probablemente representa el valor primordial en la nebulosa protosolar que dio origen al Sistema Solar. [30] La proporción de isótopos de nitrógeno en la atmósfera joviana, 15 N a 14 N , es 2,3 × 10 −3 , un tercio menor que la de la atmósfera terrestre (3,5 × 10 −3 ). [2] Este último descubrimiento es especialmente significativo ya que las teorías anteriores sobre la formación del Sistema Solar consideraban primordial el valor terrestre de la proporción de isótopos de nitrógeno. [30]
La superficie visible de Júpiter se divide en varias bandas paralelas al ecuador. Hay dos tipos de bandas: zonas de colores claros y cinturones relativamente oscuros . [6] La Zona Ecuatorial (EZ) más amplia se extiende entre latitudes de aproximadamente 7°S a 7°N. Por encima y por debajo de la EZ, los cinturones ecuatoriales norte y sur (NEB y SEB) se extienden hasta 18°N y 18°S, respectivamente. Más alejadas del ecuador se encuentran las zonas tropicales norte y sur (NtrZ y STrZ). [6] El patrón alterno de cinturones y zonas continúa hasta las regiones polares a aproximadamente 50 grados de latitud, donde su apariencia visible se vuelve algo apagada. [33]
La diferencia en la apariencia entre zonas y cinturones se debe a diferencias en la opacidad de las nubes. La concentración de amoníaco es mayor en algunas zonas, lo que provoca la aparición de nubes más densas de hielo de amoníaco en altitudes más altas, lo que a su vez da lugar a su color más claro. [18] Por otro lado, en los cinturones las nubes son más delgadas y se encuentran a altitudes más bajas. [18] La troposfera superior es más fría en zonas y más cálida en cinturones. [6] Se desconoce la naturaleza exacta de las sustancias químicas que hacen que las zonas y bandas jovianas sean tan coloridas, pero pueden incluir compuestos complicados de azufre , fósforo y carbono . [6]
Las bandas jovianas están delimitadas por flujos atmosféricos zonales (vientos), llamados chorros . Los chorros hacia el este ( progrados ) se encuentran en la transición de zonas a cinturones (alejándose del ecuador), mientras que los chorros hacia el oeste ( retrógrados ) marcan la transición de cinturones a zonas. [6] Estos patrones de velocidad de flujo significan que el impulso de los chorros hacia el este disminuye en los cinturones y aumenta en las zonas desde el ecuador hasta el polo. Por tanto, la cizalladura del viento en cinturones es ciclónica , mientras que en zonas es anticiclónica . [24] La EZ es una excepción a esta regla, ya que muestra un fuerte chorro hacia el este (progrado) y tiene un mínimo local de velocidad del viento exactamente en el ecuador. Las velocidades de los chorros son altas en Júpiter, alcanzando más de 100 m/s. [6] Estas velocidades corresponden a nubes de amoníaco situadas en el rango de presión de 0,7 a 1 bar. Los chorros progrados son generalmente más potentes que los retrógrados. [6] Los chorros se extienden miles de kilómetros hacia el interior, según lo medido por el instrumento gravitómetro a bordo de la nave espacial Juno . [34] La dirección en la que los chorros se extienden hacia el planeta es paralela al eje de rotación de Júpiter [35] en lugar de en una dirección radial (hacia el centro del planeta), consistente con el teorema de Taylor-Proudman . [36] La sonda Galileo midió el perfil vertical de un chorro a lo largo de su trayectoria de descenso hacia la atmósfera de Júpiter y encontró que los vientos decaen en dos o tres alturas de escala [a] por encima de las nubes, mientras que por debajo del nivel de las nubes, los vientos aumentan ligeramente y luego permanezca constante hasta al menos 22 bar, la profundidad operativa máxima alcanzada por la sonda. [19]
El origen de la estructura de bandas coloreadas de Júpiter no está del todo claro, aunque puede parecerse a la estructura de nubes de las células de Hadley de la Tierra . La interpretación más simple es que las zonas son sitios de surgencia atmosférica , mientras que los cinturones son manifestaciones de surgencia atmosférica . [37] Cuando el aire enriquecido en amoníaco asciende por zonas, se expande y se enfría, formando nubes blancas altas y densas. Sin embargo, en los cinturones el aire desciende, calentándose adiabáticamente como en una zona de convergencia de la Tierra, y las nubes blancas de amoníaco se evaporan, revelando nubes más bajas y más oscuras. La ubicación y el ancho de las bandas, la velocidad y la ubicación de los chorros en Júpiter son notablemente estables y han cambiado sólo ligeramente entre 1980 y 2000. Un ejemplo de cambio es la disminución de la velocidad del chorro más fuerte hacia el este, ubicado en el límite entre el Norte Tropical zona y cinturones templados del norte a 23°N. [7] [37] Sin embargo, las bandas varían en coloración e intensidad con el tiempo (ver "banda específica"). Estas variaciones se observaron por primera vez a principios del siglo XVII. [38]
Las células de circulación meridional son un movimiento atmosférico a gran escala en el que el gas asciende a una determinada latitud, viaja en dirección norte-sur (meridional), desciende y regresa al origen en una circulación de células cerradas. [39] En la Tierra, la circulación meridional está compuesta por 3 células en cada hemisferio: células de Hadley , Ferrel y Polar . En Júpiter, las bandas de nubes visibles indicaban un movimiento ascendente en las zonas y un movimiento descendente en los cinturones, indicativos sólo para las pocas barras superiores. [40] Sin embargo, la mayor frecuencia de relámpagos en los cinturones, indicativos de un movimiento atmosférico ascendente, dio indicios de un movimiento inverso en la atmósfera más profunda. [41] [42] Las mediciones de microondas de Juno sondean la atmósfera hasta ~240 bar. [43] Estas mediciones confirmaron la existencia de estos movimientos como parte de grandes células de circulación en latitudes medias con movimiento ascendente en los cinturones y movimientos descendentes en las zonas, que se extienden desde ~1 bar hasta al menos ~240 bar. [44] Hasta ahora, se han identificado 8 células en cada uno de los hemisferios de Júpiter a lo largo de las latitudes 20°-60° N\S. [44] Las células de latitud media son impulsadas por la rotura de ondas atmosféricas , similar a las células de Ferrel en la Tierra. [44] Mientras que en la Tierra, el flujo de retorno en la rama inferior de las células se equilibra mediante la fricción en la capa de Ekman , el equilibrio en Júpiter aún se desconoce, pero una posibilidad es que la fricción se mantenga mediante arrastre magnético. [45]
Los cinturones y zonas que dividen la atmósfera de Júpiter tienen cada uno sus propios nombres y características únicas. Comienzan debajo de las regiones polares norte y sur, que se extienden desde los polos hasta aproximadamente 40-48° N/S. Estas regiones de color gris azulado suelen carecer de rasgos distintivos. [33]
La Región Templada Norte Norte rara vez muestra más detalles que las regiones polares, debido al oscurecimiento de las extremidades , el escorzo y la dispersión general de las características. Sin embargo, el Cinturón Templado Norte-Norte (NNTB) es el cinturón distintivo más septentrional, aunque ocasionalmente desaparece. Los disturbios tienden a ser menores y de corta duración. La Zona Templada Norte-Norte (NNTZ) es quizás más prominente, pero también en general tranquila. Ocasionalmente se observan otros cinturones y zonas menores en la región. [46]
La Región Templada del Norte es parte de una región latitudinal fácilmente observable desde la Tierra y, por lo tanto, tiene un excelente historial de observación. [47] También presenta la corriente en chorro progrado más fuerte del planeta: una corriente occidental que forma el límite sur del Cinturón Templado del Norte (NTB). [47] El NTB se desvanece aproximadamente una vez por década (este fue el caso durante los encuentros de la Voyager ), lo que hace que la Zona Templada del Norte (NTZ) aparentemente se fusione con la Zona Tropical del Norte (NTropZ). [47] Otras veces, la NTZ está dividida por un cinturón estrecho en componentes norte y sur. [47]
La Región Tropical Norte está compuesta por la NTropZ y el Cinturón Ecuatorial Norte (NEB). La coloración del NTropZ es generalmente estable, cambiando de tinte solo en conjunto con la actividad en la corriente en chorro del sur del NTB. Al igual que la NTZ, a veces también está dividida por una banda estrecha, la NtropB. En raras ocasiones, el sur de NTropZ acoge "Pequeños puntos rojos". Como sugiere el nombre, estos son los equivalentes norteños de la Gran Mancha Roja. A diferencia de los GRS, tienden a presentarse en parejas y siempre son de corta duración, con una duración promedio de un año; uno estuvo presente durante el encuentro del Pioneer 10 . [48]
El NEB es uno de los cinturones más activos del planeta. Se caracteriza por óvalos blancos anticiclónicos y "barcazas" ciclónicas (también conocidas como "óvalos marrones"), y los primeros suelen formarse más al norte que los segundos; Al igual que en NTropZ, la mayoría de estas características tienen una duración relativamente corta. Al igual que el Cinturón Ecuatorial Sur (SEB), el NEB a veces se ha desvanecido y "revivido" dramáticamente. La escala de tiempo de estos cambios es de unos 25 años. [49]
La Región Ecuatorial (EZ) es una de las regiones más estables del planeta, en latitud y en actividad. El borde norte de la EZ alberga columnas espectaculares que se desplazan hacia el suroeste desde el NEB, las cuales están delimitadas por características oscuras y cálidas (en infrarrojo ) conocidas como festones (puntos calientes). [50] Aunque el límite sur de la EZ suele estar inactivo, las observaciones realizadas desde finales del siglo XIX hasta principios del XX muestran que este patrón se invirtió en relación con la actualidad. La coloración de la EZ varía considerablemente, desde un tono pálido hasta un tono ocre o incluso cobrizo; ocasionalmente está dividido por una Banda Ecuatorial (EB). [51] Las características en la EZ se mueven aproximadamente a 390 km/h en relación con las otras latitudes. [52] [53]
La Región Sur Tropical incluye el Cinturón Ecuatorial Sur (SEB) y la Zona Sur Tropical. Es, con diferencia, la región más activa del planeta, ya que alberga la corriente en chorro retrógrada más fuerte . El SEB suele ser el cinturón más ancho y oscuro de Júpiter; a veces se divide en una zona (la SEBZ) y puede desaparecer por completo cada 3 a 15 años antes de reaparecer en lo que se conoce como ciclo de reactivación de la SEB. Un período de semanas o meses después de la desaparición del cinturón, se forma una mancha blanca y hace erupción un material de color marrón oscuro que los vientos de Júpiter estiran hasta formar un nuevo cinturón. El cinturón desapareció por última vez en mayo de 2010. [54] Otra característica del SEB es una larga serie de perturbaciones ciclónicas que siguen a la Gran Mancha Roja. Al igual que la NTropZ, la STropZ es una de las zonas más destacadas del planeta; no sólo contiene el GRS, sino que ocasionalmente es desgarrado por una Perturbación Tropical del Sur (STropD), una división de la zona que puede ser de muy larga duración; el más famoso duró de 1901 a 1939. [55]
La Región Templada del Sur, o Cinturón Templado del Sur (STB), es otro cinturón oscuro y prominente, más que el NTB; Hasta marzo de 2000, sus características más famosas eran los óvalos blancos de larga duración BC, DE y FA, que desde entonces se fusionaron para formar el Óvalo BA ("Red Jr."). Los óvalos formaban parte de la Zona Templada Sur, pero se extendían hasta STB bloqueándola parcialmente. [6] El STB ocasionalmente se ha desvanecido, aparentemente debido a interacciones complejas entre los óvalos blancos y el GRS. La apariencia de la Zona Templada Sur (ZTS), la zona en la que se originaron los óvalos blancos, es muy variable. [57]
Hay otras características en Júpiter que son temporales o difíciles de observar desde la Tierra. La Región Templada Sur Sur es más difícil de discernir incluso que el NNTR; su detalle es sutil y sólo puede estudiarse bien con grandes telescopios o naves espaciales. [58] Muchas zonas y cinturones son de naturaleza más transitoria y no siempre son visibles. Estos incluyen la banda ecuatorial (EB), [59] la zona del cinturón ecuatorial norte (NEBZ, una zona blanca dentro del cinturón) y la zona del cinturón ecuatorial sur (SEBZ). [60] Los cinturones también se dividen ocasionalmente debido a una perturbación repentina. Cuando una perturbación divide un cinturón o zona normalmente singular, se agrega una N o una S para indicar si el componente es el norte o el sur; por ejemplo, NEB(N) y NEB(S). [61]
La circulación en la atmósfera de Júpiter es marcadamente diferente a la de la atmósfera de la Tierra . El interior de Júpiter es fluido y carece de superficie sólida. Por lo tanto, la convección puede ocurrir en toda la envoltura molecular exterior del planeta. Hasta 2008, no se había desarrollado una teoría integral de la dinámica de la atmósfera joviana. Cualquier teoría de este tipo debe explicar los siguientes hechos: la existencia de estrechas bandas estables y chorros que son simétricos con respecto al ecuador de Júpiter, el fuerte chorro progrado observado en el ecuador, la diferencia entre zonas y cinturones, y el origen y persistencia de grandes vórtices. como la Gran Mancha Roja. [7]
Las teorías sobre la dinámica de la atmósfera joviana se pueden dividir en dos clases: superficiales y profundas. Los primeros sostienen que la circulación observada se limita en gran medida a una delgada capa exterior (meteorológica) del planeta, que se superpone al interior estable. La última hipótesis postula que los flujos atmosféricos observados son sólo una manifestación superficial de una circulación profundamente arraigada en la envoltura molecular exterior de Júpiter. [62] Como ambas teorías tienen sus propios éxitos y fracasos, muchos científicos planetarios piensan que la verdadera teoría incluirá elementos de ambos modelos. [63]
Los primeros intentos de explicar la dinámica atmosférica joviana se remontan a la década de 1960. [62] [64] Se basaron en parte en la meteorología terrestre , que ya se había desarrollado bien en ese momento. Esos modelos poco profundos asumieron que los chorros de Júpiter son impulsados por turbulencias a pequeña escala , que a su vez se mantienen por convección húmeda en la capa exterior de la atmósfera (por encima de las nubes de agua). [65] [66] La convección húmeda es un fenómeno relacionado con la condensación y evaporación del agua y es uno de los principales impulsores del clima terrestre. [67] La producción de los chorros en este modelo está relacionada con una propiedad bien conocida de la turbulencia bidimensional: la llamada cascada inversa, en la que pequeñas estructuras turbulentas (vórtices) se fusionan para formar otras más grandes. [65] El tamaño finito del planeta significa que la cascada no puede producir estructuras más grandes que alguna escala característica, que para Júpiter se llama escala del Rin. Su existencia está relacionada con la producción de ondas de Rossby . Este proceso funciona de la siguiente manera: cuando las estructuras turbulentas más grandes alcanzan un cierto tamaño, la energía comienza a fluir hacia ondas de Rossby en lugar de estructuras más grandes, y la cascada inversa se detiene. [68] Dado que en el planeta esférico que gira rápidamente la relación de dispersión de las ondas de Rossby es anisotrópica , la escala de Rin en la dirección paralela al ecuador es mayor que en la dirección ortogonal a él. [68] El resultado final del proceso descrito anteriormente es la producción de estructuras alargadas a gran escala, que son paralelas al ecuador. La extensión meridional de ellos parece coincidir con el ancho real de los chorros. [65] Por lo tanto, en modelos poco profundos, los vórtices en realidad alimentan a los chorros y deberían desaparecer fusionándose con ellos.
Si bien estos modelos de capas climáticas pueden explicar con éxito la existencia de una docena de chorros estrechos, tienen serios problemas. [65] Un fallo flagrante del modelo es el chorro ecuatorial progrado (superrotación): con algunas raras excepciones, los modelos poco profundos producen un fuerte chorro retrógrado (subrotación), contrariamente a las observaciones. Además, los chorros tienden a ser inestables y pueden desaparecer con el tiempo. [65] Los modelos superficiales no pueden explicar cómo los flujos atmosféricos observados en Júpiter violan los criterios de estabilidad. [69] Las versiones multicapa más elaboradas de los modelos meteorológicos-capa producen una circulación más estable, pero persisten muchos problemas. [70] Mientras tanto, la sonda Galileo descubrió que los vientos en Júpiter se extienden muy por debajo de las nubes de agua a 5-7 bar y no muestran ninguna evidencia de decaimiento hasta el nivel de presión de 22 bar, lo que implica que la circulación en la atmósfera joviana puede en hecho sea profundo. [19]
El modelo profundo fue propuesto por primera vez por Busse en 1976. [71] [72] Su modelo se basó en otra característica bien conocida de la mecánica de fluidos, el teorema de Taylor-Proudman . Sostiene que en cualquier líquido ideal barotrópico de rotación rápida , los flujos se organizan en una serie de cilindros paralelos al eje de rotación. Las condiciones del teorema probablemente se cumplan en el fluido interior joviano. Por lo tanto, el manto de hidrógeno molecular del planeta se puede dividir en cilindros, teniendo cada cilindro una circulación independiente de los demás. [73] Aquellas latitudes donde los límites exterior e interior de los cilindros se cruzan con la superficie visible del planeta corresponden a los chorros; los propios cilindros se observan como zonas y cinturones.
El modelo profundo explica fácilmente el fuerte chorro progrado observado en el ecuador de Júpiter; los chorros que produce son estables y no obedecen al criterio de estabilidad 2D. [73] Sin embargo, tiene grandes dificultades; produce una cantidad muy pequeña de chorros amplios y, a partir de 2008, no es posible realizar simulaciones realistas de flujos en 3D, lo que significa que los modelos simplificados utilizados para justificar la circulación profunda pueden no captar aspectos importantes de la dinámica de fluidos dentro de Júpiter. [73] Un modelo publicado en 2004 reprodujo con éxito la estructura de chorro de banda joviano. [63] Se asumió que el manto de hidrógeno molecular es más delgado que en todos los demás modelos; ocupando sólo el 10% exterior del radio de Júpiter. En los modelos estándar del interior joviano, el manto comprende el 20-30% exterior. [74] El impulso de la circulación profunda es otro problema. Los flujos profundos pueden ser causados tanto por fuerzas superficiales (convección húmeda, por ejemplo) como por convección planetaria profunda que transporta calor fuera del interior joviano. [65] Aún no está claro cuál de estos mecanismos es más importante.
Como se sabe desde 1966, [75] Júpiter irradia mucho más calor del que recibe del Sol. Se estima que la relación entre la potencia térmica emitida por el planeta y la potencia térmica absorbida del Sol es de 1,67 ± 0,09 . El flujo de calor interno de Júpiter es de 5,44 ± 0,43 W/m 2 , mientras que la potencia total emitida es de 335 ± 26 petavatios . Este último valor equivale aproximadamente a una milmillonésima parte de la potencia total irradiada por el Sol. Este exceso de calor es principalmente el calor primordial de las primeras fases de la formación de Júpiter, pero puede deberse en parte a la precipitación de helio en el núcleo. [76]
El calor interno puede ser importante para la dinámica de la atmósfera joviana. Si bien Júpiter tiene una pequeña oblicuidad de unos 3° y sus polos reciben mucha menos radiación solar que su ecuador, las temperaturas troposféricas no cambian apreciablemente del ecuador a los polos. Una explicación es que el interior convectivo de Júpiter actúa como un termostato, liberando más calor cerca de los polos que en la región ecuatorial. Esto conduce a una temperatura uniforme en la troposfera. Mientras que en la Tierra el calor se transporta desde el ecuador a los polos principalmente a través de la atmósfera , en Júpiter la convección profunda equilibra el calor. Se cree que la convección en el interior joviano es impulsada principalmente por el calor interno. [77]
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La atmósfera de Júpiter alberga cientos de vórtices , estructuras circulares giratorias que, como en la atmósfera terrestre, se pueden dividir en dos clases: ciclones y anticiclones . [8] Los ciclones giran en una dirección similar a la rotación del planeta (en el sentido contrario a las agujas del reloj en el hemisferio norte y en el sentido de las agujas del reloj en el sur); Los anticiclones giran en dirección contraria. Sin embargo, a diferencia de la atmósfera terrestre , los anticiclones predominan sobre los ciclones en Júpiter: más del 90% de los vórtices mayores de 2000 km de diámetro son anticiclones. [78] La vida útil de los vórtices jovianos varía desde varios días hasta cientos de años, dependiendo de su tamaño. Por ejemplo, la vida media de un anticiclón de entre 1.000 y 6.000 km de diámetro es de 1 a 3 años. [79] Nunca se han observado vórtices en la región ecuatorial de Júpiter (dentro de los 10° de latitud), donde son inestables. [11] Como en cualquier planeta que gira rápidamente, los anticiclones de Júpiter son centros de alta presión , mientras que los ciclones son de baja presión. [50]
Los anticiclones en la atmósfera de Júpiter siempre están confinados en zonas donde la velocidad del viento aumenta en dirección desde el ecuador hacia los polos. [79] Suelen ser brillantes y aparecen como óvalos blancos. [8] Pueden moverse en longitud , pero permanecen aproximadamente en la misma latitud ya que no pueden escapar de la zona de confinamiento. [11] La velocidad del viento en su periferia es de unos 100 m/s. [10] Los diferentes anticiclones ubicados en una zona tienden a fusionarse cuando se acercan entre sí. [81] Sin embargo, Júpiter tiene dos anticiclones que son algo diferentes de todos los demás. Son la Gran Mancha Roja (GRS) [9] y el Óvalo BA; [10] este último se formó sólo en 2000. En contraste con los óvalos blancos, estas estructuras son rojas, posiblemente debido al dragado de material rojo de las profundidades del planeta. [9] En Júpiter, los anticiclones generalmente se forman a través de fusiones de estructuras más pequeñas, incluidas tormentas convectivas (ver más abajo), [79] aunque pueden resultar grandes óvalos debido a la inestabilidad de los chorros. Esto último se observó en 1938-1940, cuando aparecieron algunos óvalos blancos como resultado de la inestabilidad de la zona templada del sur; Más tarde se fusionaron para formar Oval BA. [10] [79]
A diferencia de los anticiclones, los ciclones jovianos tienden a ser estructuras pequeñas, oscuras e irregulares. Algunas de las características más oscuras y regulares se conocen como óvalos (o insignias) marrones. [78] Sin embargo, se ha sugerido la existencia de algunos grandes ciclones de larga duración. Además de los ciclones compactos, Júpiter tiene varios parches filamentosos irregulares de gran tamaño, que demuestran una rotación ciclónica . [8] Uno de ellos está ubicado al oeste del GRS (en su región de estela ) en el cinturón ecuatorial sur. [82] Estos parches se denominan regiones ciclónicas (CR). Los ciclones siempre están ubicados en los cinturones y tienden a fusionarse cuando se encuentran, de manera muy similar a los anticiclones. [79]
La estructura profunda de los vórtices no está del todo clara. Se cree que son relativamente delgados, ya que cualquier espesor superior a unos 500 km provocará inestabilidad. Se sabe que los grandes anticiclones se extienden sólo unas pocas decenas de kilómetros por encima de las nubes visibles. La hipótesis inicial de que los vórtices son penachos convectivos profundos (o columnas convectivas) a partir de 2008 no es compartida por la mayoría de los científicos planetarios . [11]
La Gran Mancha Roja (GRS) es una tormenta anticiclónica persistente , 22° al sur del ecuador de Júpiter; Las observaciones desde la Tierra establecen una vida útil mínima de una tormenta de 350 años. [84] [85] Gian Domenico Cassini describió una tormenta como un "punto permanente" después de observar la característica en julio de 1665 con su fabricante de instrumentos Eustachio Divini . [86] Según un informe de Giovanni Battista Riccioli en 1635, Leander Bandtius, a quien Riccioli identificó como el abad de Dunisburgh que poseía un "telescopio extraordinario", observó una gran mancha que describió como "ovalada, equivalente a una séptima parte del diámetro de Júpiter". en su momento más largo." Según Riccioli, "estas características rara vez se pueden ver, y sólo con un telescopio de calidad y aumento excepcionales". [87] Sin embargo, la Gran Mancha ha sido observada casi continuamente desde la década de 1870.
El GRS gira en sentido antihorario, con un período de unos seis días terrestres [88] o 14 días jovianos . Sus dimensiones son de 24.000 a 40.000 km de este a oeste y de 12.000 a 14.000 km de norte a sur. La mancha es lo suficientemente grande como para contener dos o tres planetas del tamaño de la Tierra. A principios de 2004, la Gran Mancha Roja tenía aproximadamente la mitad de extensión longitudinal que hace un siglo, cuando tenía 40.000 kilómetros de diámetro. Al ritmo actual de reducción, podría volverse circular en 2040, aunque esto es poco probable debido al efecto de distorsión de las corrientes en chorro vecinas. [89] No se sabe cuánto durará la mancha o si el cambio es el resultado de fluctuaciones normales. [90]
Según un estudio realizado por científicos de la Universidad de California en Berkeley , entre 1996 y 2006 la mancha perdió el 15 por ciento de su diámetro a lo largo de su eje mayor. Xylar Asay-Davis, que formó parte del equipo que realizó el estudio, señaló que la mancha no está desapareciendo porque "la velocidad es una medida más sólida porque las nubes asociadas con la Mancha Roja también están fuertemente influenciadas por muchos otros fenómenos en la atmósfera circundante". ". [91]
Los datos infrarrojos han indicado durante mucho tiempo que la Gran Mancha Roja es más fría (y por lo tanto, de mayor altitud) que la mayoría de las otras nubes del planeta; [92] las cimas de las nubes del GRS están a unos 8 km por encima de las nubes circundantes. Además, un cuidadoso seguimiento de las características atmosféricas reveló la circulación de la mancha en sentido contrario a las agujas del reloj ya en 1966, observaciones dramáticamente confirmadas por las primeras películas a intervalos de los sobrevuelos de la Voyager . [93] La mancha está confinada espacialmente por una modesta corriente en chorro hacia el este (prograda) hacia el sur y una muy fuerte hacia el oeste (retrógrada) hacia el norte. [94] Aunque los vientos alrededor del borde de la mancha alcanzan un máximo de aproximadamente 120 m/s (432 km/h), las corrientes en su interior parecen estancadas, con poca entrada o salida. [95] El período de rotación de la mancha ha disminuido con el tiempo, quizás como resultado directo de su constante reducción de tamaño. [96] En 2010, los astrónomos tomaron imágenes del GRS en el infrarrojo lejano (de 8,5 a 24 μm) con una resolución espacial más alta que nunca y descubrieron que su región central, más roja, es más cálida que sus alrededores entre 3 y 4 K. La masa de aire cálido se encuentra en la troposfera superior, en el rango de presión de 200 a 500 mbar. Este punto central cálido contrarrota lentamente y puede ser causado por un débil hundimiento del aire en el centro de GRS. [97]
La latitud de la Gran Mancha Roja se ha mantenido estable durante los buenos registros de observación, variando típicamente en aproximadamente un grado. Su longitud , sin embargo, está sujeta a una variación constante. [98] [99] Debido a que las características visibles de Júpiter no giran uniformemente en todas las latitudes, los astrónomos han definido tres sistemas diferentes para definir la longitud. El Sistema II se utiliza para latitudes de más de 10° y originalmente se basaba en la velocidad de rotación promedio de la Gran Mancha Roja de 9h 55m 42s. [100] [101] A pesar de esto, la mancha ha "rodeado" el planeta en el Sistema II al menos 10 veces desde principios del siglo XIX. Su tasa de deriva ha cambiado drásticamente a lo largo de los años y se ha relacionado con el brillo del cinturón ecuatorial sur y la presencia o ausencia de una perturbación tropical del sur. [102]
No se sabe exactamente qué causa el color rojizo de la Gran Mancha Roja. Las teorías respaldadas por experimentos de laboratorio suponen que el color puede ser causado por moléculas orgánicas complejas, fósforo rojo u otro compuesto de azufre. El GRS varía mucho en tono, desde casi rojo ladrillo hasta salmón pálido o incluso blanco. La temperatura más alta de la región central más roja es la primera evidencia de que el color de la Mancha se ve afectado por factores ambientales. [97] La mancha ocasionalmente desaparece del espectro visible, volviéndose evidente sólo a través del Red Spot Hollow, que es su nicho en el Cinturón Ecuatorial Sur (SEB). La visibilidad del GRS aparentemente va unida a la aparición del SEB; cuando el cinturón es de color blanco brillante, la mancha tiende a ser oscura, y cuando está oscuro, la mancha suele ser clara. Los períodos en que la mancha es oscura o clara ocurren a intervalos irregulares; En los 50 años transcurridos entre 1947 y 1997, la mancha fue más oscura en los períodos 1961-1966, 1968-1975, 1989-1990 y 1992-1993. [103] En noviembre de 2014, un análisis de datos de la misión Cassini de la NASA reveló que el color rojo es probablemente un producto de sustancias químicas simples que se descomponen por la irradiación solar ultravioleta en la atmósfera superior del planeta. [104] [105] [106]
La Gran Mancha Roja no debe confundirse con la Gran Mancha Oscura, una característica observada cerca del polo norte de Júpiter (abajo) en 2000 por la nave espacial Cassini-Huygens . [107] Una característica de la atmósfera de Neptuno también se llamó Gran Mancha Oscura . Esta última característica, fotografiada por la Voyager 2 en 1989, puede haber sido un agujero atmosférico en lugar de una tormenta. Ya no estaba presente en 1994, aunque había aparecido un lugar similar más al norte. [108]
Oval BA es una tormenta roja en el hemisferio sur de Júpiter similar en forma, aunque más pequeña, a la Gran Mancha Roja (a menudo se la conoce cariñosamente como "Red Spot Jr.", "Red Jr." o "The Little Red Spot" ). Oval BA, una característica del cinturón templado sur, se vio por primera vez en 2000 después de la colisión de tres pequeñas tormentas blancas, y se ha intensificado desde entonces. [109]
La formación de las tres tormentas ovaladas blancas que luego se fusionaron en Oval BA se remonta a 1939, cuando la Zona Templada Sur fue desgarrada por características oscuras que efectivamente dividieron la zona en tres largas secciones. El observador joviano Elmer J. Reese etiquetó las secciones oscuras AB, CD y EF. Las fisuras se expandieron, reduciendo los segmentos restantes de la ZTS a los óvalos blancos FA, BC y DE. [110] Los óvalos BC y DE se fusionaron en 1998, formando el óvalo BE. Luego, en marzo de 2000, BE y FA se unieron, formando Oval BA. [109] (ver óvalos blancos, más abajo)
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El óvalo BA comenzó a tornarse rojo lentamente en agosto de 2005. [111] El 24 de febrero de 2006, el astrónomo aficionado filipino Christopher Go descubrió el cambio de color y señaló que había alcanzado el mismo tono que el GRS. [111] Como resultado, el escritor de la NASA, el Dr. Tony Phillips, sugirió que se llamara "Red Spot Jr." o "Rojo Jr." [112]
En abril de 2006, un equipo de astrónomos, creyendo que Oval BA podría converger con el GRS ese año, observó las tormentas a través del Telescopio Espacial Hubble . [113] Las tormentas se cruzan aproximadamente cada dos años, pero los pasos de 2002 y 2004 no produjeron nada emocionante. La Dra. Amy Simon -Miller, del Centro de Vuelos Espaciales Goddard , predijo que las tormentas tendrían su punto más cercano el 4 de julio de 2006. [113] El 20 de julio, las dos tormentas fueron fotografiadas pasándose entre sí por el Observatorio Gemini sin converger. [114]
No se comprende bien por qué el Óvalo BA se puso rojo. Según un estudio de 2008 realizado por el Dr. Santiago Pérez-Hoyos de la Universidad del País Vasco, el mecanismo más probable es "una difusión hacia arriba y hacia adentro de un compuesto coloreado o de un vapor de recubrimiento que puede interactuar más tarde con fotones solares de alta energía en los niveles superiores del Óvalo BA." [115] Algunos creen que las pequeñas tormentas (y sus correspondientes manchas blancas) en Júpiter se vuelven rojas cuando los vientos se vuelven lo suficientemente poderosos como para extraer ciertos gases de las profundidades de la atmósfera que cambian de color cuando esos gases se exponen a la luz solar. [116]
Según las observaciones realizadas con el telescopio espacial Hubble en 2007, el óvalo BA se está volviendo más fuerte. Las velocidades del viento han alcanzado los 618 km/h; aproximadamente igual que en la Gran Mancha Roja y mucho más fuerte que cualquiera de las tormentas progenitoras. [117] [118] En julio de 2008, su tamaño es aproximadamente el diámetro de la Tierra , aproximadamente la mitad del tamaño de la Gran Mancha Roja. [115]
Oval BA no debe confundirse con otra gran tormenta en Júpiter, la Pequeña Mancha Roja del Sur Tropical (LRS) (apodada "la Pequeña Mancha Roja" por la NASA [119] ), que fue destruida por la GRS. [116] La nueva tormenta, que anteriormente era una mancha blanca en las imágenes del Hubble, se volvió roja en mayo de 2008. Las observaciones fueron dirigidas por Imke de Pater de la Universidad de California, en Berkeley, EE. UU . [120] La pequeña mancha roja se encontró con el GRS a finales de junio y principios de julio de 2008, y en el curso de una colisión, la mancha roja más pequeña se hizo trizas. Los restos de Baby Red Spot primero orbitaron y luego fueron consumidos por el GRS. El último de los restos de color rojizo identificados por los astrónomos desapareció a mediados de julio, y los restos restantes volvieron a chocar con el GRS y finalmente se fusionaron con la tormenta más grande. Las piezas restantes de Baby Red Spot habían desaparecido por completo en agosto de 2008. [119] Durante este encuentro, Oval BA estuvo presente cerca, pero no jugó ningún papel aparente en la destrucción de Baby Red Spot. [119]
Las tormentas de Júpiter son similares a las tormentas de la Tierra. Se revelan a través de nubes brillantes y grumosas de unos 1.000 km de tamaño, que aparecen de vez en cuando en las regiones ciclónicas de los cinturones, especialmente dentro de los fuertes chorros hacia el oeste (retrógrados). [122] A diferencia de los vórtices, las tormentas son fenómenos de corta duración; los más fuertes pueden existir durante varios meses, mientras que la vida media es de sólo 3 a 4 días. [122] Se cree que se deben principalmente a la convección húmeda dentro de la troposfera de Júpiter. Las tormentas son en realidad altas columnas convectivas ( penachos ) que llevan el aire húmedo desde las profundidades a la parte superior de la troposfera, donde se condensa en nubes. La extensión vertical típica de las tormentas jovianas es de unos 100 km; ya que se extienden desde un nivel de presión de aproximadamente 5 a 7 bar, donde se encuentra la base de una hipotética capa de nubes de agua, hasta 0,2 a 0,5 bar. [123]
Las tormentas en Júpiter siempre están asociadas con relámpagos . Las imágenes del hemisferio nocturno de Júpiter obtenidas por las naves espaciales Galileo y Cassini revelaron destellos de luz regulares en los cinturones jovianos y cerca de las ubicaciones de los chorros hacia el oeste, particularmente en las latitudes 51°N, 56°S y 14°S. [124] En Júpiter los rayos son en promedio varias veces más potentes que los de la Tierra. Sin embargo, son menos frecuentes; la potencia luminosa emitida desde un área determinada es similar a la de la Tierra. [124] Se han detectado algunos destellos en regiones polares, lo que convierte a Júpiter en el segundo planeta conocido después de la Tierra en exhibir rayos polares. [125] Un radiómetro de microondas ( Juno ) detectó muchos más en 2018.
Cada 15 a 17 años, Júpiter sufre tormentas especialmente poderosas. Aparecen a 23°N de latitud, donde se encuentra el chorro más fuerte hacia el este, que puede alcanzar los 150 m/s. La última vez que se observó un evento de este tipo fue en marzo-junio de 2007. [123] Aparecieron dos tormentas en el cinturón templado del norte a 55° de longitud. Alteraron significativamente el cinturón. El material oscuro que arrojaron las tormentas se mezcló con las nubes y cambió el color del cinturón. Las tormentas se movían a una velocidad de hasta 170 m/s, un poco más rápido que el propio chorro, lo que sugiere la existencia de fuertes vientos en lo profundo de la atmósfera. [123] [d]
Otras características notables de Júpiter son sus ciclones cerca de los polos norte y sur del planeta. Estos se llaman ciclones circumpolares (CPC) y han sido observados por la nave espacial Juno utilizando JunoCam y JIRAM. Los ciclones se han observado durante unos cinco años, cuando Juno completó 39 órbitas alrededor de Júpiter. [126] El polo norte tiene ocho ciclones que se mueven alrededor de un ciclón central (NPC), mientras que el polo sur solo tiene cinco ciclones alrededor de un ciclón central (SPC), con una brecha entre el primer y el segundo ciclones. [127] Los ciclones se parecen a los huracanes de la Tierra con brazos espirales arrastrados y un centro más denso, aunque existen diferencias entre los centros dependiendo de cada ciclón individual. Los CPC del norte generalmente mantienen su forma y posición en comparación con los CPC del sur y esto podría deberse a las velocidades del viento más rápidas que se experimentan en el sur, donde las velocidades máximas del viento son de alrededor de 80 m/s a 90 m/s. [128] Aunque hay más movimiento entre las CPC del sur, tienden a conservar la estructura pentagonal en relación con el polo. También se ha observado que la velocidad angular del viento aumenta a medida que se acerca al centro y el radio se hace más pequeño, excepto en un ciclón en el norte, que puede tener rotación en la dirección opuesta. La diferencia en el número de ciclones en el norte respecto al sur probablemente se deba al tamaño de los ciclones. [129] Los CPC del sur tienden a ser más grandes, con radios que oscilan entre 5.600 km y 7.000 km, mientras que los CPC del norte oscilan entre 4.000 km y 4.600 km. [130]
El mecanismo para la estabilidad de estas dos estructuras simétricas de ciclones es el resultado de la deriva Beta , un efecto conocido que hace que los ciclones se muevan hacia el polo y los anticiclones hacia el ecuador debido a la conservación del impulso a lo largo de las líneas de corriente en un vórtice, bajo el cambio. del parámetro de Coriolis . [131] Por lo tanto, los ciclones que se forman en las regiones polares pueden congregarse en el polo y formar un ciclón polar como los observados en los polos de Saturno . [132] [133] El ciclón polar (el ciclón central en los polígonos) también emite un campo de vorticidad que puede repeler otros ciclones (ver efecto Fujiwhara ) similar al efecto beta. La latitud donde se ubican los ciclones circumpolares (~84°) encaja, en los cálculos, con la hipótesis de que la fuerza de deriva beta hacia el polo equilibra el rechazo del ciclón polar hacia el ecuador en los ciclones circumpolares, [134] suponiendo que tengan un anillo anticiclónico alrededor ellos, consistente con simulaciones de modelos [135] y observaciones. [134]
Los ciclones del norte tienden a mantener una estructura octogonal con el NPC como punto central. Los ciclones del norte tienen menos datos que los ciclones del sur debido a la iluminación limitada en el invierno polar norte, lo que dificulta que JunoCam obtenga mediciones precisas de las posiciones del CPC del norte en cada perijove (53 días), pero JIRAM puede recopilar suficientes datos para comprender los CPC del norte. La iluminación limitada dificulta ver el ciclón central norte, pero al realizar cuatro órbitas, se puede ver parcialmente el NPC y se puede identificar la estructura octogonal de los ciclones. La iluminación limitada también dificulta ver el movimiento de los ciclones, pero las primeras observaciones muestran que el NPC está desplazado del polo aproximadamente 0,5˚ y los CPC generalmente mantuvieron su posición alrededor del centro. A pesar de que los datos son más difíciles de obtener, se ha observado que los CPC del norte tienen una tasa de deriva de aproximadamente 1˚ a 2,5˚ por perijove hacia el oeste. El séptimo ciclón en el norte (n7) se desplaza un poco más que los demás y esto se debe a un óvalo blanco anticiclónico (AWO) que lo aleja más del NPC, lo que provoca que la forma octogonal se deforme ligeramente.
Las ubicaciones instantáneas de los ciclones del polo sur han sido rastreadas durante 5 años por el instrumento JIRAM y por JunoCam . [136] [137] Se reveló que las ubicaciones a lo largo del tiempo forman un movimiento oscilatorio de cada uno de los 6 ciclones, con períodos de aproximadamente un año (terrestre) y radios de aproximadamente 400 km. [138] Se explicó que estas oscilaciones alrededor de las posiciones medias de los CPC eran el resultado de desequilibrios entre la deriva beta, que empuja a los CPC hacia el polo, y las fuerzas de rechazo que se desarrollan debido a las interacciones entre los ciclones, similar a un 6- sistema de resorte del cuerpo. [139] Además de este movimiento periódico, se observó que los ciclones del polo sur se desplazaban hacia el oeste a razón de 7,5 ± 0,7˚ por año. [140] Aún se desconoce el motivo de esta deriva.
Los ciclones circumpolares tienen diferentes morfologías, especialmente en el norte, donde los ciclones tienen una estructura "rellena" o "caótica". La parte interior de los ciclones "caóticos" tiene pequeñas rayas y motas de nubes. Los ciclones "rellenos" tienen un área lobulada marcadamente delimitada que es de color blanco brillante cerca del borde con una porción interior oscura. En el norte hay cuatro ciclones "llenos" y cuatro ciclones "caóticos". Todos los ciclones del sur tienen una extensa estructura en espiral de escala fina en su exterior, pero todos difieren en tamaño y forma. Hay muy poca observación de los ciclones debido a los bajos ángulos del sol y la neblina que normalmente cubre la atmósfera, pero lo poco que se ha observado muestra que los ciclones son de un color rojizo.
El patrón normal de bandas y zonas a veces se ve alterado durante períodos de tiempo. Una clase particular de perturbación son los oscurecimientos de larga duración de la Zona Tropical del Sur, normalmente denominados "Perturbaciones del Tropical del Sur" (STD). La ETS de mayor duración registrada en la historia se siguió desde 1901 hasta 1939, y fue vista por primera vez por Percy B. Molesworth el 28 de febrero de 1901. Tomó la forma de oscurecimiento sobre parte de la normalmente brillante zona del sur tropical. Desde entonces se han registrado varios disturbios similares en la Zona Sur Tropical. [141]
Algunas de las características más misteriosas de la atmósfera de Júpiter son los puntos calientes. En ellos, el aire está relativamente libre de nubes y el calor puede escapar de las profundidades sin mucha absorción. Las manchas parecen puntos brillantes en las imágenes infrarrojas obtenidas con una longitud de onda de aproximadamente 5 μm. [50] Están ubicados preferentemente en los cinturones, aunque hay una serie de puntos calientes prominentes en el borde norte de la Zona Ecuatorial. La sonda Galileo descendió a uno de esos puntos ecuatoriales. Cada mancha ecuatorial está asociada con una pluma nubosa brillante ubicada al oeste de la misma y que alcanza un tamaño de hasta 10.000 km. [6] Los puntos calientes generalmente tienen formas redondas, aunque no se parecen a los vórtices. [50]
El origen de los puntos calientes no está claro. Pueden ser corrientes descendentes , donde el aire descendente se calienta y seca adiabáticamente o, alternativamente, pueden ser una manifestación de ondas a escala planetaria. Esta última hipótesis explica el patrón periódico de las manchas ecuatoriales. [6] [50]
En 1953, el experimento de Miller-Urey demostró que la combinación de rayos y compuestos existentes en la atmósfera de la Tierra primitiva puede formar materia orgánica (incluidos aminoácidos), que puede utilizarse como piedra angular de la vida. La atmósfera simulada está formada por moléculas de agua, metano, amoníaco e hidrógeno; Todas estas sustancias se encuentran en la atmósfera actual de Júpiter. La atmósfera de Júpiter tiene un fuerte flujo de aire vertical que transporta estos compuestos a las regiones más bajas. Pero hay temperaturas más altas dentro de Júpiter, lo que descompondrá estos químicos y dificultará la formación de vida similar a la Tierra. [142] Esto fue especulado por Carl Sagan y Edwin E. Salpeter .
Los primeros astrónomos modernos, utilizando pequeños telescopios, registraron la apariencia cambiante de la atmósfera de Júpiter. [25] Sus términos descriptivos (cinturones y zonas, manchas marrones y rojas, penachos, barcazas, festones y serpentinas) todavía se utilizan. [143] Otros términos como vorticidad, movimiento vertical y altura de las nubes se empezaron a utilizar más tarde, en el siglo XX. [25]
Las primeras observaciones de la atmósfera joviana a mayor resolución que la posible con telescopios terrestres fueron realizadas por las naves espaciales Pioneer 10 y 11 . Las primeras imágenes verdaderamente detalladas de la atmósfera de Júpiter fueron proporcionadas por las Voyager . [25] Las dos naves espaciales pudieron obtener imágenes de detalles con una resolución tan baja como 5 km de tamaño en varios espectros, y también pudieron crear "películas de aproximación" de la atmósfera en movimiento. [25] La sonda Galileo , que sufrió un problema con la antena, vio menos atmósfera de Júpiter pero con una mejor resolución promedio y un ancho de banda espectral más amplio. [25]
Hoy en día, los astrónomos tienen acceso a un registro continuo de la actividad atmosférica de Júpiter gracias a telescopios como el Telescopio Espacial Hubble. Estos muestran que la atmósfera se ve ocasionalmente sacudida por perturbaciones masivas, pero que, en general, es notablemente estable. [25] El movimiento vertical de la atmósfera de Júpiter estuvo determinado en gran medida por la identificación de gases traza por parte de telescopios terrestres. [25] Los estudios espectroscópicos después de la colisión del cometa Shoemaker-Levy 9 dieron una idea de la composición de Júpiter debajo de las cimas de las nubes. Se registró la presencia de azufre diatómico (S 2 ) y disulfuro de carbono (CS 2 ), la primera detección de ambos en Júpiter, y sólo la segunda detección de S 2 en cualquier objeto astronómico , junto con otras moléculas como el amoníaco (NH 3 ) y sulfuro de hidrógeno (H 2 S), mientras que, para sorpresa de los astrónomos, no se detectaron moléculas portadoras de oxígeno , como el dióxido de azufre . [144]
La sonda atmosférica Galileo , al sumergirse en Júpiter, midió el viento, la temperatura, la composición, las nubes y los niveles de radiación hasta 22 bares. Sin embargo, en otras partes de Júpiter por debajo de 1 bar hay incertidumbre en las cantidades. [25]
El primer avistamiento del GRS a menudo se atribuye a Robert Hooke , quien describió un lugar en el planeta en mayo de 1664; sin embargo, es probable que el lugar de Hooke estuviera en el cinturón equivocado (el cinturón ecuatorial norte, frente a la ubicación actual en el cinturón ecuatorial sur). Mucho más convincente es la descripción que hace Giovanni Cassini de un "lugar permanente" al año siguiente. [145] Con fluctuaciones en la visibilidad, la mancha de Cassini se observó desde 1665 hasta 1713. [146]
Un misterio menor se refiere a una mancha joviana representada hacia 1700 en un lienzo de Donato Creti , que se exhibe en el Vaticano . [147] [148] Es parte de una serie de paneles en los que diferentes cuerpos celestes (ampliados) sirven como telón de fondo para varias escenas italianas, cuya creación fue supervisada por el astrónomo Eustachio Manfredi para garantizar su precisión. La pintura de Creti es la primera que se sabe que representa el GRS en rojo. Ningún rasgo joviano fue descrito oficialmente como rojo antes de finales del siglo XIX. [148]
El GRS actual fue visto por primera vez sólo después de 1830 y bien estudiado sólo después de una aparición prominente en 1879. Un lapso de 118 años separa las observaciones realizadas después de 1830 de su descubrimiento en el siglo XVII; Se desconoce si la mancha original se disipó y volvió a formarse, si se desvaneció o incluso si el registro de observación fue simplemente deficiente. [103] Los puntos más antiguos tenían una historia de observación corta y un movimiento más lento que el del punto moderno, lo que hace que su identidad sea poco probable. [147]
El 25 de febrero de 1979, cuando la nave espacial Voyager 1 se encontraba a 9,2 millones de kilómetros de Júpiter, transmitió la primera imagen detallada de la Gran Mancha Roja a la Tierra. Eran visibles detalles de nubes de hasta 160 kilómetros de diámetro. El colorido y ondulado patrón de nubes que se ve al oeste (izquierda) del GRS es la región de estela de la mancha, donde se observan movimientos de nubes extraordinariamente complejos y variables. [149]
Los óvalos blancos que se convertirían en el Óvalo BA se formaron en 1939. Cubrieron casi 90 grados de longitud poco después de su formación, pero se contrajeron rápidamente durante su primera década; su longitud se estabilizó en 10 grados o menos después de 1965. [150] Aunque se originaron como segmentos de la STZ, evolucionaron hasta quedar completamente integrados en el Cinturón Templado Sur, lo que sugiere que se movieron hacia el norte, "cavando" un nicho en la STB. [151] De hecho, al igual que el GRS, sus circulaciones estaban confinadas por dos corrientes en chorro opuestas en sus límites norte y sur, con un chorro hacia el este hacia el norte y uno retrógrado hacia el oeste hacia el sur. [150]
El movimiento longitudinal de los óvalos parecía estar influenciado por dos factores: la posición de Júpiter en su órbita (se volvían más rápidos en el afelio ) y su proximidad al GRS (aceleraban cuando estaban dentro de los 50 grados de la Mancha). [152] La tendencia general de la tasa de deriva del óvalo blanco fue la desaceleración, con una disminución a la mitad entre 1940 y 1990. [153]
Durante los sobrevuelos de la Voyager , los óvalos se extendían aproximadamente 9.000 km de este a oeste, 5.000 km de norte a sur, y rotaban cada cinco días (en comparación con los seis del GRS en ese momento). [154]
