La atmósfera de Plutón se compone principalmente de nitrógeno (N 2 ), con cantidades menores de metano (CH 4 ) y monóxido de carbono (CO), todos los cuales se vaporizan de sus hielos en la superficie de Plutón . [1] [2] Contiene neblina en capas, probablemente compuesta de compuestos más pesados que se forman a partir de estos gases debido a la radiación de alta energía. [3] La atmósfera de Plutón se caracteriza por sus fuertes y no completamente comprendidos cambios estacionales causados por las peculiaridades de la rotación orbital y axial de Plutón. [1]
La presión superficial de la atmósfera de Plutón, medida por New Horizons en 2015, es de aproximadamente 1 Pa ( 10 μ bar ), aproximadamente 1/100.000 de la presión atmosférica de la Tierra. La temperatura en la superficie es de 40 a 60 K (-230 a -210 °C), [1] pero crece rápidamente con la altitud debido al efecto invernadero generado por el metano . Cerca de una altitud de 30 km alcanza los 110 K (-163 °C) y luego disminuye lentamente. [4]
Plutón es el único objeto transneptuniano con una atmósfera conocida. [4] Su análogo más cercano es la atmósfera de Tritón , aunque en algunos aspectos se parece incluso a la atmósfera de Marte . [5] [6]
La atmósfera de Plutón se estudia desde los años 80 mediante la observación desde la Tierra de las ocultaciones de estrellas de Plutón [7] [8] y mediante espectroscopia . [9] En 2015, fue estudiado desde cerca por la nave espacial New Horizons . [2] [10]
El principal componente de la atmósfera de Plutón es el nitrógeno . El contenido de metano , según mediciones de New Horizons , es del 0,25%. [2] [Nota 1] Para el monóxido de carbono , las estimaciones basadas en la Tierra son 0,025–0,15% (2010) [12] y 0,05–0,075% (2015). [13] Bajo la influencia de la radiación cósmica de alta energía , estos gases reaccionan para formar compuestos más complejos (no volátiles a las temperaturas de la superficie de Plutón [14] ), incluidos etano (C 2 H 6 ), etileno (C 2 H 4 ), acetileno (C 2 H 2 ), hidrocarburos más pesados y nitrilos [3] [15] [16] y cianuro de hidrógeno (HCN) [17] (la cantidad de etileno es aproximadamente 0,0001% y la cantidad de acetileno es aproximadamente 0,0003%) . [2] Estos compuestos precipitan lentamente en la superficie. Probablemente también incluyan tolinas , que son responsables del color marrón de Plutón (como algunos otros cuerpos del sistema solar exterior). [2] [18]
El compuesto más volátil de la atmósfera de Plutón es el nitrógeno, el segundo es el monóxido de carbono y el tercero es el metano. El indicador de volatilidad es la presión de vapor saturado ( presión de sublimación ). A una temperatura de 40 K (cerca del valor mínimo para la superficie de Plutón [1] ), es de aproximadamente 10 Pa para el nitrógeno, 1 Pa para el monóxido de carbono y 0,001 Pa para el metano. Aumenta rápidamente con la temperatura, y a 60 K (cerca del valor máximo [1] ) se acerca a 10 000 Pa , 3000 Pa y 10 Pa respectivamente. Para los hidrocarburos más pesados que el metano, agua , amoníaco , dióxido de carbono y cianuro de hidrógeno, esta presión permanece insignificantemente baja (alrededor de 10 −5 Pa o aún menos), lo que indica ausencia de volatilidad en las condiciones de Plutón (al menos en la fría atmósfera inferior). . [14] [19]
Se podría esperar que el metano y el monóxido de carbono, debido a su menor abundancia y volatilidad, demuestren desviaciones más fuertes del equilibrio de presión con los hielos superficiales y mayores variaciones temporales y espaciales de concentración. Pero en realidad la concentración de, al menos, metano, no depende notablemente de la altura (al menos, en los 20 a 30 km inferiores), la longitud o el tiempo. [5] [20] Pero la dependencia de la temperatura de las volatilidades del metano y el nitrógeno sugiere que la concentración de metano disminuirá a medida que Plutón se aleje del Sol. [14] [20] [21] Es notable que la concentración observada de metano es 2 órdenes de magnitud mayor de lo esperado según la ley de Raoult sobre la base de su concentración en la superficie del hielo y la relación de las presiones de sublimación del metano y el nitrógeno. [5] [22] Se desconocen las razones de esta discrepancia. Podría deberse a la existencia de parches separados de hielo de metano relativamente limpio, o a un mayor contenido de metano en la capa superior del hielo mixto habitual. [5] [21]
Los cambios estacionales y orbitales de insolación dan como resultado la migración de los hielos superficiales: se subliman en algunos lugares y se condensan en otros. Según algunas estimaciones, esto provoca cambios en su espesor del tamaño de un metro. [8] Esto (pero también los cambios en la geometría de visualización) da como resultado cambios apreciables en el brillo y el color de Plutón. [5]
El metano y el monóxido de carbono, a pesar de su baja abundancia, son importantes para la estructura térmica de la atmósfera: el metano es un fuerte agente calentador [11] y el monóxido de carbono es un agente refrigerante (aunque la cantidad de este enfriamiento no está completamente clara). [4] [12]
.jpg/1280px-PIA19716_Alice_Solar_Occultation_(cropped).jpg)
New Horizons descubrió en la atmósfera de Plutón una neblina multicapaque cubre la totalidad del planeta enano y alcanza una altitud de más de 200 km. Las mejores imágenes muestran alrededor de 20 capas de neblina. La extensión horizontal de las capas no es inferior a 1.000 km. El espesor de las capas varía de 1 a >10 km y la distancia vertical entre ellas es de unos 10 km. En las regiones del norte la neblina es 2-3 veces más densa que cerca del ecuador. [10] [24]
A pesar de la muy baja densidad de la atmósfera, la neblina es bastante apreciable: incluso dispersa suficiente luz para permitir fotografiar algunos detalles de la cara nocturna de Plutón. [25] En la bruma se ven largas sombras de las montañas. [24] Su profundidad óptica normal se estima en 0,004 [2] o 0,013 [10] (por lo tanto, disminuye la intensidad de un haz de luz vertical en o ; para luz rasante el efecto es mucho más fuerte). La altura de escala de la neblina es de 45 a 55 km ; [2] [10] coincide aproximadamente con la altura de escala de presión en la atmósfera media. [7] En las alturas de 100 a 200 km disminuye a 30 km. [10]
El tamaño de las partículas de neblina no está claro. Su color azul indica un radio de partícula cercano a los 10 nm, pero la relación de brillos en diferentes ángulos de fase indica un radio superior a los 100 nm. Esto puede explicarse por la agregación de partículas pequeñas (decenas de nm) en grupos más grandes (cientos de nm). [10]
La neblina probablemente esté formada por partículas de compuestos no volátiles, que se sintetizan a partir de gases atmosféricos bajo la influencia de la radiación cósmica de alta energía. [2] [3] [26] Las capas muestran la presencia de ondas atmosféricas (cuya presencia también es sugerida por observaciones de ocultaciones), [27] [2] y tales ondas pueden ser creadas por el viento que sopla sobre la rugosa superficie de Plutón. [10]
La neblina es la causa más probable de una desviación en la curva de intensidad de la luz en función del tiempo obtenida por New Horizons durante el vuelo a través de la sombra de Plutón (ver imagen a la derecha): por debajo de los 150 km de altitud la atmósfera atenúa la luz mucho más que arriba. Un fenómeno similar se observó durante la ocultación estelar en 1988. Al principio también se interpretó como un debilitamiento de la luz debido a la neblina, [28] pero ahora se cree que es principalmente el resultado de un fuerte gradiente inverso de temperatura en la atmósfera inferior. [24] Durante ocultaciones posteriores (cuando la atmósfera de Plutón ya era ≥2 veces más densa) este problema estuvo ausente. [4] [7] [29]
Otra evidencia de la neblina se obtuvo en 2002 debido a una nueva ocultación. La luz estelar que logró llegar a la Tierra durante la ocultación (debido a la refracción en la atmósfera de Plutón), demostró un aumento de intensidad con la longitud de onda. [Nota 2] [30] Esto se interpretó como una evidencia confiable [5] [31] de dispersión de luz por aerosoles (similar al enrojecimiento del Sol naciente). Sin embargo, esta característica estuvo ausente durante los eclipses posteriores (incluido el 29 de junio de 2015), [5] [31] y el 14 de julio de 2015, New Horizons descubrió que la neblina era azul. [32]
En el lote final de imágenes recibidas de New Horizons , se observaron varias nubes potenciales. [33]
Plutón no tiene o casi no tiene troposfera ; Las observaciones de New Horizons sugieren sólo una delgada capa límite troposférica . Su espesor en el lugar de medición era de 4 km y la temperatura era de 37±3 K. La capa no es continua. [10]
Por encima se encuentra una capa cuya temperatura aumenta rápidamente con la altura: la estratosfera . Se estima que el gradiente de temperatura es de 2,2, [7] 3–15 [11] o 5,5 [5] grados por km. Es consecuencia del efecto invernadero , provocado por el metano . La temperatura media de la superficie es 42±4 K (medida en 2005), [34] y el valor medio para toda la atmósfera es 90+
25-18K. (2008). [11] [12] [35]
A una altura de 20 a 40 km, la temperatura alcanza su máximo ( 100 a 110 K ; estratopausa ) y luego disminuye lentamente (aproximadamente 0,2 K/km ; [4] mesosfera ). [4] [5] [7] Las causas de esta disminución no están claras; podría estar relacionado con el efecto refrescante del monóxido de carbono , [12] o cianuro de hidrógeno , u otras razones. [4] Por encima de los 200 km la temperatura alcanza aproximadamente los 80 K y luego permanece constante. [4]
La temperatura de las capas superiores de la atmósfera no muestra cambios temporales perceptibles. En 1988, 2002 y 2006 fue aproximadamente constante e igual a 100 K (con una incertidumbre de aproximadamente 10 K ), a pesar de que la presión se duplicó. Tampoco existe dependencia de la latitud o de las condiciones matutinas y nocturnas: la temperatura es la misma en todas partes de la superficie. [5] Esto es consistente con los datos teóricos que predicen una rápida mezcla de la atmósfera. [5] Pero hay evidencia de pequeñas heterogeneidades verticales en la temperatura. Se revelan en picos breves y agudos de brillo durante las ocultaciones estelares. [29] Se estima que la amplitud de estas heterogeneidades es de 0,5 a 0,8 K en la escala de unos pocos kilómetros. Pueden ser causadas por ondas de gravedad atmosféricas o turbulencias, que pueden estar relacionadas con la convección o el viento. [29]
La interacción con la atmósfera influye significativamente en la temperatura de la superficie. Los cálculos muestran que la atmósfera, a pesar de su bajísima presión, puede reducir significativamente las variaciones diurnas de temperatura. [36] Pero aún quedan variaciones de temperatura de unos 20 K , en parte debido al enfriamiento de la superficie debido a la sublimación del hielo. [1]
La presión de la atmósfera de Plutón es muy baja y depende en gran medida del tiempo. Las observaciones de ocultaciones estelares de Plutón muestran que aumentó aproximadamente 3 veces entre 1988 y 2015, a pesar de que Plutón se ha estado alejando del Sol desde 1989. [37] [8] [36] [38] Esto probablemente se debe al norte de Plutón. El polo sur entró en luz solar en 1987, lo que intensificó la evaporación de nitrógeno del hemisferio norte, [29] [39] [Nota 3] mientras que su polo sur todavía está demasiado caliente para la condensación de nitrógeno. [8] Los valores absolutos de la presión superficial son difíciles de obtener a partir de datos de ocultación, porque estos datos normalmente no alcanzan las capas más bajas de la atmósfera. Por lo tanto, la presión superficial debe extrapolarse, y esto es algo ambiguo debido a que la temperatura depende de la altura y, en consecuencia, la presión no está completamente clara. También es necesario conocer el radio de Plutón, pero antes de 2015 estaba mal limitado. Por lo tanto, antes era imposible calcular valores precisos de la presión superficial de Plutón. Para algunas ocultaciones realizadas desde 1988, la presión se calculó para un nivel de referencia de 1275 km del centro de Plutón (que luego resultó estar a 88±4 km de la superficie). [4] [8] [36]
Las curvas de presión versus distancia desde el centro, obtenidas de ocultaciones en 1988 y 2002, [29] en combinación con el radio ahora conocido de Plutón ( 1187±4 km [2] ) dan valores de aproximadamente 0,4 Pa para 1988 y 1,0 Pa para 2002. Los datos espectrales proporcionaron valores de 0,94 Pa en 2008 y 1,23 Pa en 2012 para una distancia desde el centro de 1188 km (1 ± 4 km desde la superficie). [5] Una ocultación el 4 de mayo de 2013 proporcionó datos casi precisos para el nivel de la superficie (1190 km del centro, o 3±4 km de la superficie): 1,13±0,007 Pa . [5] Una ocultación el 29 y 30 de junio de 2015, solo 2 semanas antes del encuentro con New Horizons , proporcionó una presión superficial de 1,3 ± 0,1 Pa . [37]
Los primeros datos directos y fiables sobre las capas más bajas de la atmósfera de Plutón los obtuvo New Horizons el 14 de julio de 2015 gracias a mediciones de radioocultación. Se estimó que la presión en la superficie era de 1 Pa ( 1,1 ± 0,1 a la entrada de la nave espacial detrás de Plutón y 1,0 ± 0,1 a la salida). [10] Esto es consistente con los datos de ocultación de años anteriores, [10] aunque algunos de los cálculos anteriores basados en estos datos dieron resultados aproximadamente 2 veces mayores. [2] [40] [3]
La ocultación estelar del 17 de julio de 2019 mostró que la presión atmosférica de Plutón ha caído aproximadamente un 30% desde los valores máximos de 2015, alcanzando 0,967.+0,053
−0,034Pa. [41] El 6 de junio de 2020 se midió una nueva disminución de la presión a 0,91 ± 0,03 Pa. [42]
La escala de altura de presión en la atmósfera de Plutón varía significativamente con la altura (en otras palabras, la dependencia de la presión con la altura se desvía de exponencial ). Esto es causado por fuertes variaciones de temperatura en altura. Para la capa más baja de la atmósfera, la altura de la escala es de aproximadamente 17 [20] –19 [6] km , y para alturas de 30 a 100 km , de 50 a 70 km . [10] [7] [28]
Debido a la excentricidad orbital , en el afelio Plutón recibe 2,8 veces menos calor que en el perihelio. [Nota 4] Debería causar fuertes cambios en su atmósfera, aunque los detalles de estos procesos no están claros. Al principio se pensaba que en el afelio la atmósfera debía congelarse en gran medida y descender a la superficie (esto se debe a la fuerte dependencia de la temperatura de la presión de sublimación de sus compuestos), pero modelos más elaborados predicen que Plutón tiene una atmósfera importante durante todo el año. [1] [8]
El último paso de Plutón a través de su perihelio fue el 5 de septiembre de 1989. [1] A partir de 2015, se está alejando del Sol y la iluminación general de su superficie está disminuyendo. Sin embargo, la situación se complica por su gran inclinación axial (122,5° [43] ), que provoca largos días y noches polares en gran parte de su superficie. Poco antes del perihelio, el 16 de diciembre de 1987, Plutón experimentó el equinoccio y su polo norte [Nota 5] salió de la noche polar, que había durado 124 años terrestres.
Los datos existentes desde 2014 permitieron a los científicos construir un modelo de cambios estacionales en la atmósfera de Plutón. Durante el afelio anterior (1865) estuvo presente una cantidad significativa de hielos volátiles tanto en el hemisferio norte como en el sur. Aproximadamente al mismo tiempo ocurrió el equinoccio y el hemisferio sur se inclinó hacia el Sol. Los hielos locales comenzaron a migrar al hemisferio norte y, alrededor de 1900, el hemisferio sur quedó prácticamente desprovisto de hielo. Después del siguiente equinoccio (1987), el hemisferio sur se alejó del Sol. Sin embargo, su superficie ya estaba sustancialmente calentada y su gran inercia térmica (proporcionada por el hielo de agua no volátil) ralentizó considerablemente su enfriamiento. Por eso los gases que ahora se evaporan intensamente en el hemisferio norte no pueden condensarse rápidamente en el sur y se acumulan en la atmósfera, aumentando su presión. Alrededor de 2035-2050 , el hemisferio sur se enfriará lo suficiente como para permitir una condensación intensiva de los gases, y estos migrarán allí desde el hemisferio norte, donde es el día polar. Durará hasta el equinoccio cerca del afelio (alrededor de 2113). El hemisferio norte no perderá por completo sus hielos volátiles y su evaporación abastecerá la atmósfera incluso en el afelio. El cambio total de presión atmosférica en este modelo es aproximadamente 4 veces; el mínimo se alcanzó cerca de 1970-1980 , y el máximo será cerca de 2030. El rango total de temperatura es de sólo unos pocos grados. [8]
En julio de 2019, una ocultación de Plutón mostró que su presión atmosférica, contrariamente a lo esperado, había disminuido un 20 % desde 2016. [44] En 2021, los astrónomos del Southwest Research Institute confirmaron el resultado utilizando datos de una ocultación de 2018, que mostraba esa luz aparecía de manera menos gradual desde detrás del disco de Plutón, lo que indica una atmósfera cada vez más delgada. [45]
Los primeros datos sugerían que la atmósfera de Plutón pierde entre 10 27 y 10 28 moléculas (entre 50 y 500 kg ) de nitrógeno por segundo, una cantidad correspondiente a la pérdida de una capa superficial de hielos volátiles de varios cientos de metros o varios kilómetros de espesor durante la vida del Sol. Sistema. [1] [6] [48] Sin embargo, datos posteriores de New Horizons revelaron que esta cifra estaba sobreestimada en al menos cuatro órdenes de magnitud; Actualmente, la atmósfera de Plutón está perdiendo sólo 1×10 23 moléculas de nitrógeno y 5×10 25 moléculas de metano por segundo. Esto supone una pérdida de varios centímetros de hielo de nitrógeno y varias decenas de metros de hielo de metano durante la vida del Sistema Solar. [10]
Las moléculas con una velocidad suficientemente alta, que escapan al espacio exterior, son ionizadas por la radiación ultravioleta solar . Cuando el viento solar encuentra el obstáculo formado por los iones, se ralentiza y se desvía, formando posiblemente una onda de choque aguas arriba de Plutón. Los iones son "recogidos" por el viento solar y transportados en su flujo más allá del planeta enano para formar una cola de iones o plasma. El instrumento Viento Solar alrededor de Plutón (SWAP), a bordo de la nave espacial New Horizons , realizó las primeras mediciones de esta región de iones atmosféricos de baja energía poco después de su máxima aproximación el 14 de julio de 2015. Estas mediciones permitirán al equipo SWAP determinar la velocidad a la que Plutón pierde su atmósfera y, a su vez, permitirá conocer la evolución de su atmósfera y superficie. [49]
El casquete marrón rojizo del polo norte de Caronte , la mayor de las lunas de Plutón ( Mordor Macula ), puede estar compuesto de tolinas , macromoléculas orgánicas producidas a partir de metano , nitrógeno y otros gases liberados de la atmósfera de Plutón y transferidos a lo largo de unos 19.000 km. (12.000 millas) de distancia a la luna en órbita. Los modelos muestran que Caronte puede recibir alrededor del 2,5% de los gases perdidos por Plutón. [50] [51]
Ya en la década de 1940, Gerard Kuiper buscó pruebas de la atmósfera en el espectro de Plutón, [52] sin éxito. [9] En los años 1970, algunos astrónomos propusieron la hipótesis de una atmósfera espesa e incluso océanos de neón : según algunas opiniones de la época, todos los demás gases que abundan en el Sistema Solar se congelarían o escaparían . Sin embargo, esta hipótesis se basó en una masa de Plutón muy sobreestimada. [53] En ese momento no existían datos de observación sobre su atmósfera y composición química. [9]
La primera evidencia fuerte, aunque indirecta, de la atmósfera apareció en 1976. La fotometría infrarroja realizada por el telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros reveló hielo de metano [54] en la superficie de Plutón, que debe sublimar significativamente a las temperaturas plutonianas. [1]
La existencia de la atmósfera de Plutón se demostró mediante ocultación estelar . Si una estrella es ocultada por un cuerpo sin atmósfera, su luz desaparece bruscamente, pero las ocultaciones de Plutón muestran una disminución gradual. Esto se debe principalmente a la refracción atmosférica (no a la absorción ni a la dispersión). [1] [30] Las primeras observaciones de este tipo fueron realizadas el 19 de agosto de 1985 por Noah Brosch y Haim Mendelson del Observatorio Wise en Israel. [29] [55] Pero la calidad de los datos fue bastante baja debido a las condiciones de observación desfavorables (además, la descripción detallada [56] se publicó sólo 10 años después). [9] El 9 de junio de 1988 se demostró convincentemente la existencia de la atmósfera [1] mediante observaciones de ocultación realizadas en ocho lugares (los mejores datos los obtuvo el Observatorio Aerotransportado de Kuiper ). Se midió la altura de escala de la atmósfera, lo que permitió calcular la relación entre la temperatura y la masa molecular media. La temperatura y la presión en sí eran imposibles de calcular en ese momento debido a la ausencia de datos sobre la composición química de la atmósfera y a una gran incertidumbre en el radio y la masa de Plutón. [28] [57] [58]
La cuestión de la composición fue respondida en 1992 mediante los espectros infrarrojos de Plutón por el Telescopio Infrarrojo del Reino Unido de 3,8 metros . [59] [60] La superficie de Plutón resultó estar cubierta principalmente por hielo de nitrógeno . Dado que el nitrógeno es, además, más volátil que el metano , esta observación implicó una prevalencia de nitrógeno también en la atmósfera (aunque no se observó nitrógeno gaseoso en el espectro). Además, se descubrió una pequeña mezcla de monóxido de carbono congelado. [8] [12] [59] El mismo año, las observaciones realizadas por el Telescopio Infrarrojo de la NASA de 3,0 metros revelaron la primera evidencia concluyente de metano gaseoso. [9] [22]
Para comprender el estado de la atmósfera es necesario conocer la temperatura de la superficie. Las mejores estimaciones se derivan de mediciones de las emisiones térmicas de Plutón. Los primeros valores, calculados en 1987 a partir de observaciones del IRAS , fueron de aproximadamente 55 a 60 K , y estudios posteriores sugirieron 30 a 40 K. [1] [9] En 2005, las observaciones realizadas por el Submillimeter Array lograron distinguir las emisiones de Plutón y Caronte, y se midió que la temperatura promedio de la superficie de Plutón era 42 ± 4 K ( -231 ± 4 ° C ). Hacía aproximadamente 10 K más frío de lo esperado; la diferencia puede deberse al enfriamiento por sublimación del hielo de nitrógeno. [34] [61] Investigaciones adicionales revelaron que la temperatura es muy diferente en diferentes regiones: de 40 a 55-60 K. [1]
Alrededor del año 2000, Plutón entró en campos ricos en estrellas de la Vía Láctea , donde residirá hasta la década de 2020. Las primeras ocultaciones estelares después de 1988 se produjeron el 20 de julio y el 21 de agosto de 2002 por equipos dirigidos por Bruno Sicardy del Observatorio de París [29] y James L. Elliot del MIT . [30] [38] La presión atmosférica resultó ser aproximadamente 2 veces mayor que en 1988. La siguiente ocultación observada fue el 12 de junio de 2006, [7] [62] y las posteriores ocurrieron con mayor frecuencia. [1] [4] [8] [36] [63] El procesamiento de estos datos muestra que la presión continúa aumentando. [4] [8] Los días 29 y 30 de junio de 2015 se observó la ocultación de una estrella excepcionalmente brillante, aproximadamente 10 veces más brillante que el propio Sol, solo 2 semanas antes del encuentro con New Horizons . [37] [64] [65]
El 14 de julio de 2015, la nave espacial New Horizons realizó las primeras exploraciones de la atmósfera de Plutón desde una distancia cercana, incluidas mediciones de ocultación de radio y observaciones del debilitamiento de la radiación solar durante el vuelo a través de la sombra de Plutón. Proporcionó las primeras mediciones directas de los parámetros de la atmósfera inferior. La presión superficial resultó ser de 1,0 a 1,1 Pa . [2] [10] [40]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )