La Gran Mancha Blanca del Señor de los Anillos al descubierto

Saturn_StormEl 23 y 24 de junio aparecieron en el Cuaderno de Cultura Científica (zientziakultura) y en Mapping Ignorance, dos entradas relacionadas con el artículo: E. García-Melendo, R. Hueso, A. Sánchez-Lavega, J. Legarreta, T. del Río-Gaztelurrutia, S. Pérez-Hoyos and J.F. Sanz-Requena 2013. Atmospheric dynamics of Saturn’s 2010 giant storm. Nature Geosciences. d.o.i.: 10.1038/ngeo1860″, que presenta la  dinámica de fluidos de la Gran Mancha Blanca de Saturno de 2010, la mayor tormenta registrada en el Sistema Solar.

El investigador que encabeza el artículo, Enrique García Melendo, es ingeniero de telecomunicaciones y doctor especializado en ciencias planetarias por la Universidad Politècnica de Catalunya. Trabaja para la Fundación Privada Observatori Esteve Duran (FOED) desde 1996, donde comenzó su trayectoria investigadora dentro del campo de la astronomía. Desde la Fundación, combinó su trabajo del estudio de las atmósferas de los planetas gigantes con la búsqueda de planetas extrasolares. La FOED es la única fundación privada en Cataluña dedicada al apoyo de la investigación astronómica, desde la que se han venido realizando aportaciones valiosas a los conocimientos que tenemos de los planetas gigantes de nuestro sistema solar.

Las dos entradas sobre el tema son muy interesantes y se complementan. En cada una de ellas, aparecen aspectos que no figuran en la otra y se da un tratamiento diferente de la noticia. Por este motivo, agradezco muy especialmente al editor (y EXCELENTE divulgador científico) César Tomé López que me haya permitido reproducirlas. He traducido, como buenamente he podido, la noticia de Mapping Ignorance para que aquellos que no sepáis inglés podáis disfrutar de ella. Pero os recomiendo vivamente que leáis la entrada original.

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Saturno es el planeta más bello del Sistema Solar. Sus espectaculares anillos, visibles desde la tierra, lo hacen especialmente fotogénico. Galileo Galilei, fue el primero en observarlos en 1610, pero la baja resolución de su telescopio le impidió determinar con precisión su verdadera forma. En realidad no pudo apreciar que estaban separados del planeta y los interpretó como una especie de asas u “orejas” del mismo. Casi cincuenta años después, en 1659, que Christiaan Huygens, pudo ver su aspecto anular pero erró la explicación sobre su naturaleza. Se creía que Saturno estaba rodeado de un único anillo sólido y no fue hasta 1859 que el físico James Clerk Maxwell demostró matemáticamente que los anillos no podían ser un único objeto sólido sino que debían ser la agrupación de millones de partículas de menor tamaño.

Está compuesto principalmente de hidrógeno (sobre el 90 %), helio y, en menor medida, gases ligeros siendo el único planeta con una densidad específica inferior a la del agua (690 kg/m3). Las características de su composición atmosférica, la ausencia de superficie con la que frenarla y su elevada velocidad angular de  rotación, de unas 10 horas, provocan la formación de fenómenos meteorológicos de gran virulencia, muy diferentes a los que tienen lugar en nuestro planeta.

La atmósfera posee un patrón de bandas oscuras y claras debido a la circulación alternante de sus vientos, hacia el Este y el Oeste, con la latitud. En concreto, cuenta con cuatro corrientes zonales por hemisferio. Además, posee una intensa y ancha corriente ecuatorial que llega a alcanzar velocidades cercanas a los 500 m/s. Como se explica en las entradas, con un periodo aproximado de 30 años se forman importantes tormentas que modifican su atmósfera y reciben el nombre de Grandes Manchas Blancas. La última que ha sido observada en 2010 ha podido ser analizada en profundidad con la nave espacial Cassini y, tras años de trabajo, ha llevado a los investigadores protagonistas de este post, a la determinación de su mecanismo de desarrollo.

El Grupo de Ciencias Planetarias de la Universidad del País Vasco lleva tiempo estudiando los modelos más apropiados para explicar la geofísica de fluidos de Saturno. Los dos candidatos que se barajaban diferían en la fuente energética que rige el control de los movimientos. Para modelos de tipo “profundo” es el calor interno el que genera los vientos mientras que en los de tipo “superficial” es la insolación la que impulsa las masas de aire.

Como leeréis a continuación, la investigación ha dado lugar a importantes avances en el origen y evolución de las tormentas de Saturno. No obstante, aún hay cuestiones importantes a resolver y es esencial que se siga trabajando con los resultados obtenidos por Cassini.

LA METEOROLOGÍA EXTREMA DE SATURNO EN EL ORDENADOR (traducción del artículo original)

Por Santiago Pérez Hoyos en Mapping Ignorance

Saturno es verdaderamente un lugar extraño. Aparte de tener una peculiar historia térmica y uno de los satélites más interesantes del Sistema Solar, podría decirse que este planeta muestra el fenómeno meteorológico más fascinante jamás visto. Supongamos por un momento que en la próxima primavera se levanta una tormenta en su tu ciudad natal. Nada inusual de lo que preocuparse, probablemente. Ahora imagina que la tormenta crece y crece, y que se extiende alrededor del planeta. Después de unas semanas, la tormenta cubre los continentes y los océanos cercanos de tu latitud de origen. Los satélites registrarían un sorprendente cinturón alrededor del planeta. Finalmente, la tormenta se estira tanto  que la cabeza se une a la cola haciendo que se disipe. ¿Bastante raro? Bueno, esto es lo que ocurre en Saturno aproximadamente cada 30 años más o menos, la última vez a finales de 2010. Ahora, las  simulaciones detalladas de esta última tormenta han revelado que la física subyacente a tal evento extremo es relativamente simple [1].

Esta es la historia de la GWS 2010 vista por las cámaras de Cassini desde sus inicios en diciembre de 2010 (tu probablemente no lo notes, pero hay una pequeña nube en esta foto) a su muerte y disipación final. | Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute.

Esta es la historia de la GWS 2010 vista por las cámaras de Cassini desde sus inicios en diciembre de 2010 (tu probablemente no lo notes, pero hay una pequeña nube en esta foto) a su muerte y disipación final. | Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute.

El primer registro que tenemos de tales tormentas gigantescas data de 1876. En aquel momento, los astrónomos sólo tuvieron la oportunidad de reflejar lo que vieron en el ocular dibujándolo. El famoso astrónomo Josep Comas i Solà hizo unos hermosos dibujos en 1903 que sorprendentemente se asemejan a las imágenes enviadas en 1990 por el telescopio Hubble aquejado de miopía (antes de que fueran corregidos en los errores de la óptica 1994). Pero antes de la obtención de imágenes de alta resolución, la mayoría de los astrónomos sólo vieron un punto brillante en el disco de Saturno y por ello las tormentas fueron apodadas Gran Mancha Blanca (Gran White Spot, GWS). ¿Deberíamos seguir utilizando este nombre, ahora que somos capaces de discernir su majestuosa complejidad? Bien, las gigantescas tormentas son realmente grandes y blancas (por lo menos en las longitudes de onda visibles) y aunque no se vean  como manchas, excepto con telescopios de juguete, vamos a mantener esta nomenclatura por tradición y por tener la sensación de ser testigos de un fenómeno raro que se observó por primera vez en el siglo XIX.

Ahora que ya tenemos la nave espacial Cassini orbitando Saturno no sólo podemos ver la evolución de la tormenta de 2010 sino también escucharla [2]. La tormenta emite intensas descargas electrostáticas que son detectadas por los experimentos de radio a bordo del Cassini, estas descargas estarían relacionadas con relámpagos y rayos que, como sucede en la tierra, cabe esperar en presencia de fuertes fenómenos de convección. La GWS 2010 también produjo un inesperado calentamiento en la estratosfera por encima de la tormenta que estaba alrededor de 60 K más fría antes de que comenzase la erupción [3]. Trabajos anteriores habían demostrado que la evolución general  de la tormenta requería que los vientos atmosféricos se extendiesen a niveles muy por debajo de la profundidad de penetración de luz solar [4] y, por supuesto, debajo de lo que generalmente podemos ver en Saturno.

Así que, ¿cuáles son las novedades respecto a la tormenta de Saturno? El documento presentado por Enrique García-Melendo, un investigador de la Fundació Observatori Esteve Duran (España) y sus colaboradores (entre los cuales tengo el orgullo y la fortuna de encontrarme) ha analizado minuciosamente el frente de la tormenta y ha reproducido su comportamiento mediante modelos numéricos. Utilizando imágenes de alta resolución tomadas por la cámara Cassini Imaging Science Subsystem (ISS), en febrero de 2011, este trabajo aborda diferentes aspectos de la tormenta y luego los traduce una completa modelización numérica.

A continuación mostramos imágenes en alta resolución tomadas por el ISS Cassini en febrero de 2011, junto con vectores de velocidad en una vista general (a) y un primer plano (b) de la región donde la convección es posiblemente más activa en este momento. Cada flecha representa una característica que se mide por lo menos en dos imágenes diferentes. Durante este trabajo se midieron hasta 4.700 vectores de viento. Autor: García-Melendo et al. (2013).

A continuación mostramos imágenes en alta resolución tomadas por el ISS Cassini en febrero de 2011, junto con vectores de velocidad en una vista general (a) y un primer plano (b) de la región donde la convección es posiblemente más activa en este momento. Cada flecha representa una característica que se mide por lo menos en dos imágenes diferentes. Durante este trabajo se midieron hasta 4.700 vectores de viento. Autor: García-Melendo et al. (2013).

Las imágenes del ISS Cassini son capaces de alcanzar una resolución máxima de Saturno de cerca de 30 kilómetros por píxel. Esta excelente resolución permite medir los detalles más finos y más sutiles de la atmósfera de Saturno. Creo que es algo como estar tumbado en el suelo en una tranquila tarde de verano, disfrutando de la evolución de las nubes en nuestro propio cielo. Las mayores pueden mostrar un comportamiento más regular, pero si nos fijamos en los grupos más pequeños entonces se observa una evolución más rápida y variable. De manera muy similar, Saturno visto con una amplificación tan enorme requiere imágenes no muy separadas en el tiempo para que se puedan identificar las mismas características de las nubes en diferentes tiempos y posiciones. Si se es capaz de hacerlo, entonces se puede trazar el flujo atmosférico simplemente mediante el uso de física elemental. Esta identificación de características se realiza mediante técnicas de correlación automática y también mediante la supervisión humana en algunos casos. Al hacerlo, García-Melendo junto a sus colaboradores determinan velocidades de viento de más de 500 km/h en una región comprimida que precede a la tormenta que desplaza las nubes hacia el ecuador.

Esta descripción de la dinámica de la GWS es impresionante pero solo es un instrumento  en cuanto a los objetivos del documento que aquí se trata. ¿Qué necesitamos para reproducir la dinámica extrema? Utilizando simulaciones numéricas es posible no sólo reproducir sino también comprender la física subyacente a los fenómenos. Los autores utilizan dos enfoques. Uno es un código de dinámica de fluidos muy detallado (Explicit Planetary Isenthropic Coordinates model or EPIC desarrollado por Tim Dowling y su equipo), pero el segundo es un modelo mucho más simple de aguas poco profundas. Ambos coinciden en describir la GWS como la respuesta natural de la atmósfera a una inyección continua de material. La mayoría de las características básicas ocurren simplemente insertando una perturbación continuada en el flujo medio de la atmósfera. Esta perturbación se supone que es por convección, muy probablemente por nubes de agua en la atmósfera profunda de Saturno. Esta convección asciende y se acelera a través de la atmósfera, elevando las torres convectivas hasta 40 km por encima de las nubes que las rodean.

No es una tarea fácil diferenciar la realidad de las simulaciones de un ordenador. El panel superior muestra algunas imágenes de la tormenta tomada por la nave espacial Cassini (crédito NASA/JPL-Caltech/SSI) mientras que la parte inferior es una simulación por ordenador (crédito FOED-ICE/GCP-UPV/EHU). Téngase en cuenta que no sólo se reproduce la morfología del frente de tormenta, sino también cierto número de otras características como el vórtice de la extrema derecha. | Cortesía de Enrique García-Melendo.

No es una tarea fácil diferenciar la realidad de las simulaciones de un ordenador. El panel superior muestra algunas imágenes de la tormenta tomada por la nave espacial Cassini (crédito NASA/JPL-Caltech/SSI) mientras que la parte inferior es una simulación por ordenador (crédito FOED-ICE/GCP-UPV/EHU). Téngase en cuenta que no sólo se reproduce la morfología del frente de tormenta, sino también cierto número de otras características como el vórtice de la extrema derecha. | Cortesía de Enrique García-Melendo.

Aunque el acuerdo entre observaciones y modelos es fantástico, siguen quedando una serie de preguntas. Mis dos favoritas son: ¿Qué alimenta la GWS? y ¿por qué cada 30 años? Pero hay más advertencias. Sólo para mencionar una, todos los eventos GWS observados hasta fecha han ocurrido en el hemisferio norte de Saturno (muchos de ellos cercanos al Ecuador, pero siempre en el norte), ninguno en el sur. La sensación entre la comunidad es que debe tener algo que ver con los 30 años del largo ciclo pero nadie ha podido probar aún la relación. No es muy probable que tengamos algo similar a la nave espacial Cassini orbitando Saturno alrededor de 2040 así que los mejores datos concebibles posiblemente ya están sobre la mesa. Ahora es el momento de que los científicos trabajen en el puzzle completo.

Referencias

  1. E. García-Melendo, R. Hueso, A. Sánchez-Lavega, J. Legarreta, T. del Río-Gaztelurrutia, S. Pérez-Hoyos and J.F. Sanz-Requena 2013. Atmospheric dynamics of Saturn’s 2010 giant storm. Nature Geosciences. d.o.i.: 10.1038/ngeo1860
  2. G. Fischer et al. 2011. A giant thunderstorm on Saturn. Nature 475, 75–77. d.o.i.: 10.1038/nature10205
  3. L.N. Fletcher et al. 2011. Thermal structure and dynamics of Saturn’s northern springtime disturbance. Science 332, 1413–1417. d.o.i.: 10.1126/science.1204774
  4. A. Sánchez-Lavega et al. 2011. Deep winds beneath Saturn’s upper clouds from a seasonal long-lived planetary-scale storm. Nature 475, 71–74. d.o.i.: 10.1038/nature10203

DESVELADO EL MISTERIO DE LA GRAN MANCHA BLANCA DE SATURNO

Por zientziakultura

A través del análisis de las imágenes enviadas por la nave espacial Cassini de las agencias espaciales norteamericana (NASA) y europea (ESA), los modelos de ordenador de la tormenta y el examen de sus nubes, el Grupo de Ciencias Planetarias de la Universidad del País Vasco ha logrado desentrañar el funcionamiento de la mayor tormenta registrado en el Sistema Solar: la Gran Mancha Blanca de Saturno de 2010. El artículo, encabezado por Enrique García Melendo, investigador de la Fundació Observatori Esteve Duran – Institut de Ciències de l’Espai, se publica en la revista Nature Geosciences.

Aproximadamente una vez cada año de Saturno, equivalente a unos 30 años de la Tierra, se produce en el planeta de los anillos una tormenta de enormes proporciones que afecta al aspecto de su atmósfera a escala global. Estas tormentas gigantes se denominan Grandes Manchas Blancas por el aspecto que presentan sobre la atmósfera del planeta. La primera observación de una de ellas se realizó en 1876; la Gran Mancha Blanca de 2010 fue la sexta en ser observada. En esa ocasión la nave espacial Cassini pudo obtener imágenes de muy alta resolución de la gran estructura meteorológica. La tormenta se desarrolló a partir de una pequeña nube blanca brillante en las latitudes medias del hemisferio norte, que fue creciendo rápidamente y permaneció activa durante más de siete meses. Durante ese tiempo generó una amalgama de nubes blancas que se expandieron hasta formar un anillo nuboso y turbulento con una extensión de miles de millones de kilómetros cuadrados. El Grupo de Ciencias Planetarias presentó hace dos años un primer estudio de la tormenta que fue portada en la revista Nature del 7 de julio de 2011. Ahora, en el nuevo trabajo, desvelan los secretos ocultos del fenómeno estudiando al detalle “la cabeza” o “foco” de la Gran Mancha Blanca.

El equipo de astrónomos analizó imágenes tomadas por la sonda Cassini para medir los vientos en la “cabeza” de la tormenta, el foco donde se originó la actividad. En esa región la tormenta interacciona con la atmósfera circundante formando vientos sostenidos muy intensos con valores típicos de 500 kilómetros por hora. “No esperábamos encontrar una circulación tan violenta en la región de desarrollo de la tormenta, lo que es un síntoma de la interacción particularmente violenta entre la tormenta y la atmósfera del planeta”, comenta Enrique García. También han podido determinar que las nubes se elevan más de 40 km por encima de las capa permanente de nubes del propio planeta.

El estudio desvela el mecanismo que genera esta fenomenología. El equipo de científicos diseñó modelos matemáticos capaces de reproducir la tormenta en un ordenador dando una explicación física del comportamiento de esta tormenta gigante y de su larga duración.  Sigue leyendo en el Cuaderno de Cultura Científica

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Acerca de Laura Morrón Ruiz de Gordejuela

Licenciada en Física por la Universidad de Barcelona y máster en Ingeniería y Gestión de las energías renovables por IL3. Tras años dedicada a la protección radiológica, he encontrado un empleo como directora y editora de Next Door Publishers, que aúna mi pasión por la divulgación científica y los libros. Aparte de esta labor, también ejerzo de divulgadora científica en mi blog «Los Mundos de Brana» —premiado en la VI edición del Concurso de Divulgación Científica del CPAN—, en el podcast para niñas y niños «Crecer soñando ciencia» y en las plataformas «Naukas» y «Hablando de Ciencia». He colaborado en el blog «Desayuno con fotones» y en los podcasts de ciencia «La Buhardilla 2.0» y «Pa ciència, la nostra». Soy miembro y community manager del Grupo Especializado de Mujeres en la Física de la Real Sociedad Española de Física y socia de ADCMurcia, Cienciaterapia y ARP-SAPC. En 2015 tuve el honor de ser galardonada con el premio Tesla de divulgación científica de «Naukas».
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2 respuestas a La Gran Mancha Blanca del Señor de los Anillos al descubierto

  1. jmbenlloch dijo:

    Hola de nuevo Laura!

    Este lo he leído con bastante retraso, pero más vale tarde que nunca xD

    Son un par de artículos muy interesantes, verdaderamente es impresionante la magnitud de los fenómenos meteorológicos que ocurren en ese planeta. Espero que consigan resolver pronto las cuestiones que quedan pendientes para poder entender completamente el fenómeno.

    Me ha gustado también la introducción que haces con los datos históricos, siempre sabes enriquecer la información para que sea más entretenida y aprendamos de dónde viene cada cosa 😉

    Saludos 😉

  2. Pingback: Por la continuidad de la Fundació Observatori Esteve Duran | Los Mundos de Brana

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