El universo gaseoso - La atmósfera de Júpiter
@2016 - Manuel Jiménez del Barco
Júpiter es el mayor planeta del Sistema Solar y por su lugar de nacimiento dentro del sistema, acaparó gran parte de la masa que no cayó en los alrededores del Sol. Esa gran masa inicial, le permitió acaparar los gases primordiales de la nebulosa protoplanetaria, estos gases se han conservado gracias a la falta de interacción con corteza sólida y por la baja influencia de la luz y viento solar. Su atmósfera se compone aproximadamente de un 82% de hidrógeno y un 17% de helio. A estos componentes principales hay que sumarle otros en mucho menor porcentaje como metano, vapor de agua, amoniaco, etano, fosfina, sulfuro de hidrógeno e hidrosulfuro de amonio. La distribución de estos gases, sobre todo de los gases traza, se encuentra muy estratificada según su presión atmosférica y la temperatura de las distintas capas. A partir de ahí, hacia el interior de Júpiter, la transición hasta lo que se puede considerar final de la atmósfera, es lenta y progresiva, hasta llegar a una capa de hidrógeno y helio líquidos, mantenidos así por presiones enormes, a partir de ahí podemos suponer que esos líquidos están sobre una capa de hidrógeno en estado metálico y más abajo podría existir un núcleo rocoso en el centro de Júpiter.
Visto desde el exterior, el aspecto de Júpiter lo da su estructura nubosa, en cuya composición están presentes los gases traza anteriormente mencionados, en orden de las más altas a la más bajas serían, nubes de metano, de amoníaco, de hidrosufuro de amonio, y finalmente de vapor de agua. A partir de ahí las presiones atmosféricas serian ya tan altas que se dejaría de formar nubes, pasando estos compuestos a estar cristalizados. Así nos encontraríamos una capa de cristales de amoníaco, seguido de otra de cristales de hidrosulfuro de amonio, y finalmente cristales de hielo de agua, que más profundamente por el calor se transforma en gotitas de agua. Después de esta estratificada capa nubosa, estaría el hidrógeno molecular y el helio.
En cuanto a la dinámica atmosférica, las nubes obedecen, como en todos los casos, a los vientos geostróficos, que para el caso particular de Júpiter están dominados por la fuerza de coriolis, ya que una rotación joviana dura un poco menos de diez horas. Esto hace que los vientos sean prácticamente perpendiculares al eje de rotación, mostrando su característica imagen de bandas. Cada banda corresponde a una región atmosférica con distinta presión, o sea, anticiclones o borrascas, además intercalándose, lo que se observa en la alternancia de color entre dichas bandas. Las bandas de anticiclones, de aire más cálido y por tanto más dilatado, tienen el techo nuboso más alto y frío, a esa altura la nube predominante es la de amoníaco, que devuelve el color más claro. La banda contigua, corresponde a una borrasca, de aire más frío con el aire más denso y por tanto con su techo más bajo y cálido que corresponde a la altura de las nubes de hidrosulfuro de amonio, de color marrón más oscuro.
Las regiones inter-bandas son muy turbulentas, ya que las sentidos de los vientos son opuestos y con unas velocidades que oscilan entre unos 30 m/s para regiones polares y templadas hasta más de 150 m/s para las bandas situadas en el ecuador. Otro fenómeno que acrecienta esta diferencia de velocidades entre las bandas es la rotación diferencial que sufre Júpiter, ya que mientras el ecuador rota en 9 horas y 50 minutos, las regiones templadas y polares lo hacen cada 9 horas y 55 minutos. En estas regiones se suelen situar grandes ciclones y turbulencias con duraciones muy dispares, desde horas o días hasta siglos enteros, como es el caso de la Gran Mancha Roja, de la cual se tiene conocimiento desde la invención del telescopio, siendo un gran ciclón de unos 25000 Km. de diámetro y vientos constantes de 400 Km/h.
Si se hace un estudio termodinámico del movimiento de la atmosfera de Júpiter, con las velocidades de los vientos que hemos visto anteriormente, la energía química de los compuestos atmosféricos o la irradiación solar no es suficiente para explicar la presencia de tanta energía que se intercambia en este sistema. Es necesario otro proceso que suministre esta energía. Éste no es otro que el mecanismo de Kelvin-Helmholtz, por el cual al enfriarse la capa exterior atmosférica, causa una bajada de presión general y el cuerpo responde contrayéndose, lo que causa un calentamiento en su interior. Se estima que Júpiter se está contrayendo a un ritmo de 3 centímetros al año. A este fenómeno de contracción se le puede sumar otro mecanismo que aporte energía a la atmósfera joviana, éste ocurre en la atmósfera profunda, en la interfase agua-hidrógeno molecular. A esas presiones el hidrógeno presenta dos estados cuánticos distintos, los llamados “orto” y “para”, según la orientación de los espines de cada átomo. Estos estados tienen energías diferentes, y las transiciones de uno a otro estado pueden dar energía a la capa atmosférica que tiene por encima.
El calor almacenado por el hidrógeno suministrado por estas fuentes de energía es transportado a toda la atmósfera superior mediante convección, pero de una forma peculiar, mediante la circulación de Taylor-Proudmann. Esta circulación consta de tubos paralelos al eje planetario que terminan en lados opuestos del planeta con referencia al ecuador. En estas terminaciones en forma de anillo el aire gira en una dirección (horaria o antihoraria) y justamente la contraria en los tubos contiguos, que tienen latitud más alta y baja del anterior. Esto provoca direcciones de vientos alternados, formándose las típicas bandas.
Otro fenómeno observado recientemente es una especie de conexión entre la banda sub-ecuatorial sur (SEB) y la gran mancha roja (GRS). Cuando la SEB tiene marcadamente un color más oscuro, el rojo de la GRS languidece, mientras que cuando la SEB tiene un tono más blanquecino, el rojo de la GRS se acentúa marcadamente. No hay explicación fidedigna del porqué de esta conexión, pero las pruebas gráficas fueron obtenidas entre junio del 2009 y mayo del 2010.
