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La exometeorología es el estudio de las condiciones atmosféricas de los exoplanetas y otros cuerpos celestes no estelares fuera del Sistema Solar , como las enanas marrones . [1] [2] La diversidad de posibles tamaños, composiciones y temperaturas de los exoplanetas (y las enanas marrones) conduce a una diversidad similar de condiciones atmosféricas teorizadas. Sin embargo, la tecnología de detección de exoplanetas solo recientemente [ ¿cuándo? ] se ha desarrollado lo suficiente como para permitir la observación directa de las atmósferas de los exoplanetas, por lo que actualmente hay muy pocos datos observacionales sobre las variaciones meteorológicas en esas atmósferas.
Los modelos climáticos se han utilizado para estudiar el clima de la Tierra desde la década de 1960 y otros planetas de nuestro sistema solar desde la década de 1990. [3] Una vez que se descubrieron los exoplanetas, esos mismos modelos se utilizaron para investigar los climas de planetas como Proxima Centauri b y el ahora refutado Gliese 581g . Estos estudios simularon qué presiones atmosféricas y composiciones son necesarias para mantener agua líquida en la superficie de cada exoplaneta terrestre, dadas sus distancias orbitales y períodos de rotación . [3] Los modelos climáticos también se han utilizado para estudiar las posibles atmósferas del Júpiter caliente HD 209458b , el Neptuno caliente GJ 1214b y Kepler-1649b , un análogo teórico de Venus . [3] [4] [5] [6]
Estos modelos suponen que el exoplaneta en cuestión tiene una atmósfera para determinar su clima . Sin una atmósfera, las únicas variaciones de temperatura en la superficie del planeta se deberían a la insolación de su estrella. [7] Además, las principales causas del clima (las diferencias de presión y temperatura del aire que impulsan los vientos y el movimiento de las masas de aire) solo pueden existir en un entorno con una atmósfera significativa, en contraposición a una atmósfera tenue y, en consecuencia, bastante estática, como la de Mercurio. [8] Por lo tanto, la existencia de clima exometeorológico (a diferencia del clima espacial ) en un exoplaneta depende de si tiene atmósfera o no.
La primera atmósfera de exoplaneta jamás observada fue la de HD 209458b , un Júpiter caliente que orbita una estrella de tipo G similar en tamaño y masa a nuestro sol. Su atmósfera fue descubierta por espectroscopia ; cuando el planeta transitó su estrella, su atmósfera absorbió parte de la luz de la estrella de acuerdo con el espectro de absorción detectable de sodio en la atmósfera del planeta. [9] Si bien la presencia de sodio fue refutada más tarde, [10] ese descubrimiento allanó el camino para que se observaran y midieran muchas otras atmósferas de exoplanetas. Recientemente, se han observado atmósferas de exoplanetas terrestres ; en 2017, astrónomos que usaron un telescopio en el Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile encontraron una atmósfera en el exoplaneta del tamaño de la Tierra Gliese 1132 b . [11]
Sin embargo, medir las variaciones meteorológicas tradicionales en la atmósfera de un exoplaneta (como la precipitación o la cobertura de nubes) es más difícil que observar solo la atmósfera, debido a las resoluciones limitadas de los telescopios actuales. Dicho esto, algunos exoplanetas han mostrado variaciones atmosféricas cuando se observan en diferentes momentos y otras evidencias de clima activo. Por ejemplo, un equipo internacional de astrónomos observó en 2012 variaciones en las velocidades de escape de hidrógeno de la atmósfera de HD 189733 b utilizando el telescopio espacial Hubble . [12] Además, HD 189733 b y Tau Boötis Ab tienen sus temperaturas superficiales más altas desplazadas hacia el este desde sus puntos subsolares , lo que solo es posible si esos planetas bloqueados por mareas tienen vientos fuertes que desplazan el aire calentado hacia el este, es decir, un viento del oeste . [13] Por último, las simulaciones por computadora de HD 80606b predicen que el aumento repentino de la insolación que recibe en el periastrón genera tormentas de viento similares a ondas de choque que resuenan alrededor del planeta y distribuyen la repentina entrada de calor. [14]
Las observaciones empíricas del clima en exoplanetas son todavía rudimentarias, debido a las resoluciones limitadas de los telescopios actuales. Las pequeñas variaciones atmosféricas que se pueden observar generalmente están relacionadas con el viento, como las variaciones en las velocidades de escape del hidrógeno atmosférico en HD 189733b [12] o simplemente las velocidades de los vientos que circulan globalmente en ese mismo planeta. [16] Sin embargo, una serie de otras propiedades observables, no meteorológicas, de los exoplanetas influyen en el clima exoclimático que se teoriza que ocurre en sus superficies; algunas de estas propiedades se enumeran a continuación.
Como se mencionó anteriormente, la exometeorología requiere que un exoplaneta tenga una atmósfera. Algunos exoplanetas que actualmente no tienen atmósfera comenzaron con una; sin embargo, es probable que hayan perdido sus atmósferas primigenias debido al escape atmosférico [17] de la insolación estelar y las llamaradas estelares o las hayan perdido debido a impactos gigantes [18] que despojaron al exoplaneta de su atmósfera.
Algunos exoplanetas, específicamente los planetas de lava , podrían tener atmósferas parciales con patrones meteorológicos únicos. Los mundos de lava bloqueados por mareas reciben tanta insolación estelar que parte de la corteza fundida se vaporiza y forma una atmósfera en el lado diurno del planeta. Los fuertes vientos intentan llevar esta nueva atmósfera al lado nocturno del planeta; sin embargo, la atmósfera vaporizada se enfría a medida que se acerca al lado nocturno del planeta y se precipita de nuevo a la superficie, colapsando esencialmente una vez que alcanza el terminador . Este efecto se ha modelado basándose en datos de tránsitos de K2-141b [19] así como CoRoT-7b , Kepler-10b y 55 Cancri e . [20] Este patrón inusual de evaporación de la corteza, vientos de kilómetros por segundo y colapso atmosférico a través de la precipitación podría demostrarse con observaciones de telescopios avanzados como el Webb . [19]
Los exoplanetas con atmósferas completas pueden tener diversos rangos de condiciones climáticas, similares al clima en los planetas terrestres y gigantes gaseosos de nuestro Sistema Solar . [13] Las atmósferas planetarias permiten la circulación global del aire, la distribución de la energía térmica estelar, [13] y un ciclo químico relativamente rápido , como se ve en el transporte de material de la corteza por las atmósferas parciales de los mundos de lava y los propios ciclos del agua y el carbono de la Tierra . Esta capacidad de ciclar y distribuir globalmente la materia y la energía puede generar lluvia de hierro en los Júpiter calientes, [13] vientos superrotativos de 2 km/s (4500 mph) en HD 189733b , [16] y precipitación atmosférica y colapso en mundos bloqueados por mareas. [21]
Uno de los factores más importantes que determinan las propiedades de un exoplaneta es su período orbital , o su distancia promedio a su estrella. Esto por sí solo determina la temperatura efectiva de un planeta (la temperatura de base sin el aislamiento adicional de una atmósfera) [7] y la probabilidad de que el planeta esté bloqueado por mareas [22] . Estos, a su vez, pueden afectar las composiciones químicas de las nubes que pueden estar presentes en la atmósfera de un planeta, [13] el movimiento general de transferencia de calor y circulación atmosférica [23] y los lugares donde puede haber clima (como en el caso de los mundos de lava bloqueados por mareas con atmósferas parciales).
Por ejemplo, el período orbital de un gigante gaseoso puede determinar si sus patrones de viento son principalmente advectivos (el calor y el aire fluyen desde la parte superior de la atmósfera calentada por las estrellas hacia la parte inferior) o convectivos (el calor y el aire fluyen desde abajo, cerca del núcleo del planeta que se contrae gradualmente , hacia arriba a través de la atmósfera). Si la atmósfera de un gigante gaseoso recibe más calor de la insolación que la contracción gravitatoria interminable del planeta, entonces tendrá patrones de circulación advectivos; si la fuente de calor opuesta es más fuerte, tendrá patrones de circulación convectivos, como los que presenta Júpiter . [13]
Además, la radiación estelar incidente promedio de un exoplaneta, determinada por su período orbital, puede determinar qué tipos de ciclo químico podría tener un exoplaneta. El ciclo del agua de la Tierra ocurre porque la temperatura promedio de nuestro planeta está lo suficientemente cerca del punto triple del agua (a presiones atmosféricas normales) como para que la superficie del planeta pueda sostener tres fases de la sustancia química; se teoriza que hay un ciclo similar para Titán , ya que su temperatura y presión superficiales están cerca del punto triple del metano . [24]
De manera similar, la excentricidad orbital de un exoplaneta (qué tan elíptica es la órbita del planeta) puede afectar la radiación estelar incidente que recibe en diferentes puntos de su órbita y, por lo tanto, puede afectar su meteorología. Un ejemplo extremo de esto son las tormentas similares a ondas de choque de HD 80606b que ocurren siempre que el planeta alcanza el punto más interno de su órbita extremadamente excéntrica. La diferencia de distancia entre su apastrón (análogo al afelio de la Tierra ) y su periastrón ( perihelio ) es tan grande que la temperatura efectiva del planeta varía mucho a lo largo de su órbita. [14] Un ejemplo menos extremo es la excentricidad en la órbita de un exoplaneta terrestre. Si el planeta rocoso orbita alrededor de una estrella enana roja tenue , ligeras excentricidades pueden conducir a variaciones efectivas de temperatura lo suficientemente grandes como para colapsar la atmósfera del planeta, dadas las composiciones atmosféricas, temperaturas y presiones adecuadas. [21]
