La atmósfera de Plutón es la capa de gases que rodea al planeta enano Plutón . Está compuesta principalmente de nitrógeno (N2 ) , con cantidades menores de metano (CH4 ) y monóxido de carbono (CO), todos los cuales se vaporizan a partir de los hielos superficiales de Plutón . Contiene una neblina en capas, probablemente compuesta de compuestos más pesados que se forman a partir de estos gases debido a la radiación de alta energía. La atmósfera de Plutón es notable por sus fuertes y no completamente comprendidos cambios estacionales causados por peculiaridades de la rotación orbital y axial de Plutón. [6]
La presión superficial de la atmósfera de Plutón, medida por la sonda 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), [6] pero aumenta rápidamente con la altitud debido a un efecto invernadero generado por el metano . Cerca de la altitud de 30 km alcanza 110 K (−163 °C), donde luego disminuye lentamente con la altura. [7]
Plutón es el único objeto transneptuniano con una atmósfera conocida. [7] Su análogo más cercano es la atmósfera de Tritón , aunque en algunos aspectos se parece incluso a la atmósfera de Marte . [8] [9]
La atmósfera de Plutón se ha estudiado desde la década de 1980 mediante la observación desde la Tierra de ocultaciones de estrellas por parte de Plutón [10] [11] y mediante espectroscopia . [12] En 2015, fue estudiada desde una distancia cercana por la nave espacial New Horizons . [4] [2]
El componente principal de la atmósfera de Plutón es el nitrógeno . El contenido de metano , según las mediciones de New Horizons , es del 0,25%. [4] [b] Para el monóxido de carbono , las estimaciones rondan el 0,0515%. [5] 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] ), incluyendo etano (C 2 H 6 ), etileno (C 2 H 4 ), acetileno (C 2 H 2 ), hidrocarburos más pesados y nitrilos [15] [16] [17] y cianuro de hidrógeno (HCN) [18] (la cantidad de etileno es de alrededor del 0,0001%, y la de acetileno es de alrededor del 0,0003%). [4] 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). [4] [19]
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 [6] ) 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 [6] ) se acerca a 10 000 Pa , 3000 Pa y 10 Pa respectivamente. Para los hidrocarburos más pesados que el metano, agua , amoniaco , dióxido de carbono y cianuro de hidrógeno, esta presión permanece insignificantemente baja (alrededor de 10 −5 Pa o incluso menor), lo que indica ausencia de volatilidad en las condiciones de Plutón (al menos en la atmósfera inferior fría). [14] [20]
Se podría esperar que el metano y el monóxido de carbono, debido a su menor abundancia y volatilidad, muestren desviaciones más fuertes del equilibrio de presión con 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 20-30 km inferiores), la longitud o el tiempo. [8] [21] 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] [21] [22] Es notable que la concentración observada de metano es 2 órdenes de magnitud más alta que la esperada a partir de la ley de Raoult sobre la base de su concentración en el hielo superficial y la relación de las presiones de sublimación del metano y el nitrógeno. [8] [23] Las razones de esta discrepancia son desconocidas. Podría deberse a la existencia de parches separados de hielo de metano relativamente limpio, o debido a un mayor contenido de metano en la capa superior de hielo mixto habitual. [8] [22]
Los cambios estacionales y orbitales de la insolación provocan la migración de los hielos superficiales: se subliman en algunos lugares y se condensan en otros. Según algunas estimaciones, esto provoca cambios de tamaño de un metro en su espesor. [11] Esto, junto con los cambios en la geometría de observación, da como resultado cambios apreciables en el brillo y el color de Plutón. [8]
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 de calentamiento [13] y el monóxido de carbono es un agente de enfriamiento (aunque el grado de enfriamiento aportado por el monóxido de carbono no está completamente claro). [7] [24]
La sonda New Horizons ha descubierto en la atmósfera de Plutón una neblina de varias capasque cubre la totalidad del planeta enano y alcanza altitudes superiores a los 200 km. Las mejores imágenes muestran unas 20 capas de neblina. La extensión horizontal de las capas no es inferior a 1000 km. El espesor de las capas varía de 1 a más de 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. [2] [26]
A pesar de la muy baja densidad de la atmósfera, la neblina es bastante apreciable: incluso dispersa suficiente luz para permitir fotografiar algunos detalles del lado nocturno de Plutón. [27] Se ven largas sombras de montañas en la neblina. [26] Su profundidad óptica normal se estima en 0,004 [4] o 0,013 [2] (por lo tanto, disminuye la intensidad de un haz de luz vertical en o ; para la luz rasante el efecto es mucho más fuerte). La altura de escala de la neblina es de 45-55 km ; [4] [2] coincide aproximadamente con la altura de escala de presión en la atmósfera media. [10] A las alturas de 100-200 km disminuye a 30 km. [2]
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 100 nm. Esto se puede explicar por la agregación de partículas pequeñas (decenas de nm) en grupos más grandes (cientos de nm). [2]
La neblina probablemente consiste de partículas de compuestos no volátiles, que se sintetizan a partir de gases atmosféricos bajo la influencia de la radiación cósmica de alta energía. [4] [15] [28] Las capas muestran la presencia de ondas atmosféricas (cuya presencia también es sugerida por observaciones de ocultaciones), [29] [4] y tales ondas pueden ser creadas por el viento que sopla sobre la superficie rugosa de Plutón. [2]
La neblina es la causa más probable de la distorsión en la curva de intensidad de la luz en función del tiempo obtenida por la 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 por encima. Una distorsión similar se observó durante la ocultación estelar en 1988. En un principio también se interpretó como un debilitamiento de la luz por la neblina, [30] pero ahora se piensa que es principalmente el resultado de un fuerte gradiente de temperatura inverso en la atmósfera inferior. [26] Durante ocultaciones posteriores (cuando la atmósfera de Plutón ya era ≥2 veces más densa) esta distorsión no existía. [7] [10] [31]
En 2002 se obtuvieron más pruebas de la neblina 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. [c] [32] Esto se interpretó como una evidencia confiable [8] [33] de dispersión de luz por aerosoles (similar al enrojecimiento del Sol naciente). Sin embargo, esta característica estuvo ausente durante ocultaciones posteriores (incluida la del 29 de junio de 2015), [8] [33] y el 14 de julio de 2015, New Horizons encontró que la neblina era azul. [34]
En el último lote de imágenes recibidas de New Horizons , se observaron varias nubes potenciales. [35]
Plutón no tiene troposfera o casi no la tiene ; las observaciones de la sonda New Horizons sugieren que solo tiene una fina capa límite troposférica . Su espesor en el lugar de la medición era de 4 km y la temperatura era de 37 ± 3 K. La capa no es continua. [2]
Por encima se encuentra una capa cuya temperatura aumenta rápidamente con la altura, la estratosfera . El gradiente de temperatura se estima en 2,2 [10] 3–15 [13] o 5,5 [8] grados por km. Es resultado del efecto invernadero , causado por el metano . La temperatura media de la superficie es de 42 ± 4 K (medida en 2005), [36] y el valor medio para toda la atmósfera es de 90+25
−18K (2008). [13] [24] [37]
A una altura de 20–40 km la temperatura alcanza su máximo ( 100–110 K ; estratopausa ) y luego disminuye lentamente (alrededor de 0,2 K/km ; [7] mesosfera ). [7] [8] [10] Las causas de esta disminución no están claras; podría estar relacionada con el efecto de enfriamiento del monóxido de carbono , [24] o cianuro de hidrógeno , u otras razones. [7] Por encima de los 200 km la temperatura alcanza aproximadamente 80 K y luego permanece constante. [7]
La temperatura de las capas superiores de la atmósfera no muestra cambios temporales notables. En 1988, 2002 y 2006 fue aproximadamente constante e igual a 100 K (con una incertidumbre de 10 K ), a pesar de un aumento de presión del doble. Tampoco depende de la latitud o de las condiciones matinales o vespertinas: la temperatura es la misma sobre cada parte de la superficie. [8] Es consistente con los datos teóricos, que predicen una rápida mezcla de la atmósfera. [8] Pero hay evidencia de pequeñas heterogeneidades verticales en la temperatura. Se revelan en picos agudos y breves de brillo durante las ocultaciones estelares. [31] La amplitud de estas heterogeneidades se estima en 0,5-0,8 K en la escala de unos pocos kilómetros. Pueden ser causadas por ondas de gravedad atmosféricas o turbulencia, que pueden estar relacionadas con la convección o el viento. [31]
La interacción con la atmósfera influye considerablemente en la temperatura de la superficie. Los cálculos muestran que la atmósfera, a pesar de su muy baja presión, puede reducir considerablemente las variaciones diurnas de temperatura. [38] Sin embargo, aún quedan variaciones de temperatura de unos 20 K , en parte debido al enfriamiento de la superficie debido a la sublimación de los hielos. [6]
La presión de la atmósfera de Plutón es muy baja y fuertemente dependiente 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. [39] [11] [38] [40] Esto probablemente se debe a que el polo norte de Plutón salió a la luz solar en 1987, lo que intensificó la evaporación de nitrógeno del hemisferio norte, [31] [41] [d] mientras que su polo sur todavía está demasiado cálido para la condensación de nitrógeno. [11] Los valores absolutos de la presión superficial son difíciles de obtener a partir de datos de ocultación, porque estos datos no suelen llegar a las capas más bajas de la atmósfera. Por lo tanto, la presión superficial tiene que ser extrapolada, y esto es algo ambiguo debido a que la dependencia de la altura de la temperatura y, en consecuencia, la presión no es completamente clara. También se debe conocer el radio de Plutón, pero antes de 2015 no se había podido determinar con precisión, por lo que antes era imposible calcular valores precisos de la presión en la superficie de Plutón. Para algunas ocultaciones desde 1988, se calculó la presión para un nivel de referencia de 1275 km desde el centro de Plutón (que más tarde resultó ser de 88 ± 4 km desde la superficie). [7] [11] [38]
Las curvas de presión en función de la distancia desde el centro, obtenidas a partir de ocultaciones en 1988 y 2002, [31] en combinación con el radio ahora conocido de Plutón ( 1187 ± 4 km [4] ) 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 la distancia desde el centro de 1188 km (1 ± 4 km desde la superficie). [8] Una ocultación el 4 de mayo de 2013 proporcionó datos casi precisos para el nivel de la superficie (1190 km desde el centro, o 3 ± 4 km desde la superficie): 1,13 ± 0,007 Pa . [8] Una ocultación el 29/30 de junio de 2015, apenas dos semanas antes del encuentro de New Horizons , proporcionó una presión superficial de 1,3 ± 0,1 Pa . [39]
El 14 de julio de 2015, la sonda New Horizons obtuvo los primeros datos directos y fiables sobre las capas más bajas de la atmósfera de Plutón a partir de mediciones de radioocultación. Se estimó que la presión superficial era de 1 Pa ( 1,1 ± 0,1 a la entrada de la sonda detrás de Plutón y 1,0 ± 0,1 a la salida). [2] Esto es coherente con los datos de ocultación de años anteriores, [2] aunque algunos de los cálculos anteriores basados en estos datos dieron resultados aproximadamente dos veces superiores. [4] [42] [15]
La ocultación estelar del 17 de julio de 2019 ha demostrado que la presión atmosférica de Plutón ha caído aproximadamente un 30% desde los valores máximos en 2015, alcanzando 0,967+0,053
−0,034Pa. [43] El 6 de junio de 2020 se midió una mayor disminución de la presión a 0,91 ± 0,03 Pa. [3]
La altura de escala de la 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 la exponencial ). Esto se debe a fuertes variaciones de temperatura en la altura. Para la capa más baja de la atmósfera, la altura de escala es de aproximadamente 17 [21] –19 [9] km , y para alturas de 30 a 100 km , de 50 a 70 km . [2] [10] [30]
Debido a la excentricidad orbital , Plutón recibe en el afelio 2,8 veces menos calor que en el perihelio. [e] Esto debería provocar fuertes cambios en su atmósfera, aunque los detalles de estos procesos no están claros. En primer lugar, se pensaba que en el afelio la atmósfera debía congelarse en gran medida y caer sobre la superficie (esto se sugiere por la fuerte dependencia de la temperatura de la presión de sublimación de sus compuestos), pero modelos más elaborados predicen que Plutón tiene una atmósfera significativa durante todo el año. [6] [11]
El último paso de Plutón por su perihelio fue el 5 de septiembre de 1989. [6] 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° [44] ), que da lugar a largos días y noches polares en grandes partes de su superficie. Poco antes del perihelio, el 16 de diciembre de 1987, Plutón experimentó un equinoccio y su polo norte [f] salió de la noche polar, que había durado 124 años terrestres.
Los datos disponibles en 2014 permitieron a los científicos construir un modelo de los cambios estacionales en la atmósfera de Plutón. Durante el afelio anterior (1865) había una cantidad significativa de hielo volátil en los hemisferios norte y sur. Aproximadamente al mismo tiempo, se produjo el equinoccio y el hemisferio sur se inclinó hacia el Sol. Los hielos locales comenzaron a migrar hacia el 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 bastante caliente 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 siguen acumulándose en la atmósfera, aumentando su presión. Alrededor de 2035-2050 , el hemisferio sur se enfriará lo suficiente como para permitir una condensación intensa 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 sus hielos volátiles por completo, y su evaporación abastecerá la atmósfera incluso en el afelio. El cambio general de la presión atmosférica en este modelo es de aproximadamente 4 veces; el mínimo se alcanzó cerca de 1970-1980 , y el máximo será cerca de 2030. El rango completo de temperatura es de solo unos pocos grados. [11]
En julio de 2019, una ocultación de Plutón mostró que su presión atmosférica, en contra de las expectativas, había caído un 20% desde 2016. [45] En 2021, los astrónomos del Southwest Research Institute confirmaron el resultado utilizando datos de una ocultación en 2018, que mostró que la luz aparecía de forma menos gradual detrás del disco de Plutón, lo que indica un adelgazamiento de la atmósfera. [46]
Los primeros datos sugerían que la atmósfera de Plutón pierde entre 10 27 y 10 28 moléculas ( 50–500 kg ) de nitrógeno por segundo, una cantidad que corresponde a la pérdida de una capa superficial de hielos volátiles de varios cientos de metros o varios kilómetros de espesor durante la vida del Sistema Solar. [6] [9] [49] Sin embargo, datos posteriores de New Horizons revelaron que esta cifra estaba sobreestimada en al menos cuatro órdenes de magnitud; la atmósfera de Plutón está perdiendo actualmente solo 1×10 23 moléculas de nitrógeno y 5×10 25 moléculas de metano cada segundo. Esto supone una pérdida de varios centímetros de hielo de nitrógeno y varias docenas de metros de hielo de metano durante la vida del Sistema Solar. [2]
Las moléculas que escapan al espacio exterior a una velocidad lo suficientemente alta 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) de la nave espacial New Horizons realizó las primeras mediciones de esta región de iones atmosféricos de baja energía poco después de su aproximación más cercana el 14 de julio de 2015. Dichas mediciones permitirán al equipo SWAP determinar la velocidad a la que Plutón pierde su atmósfera y, a su vez, proporcionarán información sobre la evolución de la atmósfera y la superficie de Plutón. [50]
La capa de color marrón rojizo del polo norte de Caronte , la mayor de las lunas de Plutón ( Mordor Macula ), puede estar compuesta 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 mi) de distancia hasta la luna en órbita. Los modelos muestran que Caronte puede recibir alrededor del 2,5% de los gases perdidos por Plutón. [51] [52]
Ya en la década de 1940, Gerard Kuiper buscó evidencias de la atmósfera de Plutón en el espectro, [53] sin éxito. [12] En la década de 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 basaba en una masa de Plutón muy sobreestimada. [54] No existían datos observacionales sobre su atmósfera y composición química en ese momento. [12]
La primera evidencia sólida, aunque indirecta, de la atmósfera apareció en 1976. La fotometría infrarroja del telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros reveló hielo de metano [55] en la superficie de Plutón, que debe sublimarse significativamente a temperaturas plutonianas. [6]
La existencia de la atmósfera de Plutón se demostró mediante la ocultación estelar . Si una estrella es ocultada por un cuerpo sin atmósfera, su luz desaparece bruscamente, pero las ocultaciones por Plutón muestran una disminución gradual. Esto se debe principalmente a la refracción atmosférica (no a la absorción o dispersión). [6] [32] 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. [31] [56] Pero la calidad de los datos era bastante baja debido a las condiciones de observación desfavorables (además, la descripción detallada [57] se publicó solo 10 años después). [12] El 9 de junio de 1988, la existencia de la atmósfera se demostró de manera convincente [6] mediante observaciones de ocultación desde ocho sitios (los mejores datos se obtuvieron por el Observatorio Aerotransportado Kuiper ). Se midió la altura de escala de la atmósfera, lo que hizo posible calcular la relación entre la temperatura y la masa molecular media. La temperatura y la presión 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. [30] [58] [59]
La cuestión de la composición fue respondida en 1992 a través de los espectros infrarrojos de Plutón por el Telescopio Infrarrojo del Reino Unido de 3,8 metros . [60] [61] 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 vio nitrógeno gaseoso en el espectro). Además, se descubrió una pequeña mezcla de monóxido de carbono congelado. [11] [24] [60] El mismo año, las observaciones del Telescopio Infrarrojo de 3,0 metros de la NASA revelaron la primera evidencia concluyente de metano gaseoso. [12] [23]
Para comprender el estado de la atmósfera es necesario conocer la temperatura de la superficie. Las mejores estimaciones se derivan de las mediciones de la emisión térmica de Plutón. Los primeros valores, calculados en 1987 a partir de observaciones de IRAS , fueron de alrededor de 55-60 K , y estudios posteriores sugirieron 30-40 K. [ 6] [12] En 2005, las observaciones del Submillimeter Array lograron distinguir las emisiones de Plutón y Caronte, y se midió que la temperatura media de la superficie de Plutón era de 42 ± 4 K ( −231 ± 4 °C ). Era aproximadamente 10 K más fría de lo esperado; la diferencia puede deberse al enfriamiento por la sublimación del hielo de nitrógeno. [36] [62] Investigaciones posteriores revelaron que la temperatura es muy diferente en diferentes regiones: de 40 a 55-60 K . [6]
Alrededor del año 2000, Plutón entró en los campos ricos en estrellas de la Vía Láctea , donde residirá hasta la década de 2020. Las primeras ocultaciones estelares después de 1988 fueron el 20 de julio y el 21 de agosto de 2002 por equipos dirigidos por Bruno Sicardy del Observatorio de París [31] y James L. Elliot del MIT . [32] [40] La presión atmosférica resultó ser aproximadamente 2 veces mayor que en 1988. La siguiente ocultación observada fue el 12 de junio de 2006, [10] [63] y las posteriores ocurrieron con mayor frecuencia. [6] [7] [11] [38] [64] El procesamiento de estos datos muestra que la presión continúa aumentando. [7] [11] El 29 y 30 de junio de 2015, tan solo dos semanas antes del encuentro con New Horizons , se observó la ocultación de una estrella excepcionalmente brillante, aproximadamente 10 veces más brillante que el propio Sol. [39] [65] [66]
El 14 de julio de 2015, la sonda 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 1,0–1,1 Pa . [4] [2] [42]
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