La superrotación atmosférica es un fenómeno en el que la atmósfera de un planeta gira más rápido que el planeta mismo. Este comportamiento se observa en la atmósfera de Venus , la atmósfera de Titán , la atmósfera de Júpiter y la atmósfera de Saturno. Venus exhibe la superrotación más extrema, con su atmósfera dando vueltas alrededor del planeta en cuatro días terrestres, mucho más rápido que la rotación de su propio planeta. El fenómeno de la superrotación atmosférica puede influir en el clima y la dinámica atmosférica de un planeta.
Para comprender la superrotación, el papel de las ondas y las inestabilidades atmosféricas es crucial. Estas dinámicas, incluidas las ondas de Rossby y las ondas Kelvin , son fundamentales para transferir impulso y energía dentro de las atmósferas, lo que contribuye al mantenimiento de la superrotación. Por ejemplo, en Venus, se cree que la interacción de las mareas térmicas con las ondas de Rossby de escala planetaria contribuye significativamente a sus rápidos vientos superrotacionales. De manera similar, en la atmósfera de la Tierra, las ondas Kelvin se generan hacia el este a lo largo del ecuador, desempeñando un papel vital en fenómenos como El Niño-Oscilación del Sur , lo que demuestra las implicaciones más amplias de estas dinámicas en la ciencia atmosférica.
La atmósfera de Venus es un caso destacado de superrotación extrema; La atmósfera venusina rodea el planeta en sólo cuatro días terrestres, mucho más rápido que el día sidéreo de Venus de 243 días terrestres. [1] Las observaciones iniciales de la súper rotación de Venus se realizaron desde la Tierra. Los modelos y observaciones modernos de GCM a menudo se mejoran al observar los climas antiguos del pasado. En un modelo en el que se supone que Venus tiene una masa atmosférica similar a la de la Tierra, la circulación SS-AS podría haber dominado a la superrotación en una atmósfera antigua más delgada. [2]
La superrotación presente en la estratosfera de Titán ha sido inferida por la Voyager IRIS, Cassini CIRIS, observaciones de temperatura y ocultación estelar y cambios Doppler de la señal de radio de la sonda Huygens. [3] Los gradientes de presión latitudinales establecidos a partir de mediciones tomadas por la Voyager IRIS fueron suficientes para producir una superrotación de la atmósfera. [4] Se observaron vientos zonales estratosféricos en Titán del orden de 100 a 200 ms −1 , [5] más rápidos que los vientos zonales más altos en la Tierra a ~60-70 ms −1 . Las preguntas sobre el efecto de la oblicuidad en la superrotación en Titán a menudo se comparan con las de Venus, ya que comparten aceleraciones centrífugas similares para lograr el equilibrio dinámico. Cualquier variación estacional provocada por la oblicuidad entre Titán y Venus es muy diferente, ya que la pequeña oblicuidad de Venus a 2,7° niega cualquier efecto estacional fuerte. La oblicuidad de los titanes a 26,7° es lo suficientemente alta como para provocar variaciones estacionales dentro del giro estratosférico. [4] Los intentos de modelar la superrotación en los gigantes gaseosos, incluido Titán, han sido abundantes. Las primeras observaciones de Titán en la década de 1980 revelaron poca información sobre la circulación dentro de la atmósfera debido a la neblina fotoquímica de bajo contraste que cubre la luna. El primer modelo de circulación general (GCM) de la década de 1990 proporcionó información sobre las propiedades estratosféricas que deberían esperarse en Titán tras observaciones adicionales y predijo una superrotación con vientos de hasta 200 m/s. [6] La superrotación fue respaldada por el primer GCM Titán 3D creado por el Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD), en el que utilizaron una atmósfera similar a las observaciones de la Voyager y recientemente de Cassini.
El GCM más reciente que puede simular con éxito la superrotación en la estratosfera es TitanWRF. Siguiendo el modelo de PlanetWRF, que fue diseñado para ser un modelo global de pronóstico, investigación y clima (WRF), TitanWRF agregó física planetaria y parámetros generalizados para producir un modelo de superrotación exitoso. El trabajo realizado con TitanWRF v2 pudo simular gradientes de temperatura latitudinal, chorros de viento zonales y superrotación en la estratosfera. [3] Al comparar las simulaciones de TitanWRF v2 con modelos de forzamiento solar constante (sin ciclo estacional), [7] mostró que en estos últimos, se produjo una rápida acumulación de rotación, alcanzando > 100 m/s, en unos pocos años de Titán. Los parámetros de estos modelos de forzamiento más antiguos difieren mucho en los mecanismos implicados en la generación de la superrotación inicial en comparación con los modelos TitanWRF más realistas. Después del giro inicial, las similitudes evolucionan entre los diferentes modelos cuando se produce un estado estacionario, [3] pero difieren nuevamente en los estados finales del modelo. El mecanismo inicial que produce el giro hasta la superrotación sigue siendo una cuestión pendiente, ya que las correlaciones entre modelos difieren mucho dentro de este régimen.
Las cimas de las nubes visibles de Júpiter y Saturno proporcionan más evidencia de su profunda circulación atmosférica, lo que demuestra la presencia de superrotación atmosférica. [8] Las auroras de Júpiter, en particular, resaltan los rápidos movimientos atmosféricos del planeta a través de su brillo etéreo y las diferentes profundidades de las nubes.
En la Tierra, existe el fenómeno de que su termosfera tiene una ligera superrotación neta, que excede la velocidad de rotación de la superficie. La magnitud de este fenómeno varía ampliamente según los distintos modelos. [9] [10] [11] Algunos modelos sugieren que es probable que el calentamiento global provoque un aumento en la superrotación en el futuro, incluido un posible cambio en los patrones de los vientos en la superficie. [12] [13] En los modelos GCM simplificados, la superrotación ecuatorial emerge sin oblicuidad y sin la adición de anomalías de calentamiento tropical. [5] En la actualidad, un contrapeso entre el par de Coriolis del este y el par del oeste mantiene la subrotación en la troposfera tropical superior. Esto lleva a la posibilidad de que con fuentes de ondas tropicales y más cálidas en climas antiguos del pasado, la atmósfera de la Tierra podría haber superrotado. [14]
La superrotación en las atmósferas planetarias se extiende al estudio de exoplanetas, en particular los Júpiter calientes. Estos mundos distantes, que orbitan cerca de sus estrellas, a menudo exhiben condiciones atmosféricas extremas, incluida la superrotación, que influye en sus estructuras térmicas y su potencial habitabilidad. Las observaciones realizadas desde telescopios como el Telescopio Espacial Hubble han revelado velocidades de viento superrotacionales de miles de kilómetros por hora en algunos Júpiter calientes. Además, el fenómeno muestra cómo los Júpiter calientes están bloqueados por mareas, donde un lado mira continuamente a la estrella. Esto sugiere un mecanismo para la distribución del calor en los planetas, un factor para comprender sus condiciones y patrones climáticos.