El vórtice polar de Venus

Venus Express (VEX) nos ha mostrado Venus de una manera diferente, tanto en la luz reflejada (mostrada aquí en azul) como en la emisión térmica del planeta (cuadro en tonos rojos). Entre otras cosas, nos ha permitido estudiar al detalle el vórtice polar sur del planeta. Todas las imágenes en esta entrada son cortesía de Itziar Garate y han sido tomadas de su tesis doctoral.

El pasado 18 de diciembre defendía su tesis doctoral, dirigida por Agustín Sánchez Lavega y Ricardo Hueso, nuestra compañera Itziar Garate Lopez. Para cualquier grupo de investigación es un éxito la defensa de una tesis, pero cuando el trabajo que la sustenta es tan completo y está tan bien presentado como en este caso, la satisfacción es doble. Además, la casualidad quiso que la tesis se defendiera coincidiendo con el anuncio de que la misión Venus Express, en cuyos datos del instrumento VIRTIS se basaba el trabajo, se había perdido definitivamente en la atmósfera del planeta, cerrando más de una década de trabajo para muchos equipos. La primera parte del trabajo de Itziar lo comenté en esta entrada de Mapping Ignorance, pero aquí me gustaría ampliar aquel comentario con todo lo que vino después.

Nos vamos a Venus, planeta similar en muchos aspectos al nuestro pero con una atmósfera terrorífica. Más de 90 bares de presión en superficie, temperaturas elevadísimas capaces de fundir algunos metales, nubes de ácido sulfúrico; en resumidas cuentas, todo un infierno, merced a su efecto invernadero desbocado. Concretamente vamos a viajar al polo sur de Venus, donde una estructura de circulación cerrada (vórtice, en la jerga planetaria) domina la atmósfera. Desde los finales de los 70, gracias a las misiones Mariner y Pioneer que visitaron el planeta, se conoce esta peculiar estructura con forma de S, o dipolo,  aunque hasta la llegada de VEX no hemos podido estudiarla en profundidad.

Tal y como se discutía en el artículo publicado en Nature Geoscience (ver la entrada en MI para una presentación sencilla), se observó el vórtice polar sur durante más de cuatro años. Resultó ser una estructura permanente pero al mismo tiempo enormemente variable, en escalas de tiempo que a veces bajaban hasta las 24 horas. La morfología cambiante, sin embargo, parecía coherente a lo largo de todos los niveles de altura sondeados por VIRTIS, Observando los movimientos de las estructuras nubosas es posible también determinar las velocidades de los vientos. Al igual que sucedía con la morfología del vórtice, también la circulación variaba enormemente, si bien los valores promedios eran bastante estables. También los vientos podían cambiar fuertemente con la altura de forma local, si bien en promedio, la variación vertical de estos era muy baja. El vórtice resultaba ser una estructura caótica y variable, aunque permanente. ¿Qué puede generar y mantener una estructura como esta? Para comprenderlo, era necesario profundizar más en los datos que VEX podía ofrecernos.

Mapas de vorticidad potencial a 63km de altura comparadas con la morfología del vórtice, vista a 3.8/5.1 micras. Esta comparativa muestra la relación entre el parámetro físico y la morfología, ambos enormemente variables.

El siguiente paso consistió en utilizar los datos de VIRTIS para obtener medidas de la temperatura a lo largo de la atmósfera. Utilizando la radiancia emitida por el planeta en cada punto, es posible modelizar la temperatura a la que se debe encontrar cada una de las capas que contribuyen a la radiación observada. Sin embargo, dadas las elevadas temperaturas de la atmósfera de Venus y las longitudes de onda a las que trabaja VIRTIS, este problema no está exento de complicaciones, dado que las densas nubes del planeta contribuyen y modulan la radiación que llega a nuestros detectores.

Sin embargo, con un poco de trabajo es posible desentrañar el mapa de temperaturas. Esto nos permite determinar, por ejemplo, las variaciones horizontales de temperatura, que van a jugar un papel importante en la circulación atmosférica. Las variaciones verticales de temperatura, por otro lado, nos van a permitir determinar lo fácil o difícil que es propagar un movimiento convectivo en la atmósfera polar. Una atmósfera inestable, por ejemplo, permitirá que se desarrollen movimientos verticales rápidos e intensos, lo que en nuestro planeta daría lugar a la formación de nubes tormentosas. Los mapas mostraron un collar frío alrededor del vórtice, algo que conocíamos desde los Mariner, con una atmósfera muy estable en todas las regiones pero con importantes diferencias de temperatura a un mismo nivel. Las piezas del puzzle empezaban a encajar.

Mapas de temperatura para diversas órbitas, promediados en la dirección este-oeste. El eje vertical muestra la altura sobre el suelo y el horizontal la latitud.

Conociendo la morfología, las velocidades de los vientos y la estructura térmica de la atmósfera, es posible determinar algunas cantidades dinámicas conservadas, es decir, parámetros dinámicos que se obtienen operando las cantidades anteriores y que no cambian a lo largo del flujo atmosférico. Una de estas cantidades es la vorticidad potencial de Ertel, que podemos usar como trazador de lo que realmente está sucediendo en un fenómeno meteorológico tan completo como el que estamos estudiando. Los primeros resultados muestran algunas similitudes importantes con los vórtices polares de otros planetas, como la Tierra o Marte, que por lo demás tienen unas circulaciones atmosféricas muy distintas de la de Venus.

Quizá más importante que lo que se hace en una tesis doctoral son las puertas que quedan abiertas para el futuro. Ahora mismo, hemos diseccionado casi por completo una estructura realmente curiosa e intrigante. Común en el sentido de que encontramos objetos análogos en otras atmósferas; única en el sentido de que sus peculiaridades no tienen parangón en el Sistema Solar. Queda por delante el reto de juntar todas estas piezas en un modelo predictivo, que sea capaz de capturar la física fundamental del objeto y que nos permita comprender por qué vemos lo que vemos. Hay tarea para rato, pero los datos de VIRTIS han demostrado ser una herramienta de primera categoría para abordar el problema.

Referencias

• Garate-Lopez, I. (2014). Dynamics of the South Polar Vortex of Venus, Ph.D. Thesis, Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea.
• Garate-Lopez, I., Hueso, R., Sánchez-Lavega, A., Peralta, J., Piccioni, G., Drossart, P. (2013). A chaotic long-lived vortex at the southern pole of Venus. Nature Geoscience, 6(4), 254 − 257.
• Garate-Lopez, I., García Muñoz, A., Hueso, R., Sánchez-Lavega, A. (2015). Instantaneous three-dimensional thermal structure of the South Polar Vortex of Venus. Icarus, 245, 16 − 31.
• Garate-Lopez, I., Hueso, R., S ́anchez-Lavega, A., García Muñoz, A. (in preparation). Cloud top level potential vorticity of Venus’ South Polar Vortex.