Vientos de cambio

Esta entrada es una traducción de la originalmente publicada en Mapping Ignorance. Pincha aquí si quieres leerla. Esta entrada está también basada en la nota de prensa publicada por la Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea.

Admitámoslo desde el principio: Saturno es mi planeta favorito, ciertamente no soy neutral cuando hablo de su maravillosa actividad atmosférica. En mi defensa debo preguntar si conocéis rival para sus tormentas gigantes periódicas, flujo poligonales o cambios estacionales. Al telescopio, quizá Júpiter resulte más divertido pero a largo plazo Saturno acaba captando tu atención. Hace más de una década, el análisis de la estructura del increíble jet ecuatorial de Saturno fue parte de mi tesis doctoral y ahora, medio año saturniano después, volvemos a encontrar sorpresas en una reciente publicación de nuestro grupo [1].

La historia comienza en 2003. Después de medir sin descanso vectores de viento en imágenes del Telescopio Espacial Hubble, el profesor Agustín Sánchez Lavega encontró una increíble rebaja en el jet ecuatorial del planeta anillado [2]. Durante el sobrevuelo de las Voyager, a principios de los 80, Saturno tenía viento casi super-sónicos que soplaban a 1600 km/h de Oeste a Este. Un temporal que aparentemente amainó en los años siguientes y, a principios de los 90, circulaba aparentemente a la mitad de velocidad. Poco después, la misión Cassini de NASA fue insertada en su órbita alrededor de Saturno y fue capaz de estudiar, entre otras muchas cosas, los vientos a bajas latitudes [3]. Cassini estaba fenomenalmente equipada con filtros capaces de sondear diferentes niveles atmosféricos, demostrando que existía una intensa cizalla vertical con vientos más lentos en la parte superior y vientos rápidos unos cien kilómetros por debajo. No eran tan rápidos como los vientos Voyager pero se acercaban. ¿Era una cuestión de nubes situadas a diferentes alturas o había un cambio real en el flujo? Cuando cuantificamos las alturas de las estructuras nubosas para cada misión (Voyager, HST, Cassini) encontramos que se requería un cambio real en las velocidades del viento para conciliar todos los datos [4]. Una pérdida de 100 m/s en la atmósfera superior parecía funcionar bien. Sin embargo, no había mecanismo conocido capaz de producir semejante inyección de momento contra la incontenible inercia de la atmósfera. La sombra de los anillos y las tormentas gigantes fueron acusadas pero las pruebas, en forma de modelos numéricos, no eran concluyentes.

La serendipia entró en acción en junio de 2015. Un pequeño telescopio (con un diámetro de sólo 36cm) detectó una pequeña mancha brillante en el normalmente plano ecuador de Saturno. Se movía rápido, aparentemente a velocidades Voyager. También fue capturada por el Telescopio Espacial Hubble en imágenes adquiridas durante el tiempo discrecional del director concedido para estudiar una perturbación en la zona polar. Confirmado: era realmente rápido. Usando la selección de filtros de HST, también fuimos capaces esta vez de medir estructuras moviéndose no a dos sino a tres niveles de altura, progresivamente más parecidos a los vientos rápidos medidos durante el sobrevuelo de las Voyager. A profundidades de 150km, las velocidades del viento son indistinguibles de aquellas

Ahora tenemos un conjunto de datos tomados en los últimos treinta años que proporcionaron valores de las velocidades del viento que difieren en un factor dos. ¿Y si los colocamos en un eje vertical? El resultado se muestra en la figura 3. Se puede apreciar cómo los niveles verticales que cada época y misión cubren son muy diferentes. Esto sucede no sólo por efectos instrumentales, sino también por cambios reales en la distribución de nubes en esa región, probablemente debidos a la Gran Tormenta Blanca de 1990 que perturbó el ecuador en 1990. En esa figura, todo parece ser consistente excepto los vientos de Voyager. Determinar la altura de las estructuras nubosas que se veían en las imágenes de aquella misión fue complicado [4], pero la cima de las nubes llegaba a niveles mucho más altos de lo esperado. ¿Se movían realmente a la velocidad de ese nivel? ¿O estaban siendo arrastradas por el flujo profundo?

En ciencia, la mejor manera de romper un bloqueo es buscar técnicas alternativas. En atmósferas en equilibrio geostrófico (en las cuales la fuerza de Coriolis y la fuerza horizontal de presión son similares), es posible inferir la cizalla vertical del viento a partir de los gradientes meridionales de temperatura. Esto es lo que se conoce como ecuación del viento térmico y permite integrar hacia arriba desde un viento de referencia usando sólo datos de temperatura. La letra pequeña es que las aproximaciones más usuales no son válidas para el ecuador (donde la fuerza de Coriolis es nula) y requieren modificaciones [5]. Comparando el campo térmico medido por Voyager y Cassini (mostrado en la Figura 3) se puede ver que este último muestra una fuerte cizalla vertical, mientras que el primero nos habla de una atmósfera bastante diferente. Gradientes meridionales de temperatura bajos implican una cizalla vertical pequeña por lo que, incluso si los vientos fueran medidos a niveles más profundos de los que nosotros estimamos, las velocidades del viento habrían seguido siendo básicamente las mismas a todos los niveles. Nada parecido a la situación que observamos con Cassini.

En resumen, tanto las medidas directas por seguimiento de nubes como las inversiones de temperatura apoyan la idea de una atmósfera ecuatorial cambiante. Dejando a un lado sus desconocidas causas, este fenómeno podría estar relacionado con la oscilación semi-anual (SAO) que ya había sido detectada en Saturno muy por encima de las cimas de las nubes, en la estratosfera [5]. El acuerdo no es perfecto y el acoplamiento con la troposfera superior es difícil de explicar con nuestra comprensión actual de la atmósfera, pero la detección hace algunos años de un fortísimo jet a gran altura en latitud cero [6] también parece apoyar la existencia de tal conexión.

Hasta ahora hemos visto una serie de aspectos fenomenológicos que están en nuestra mesa como las piezas de un puzzle. Todavía no sabemos cómo encajan entre sí. Todavía peor, dado que los modelos de circulación general fallan a la hora de explicar las características generales del jet ecuatorial, podríamos incluso decir que hemos perdido la caja del puzzle y no sabemos ni qué dibujo debemos esperar. Ahora que se acerca el final de la misión Cassini, ha llegado el momento de reconsiderar nuestra estrategia: más observaciones, mejores modelos numéricos y teóricos y un reanálisis de los viejos datos quizá nos revelen algún día los secretos del jet ecuatorial de Saturno.

Referencias

[1] A. Sánchez-Lavega et al. (2016), An enduring rapidly moving storm as a guide to Saturn’s Equatorial jet’s complex structure, Nature Communications, doi: 10.1038/NCOMMS13262

[2] A. Sánchez-Lavega et al. (2003), A strong decrease of Saturn’s equatorial jet at cloud level, Nature 423, 623 – 625, doi: 10.1038/nature01653

[3] C.C. Porco et al. (2005), Cassini imaging science: first results on Saturn’s atmosphere. Science 307, 1243 – 1247, doi: 10.1126/science.1107691

[4] S. Pérez-Hoyos and A. Sánchez-Lavega (2006), On the vertical wind shear of Saturn’s Equatorial jet at cloud level, Icarus 180, 161 – 175, doi: 10.1016/j.icarus.2005.07.011

[5] L. Li et al. (2011), Equatorial winds on Saturn and the stratospheric oscillation, Nature Geosciences 4, 750 – 752, doi: 10.1038/ngeo1292

[6] E. García-Melendo et al. (2010), A strong high altitude narrow jet detected at Saturn’s Equator, Geophysical Research Letters 37, L22204, doi: 10.1029/2010GL045434

BONUS: aquí os dejó el podcast de La Mecánica del Caracol donde comento este y otros asuntos