Neptuno, el gigante de hielo está más lejos que Urano, pero sus temperaturas superficiales son notablemente similares.




Algo misterioso está sucediendo dentro del gigante de hielo Neptuno.
(Imagen: © Todo sobre el espacio / Tobias Roetsch)


Cuando la Voyager 2 llegó a Neptuno en 1989, solo 12 años después de emprender su histórico viaje a través del sistema solar, descubrió seis lunas nuevas, tomó las primeras imágenes de los anillos del planeta y notó una tormenta particularmente violenta.

La tormenta fue una sorpresa. En el hemisferio sur hubo un viento giratorio en sentido antihorario de hasta 1.500 mph (2.414 km / h), el más fuerte jamás registrado. Los astrónomos lo llamaron el Gran Punto Oscuro, y aunque ya había desaparecido cuando el Telescopio Espacial Hubble miró el planeta cinco años después, estaban ansiosos por saber por qué los vientos eran tan extremos.

También estaban perplejos por otro problema: la Voyager 2 reveló que Neptuno es más cálido que Urano , a pesar de estar más lejos del sol. Como el físico Brian Cox discutió en su documental de la BBC, The Planets : "La fuente de este calor adicional sigue siendo un misterio". ¿Pero eso significa que tenemos un doble rompecabezas en nuestras manos, y puede un misterio ayudar a explicar al otro de alguna manera?

Antes de comenzar a abordar los dos problemas en cuestión, primero debemos mirar lo que en realidad se entiende por "más cálido". Dado que Neptuno es un gigante gaseoso, no podemos probar la temperatura promedio global a nivel del suelo de la manera que podríamos en la superficie sólida de la Tierra . En cambio, con el núcleo de Neptuno probablemente pequeño, las mediciones de temperatura deben tomarse a una altitud. El problema es, ¿cuál?

El problema con la temperatura.

"Solo podemos medir temperaturas en las capas más externas", dijo Michael Wong, científico planetario de la Universidad de California, Berkeley, por correo electrónico. Al hacerlo, descubrimos que Neptuno no es realmente más caliente que Urano en términos reales: están esencialmente a la misma temperatura. Pero dado que Neptuno recibe menos iluminación solar porque está más lejos del sol, este no debería ser el caso.

Lo que sugiere esta similitud de temperatura es que Neptuno es más cálido en términos de cuánto calor emite en comparación con la cantidad de calor que absorbe del sol. "Las mediciones de la Voyager muestran que Neptuno emite más del doble de calor que absorbe del sol, mientras que Urano no lo hace", dijo Anthony Del Genio del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA (GISS) a All About Space . Y aquí es donde las cosas se vuelven bastante intrigantes.

Eso es porque Neptuno no es inusual en este caso. " Júpiter y Saturno también emiten casi el doble de calor que absorben, pero Urano no lo hace", dijo Del Genio. "Urano es el bicho raro".

"La progresión de la temperatura a medida que te alejas del sol muestra que Júpiter es el más cálido de los gigantes gaseosos, Saturno después, luego Neptuno. Urano es el que está fuera de lugar", dijo Del Genio. "Sin embargo, ese resultado inusual se asocia con el hecho de que Urano no tiene una fuente de calor interna significativa". Neptuno está encontrando una manera de calentarse al nivel de Urano, mientras que este último no puede generar ningún calor adicional que no sea el del sol.

Pero, ¿qué es una fuente de calor interna? En términos simples, es el calor sobrante del nacimiento del sistema solar cuando se formaron estos planetas. El calor se contrae desde la nebulosa solar primitiva, un efecto conocido como la contracción Kelvin-Helmholtz.

"La fuente de calor adicional en Neptuno [y Júpiter y Saturno] se debe en gran medida a la contracción gravitacional", dijo Joshua Tollefson, también de la Universidad de California, Berkeley. "A medida que el planeta se contrae gravitacionalmente lentamente, el material que cae hacia adentro cambia su energía potencial en energía térmica, que luego se libera hacia arriba del planeta".

Sin embargo, no hay una razón clara por la que Urano no tenga mucha fuente de calor interna, o ninguna. "Algo debe haber retrasado este proceso en Urano, tal vez debido a una colisión en su historia temprana que dejó al planeta de lado", dijo Tollefson. "La pregunta es, ¿por qué Neptuno tiene una fuente de calor interna pero Urano no?"

Planetas congelados que aman eructar

Existe la posibilidad de que el calor no se libere desde el interior a un ritmo constante, sino que se presenta en "eructos". "Puede que solo estemos viendo a Urano en un período de reposo, mientras que Neptuno ha eructado más recientemente", dijo Tollefson. "Los eructos son convección, lo que puede suceder en episodios discretos separados por largos períodos de tiempo, pero es posible que no sepamos si funciona de esta manera con seguridad a menos que veamos uno de estos episodios convectivos".

También podría ser un problema de Urano ser un veterano y Neptuno un cachorro más joven. "La cantidad de calor que irradia un planeta depende principalmente de la edad que tenga y de cuán rápido o lento libere ese calor", dijo Amy Simon, científica sénior de la NASA para la Investigación de la Atmósfera Planetaria en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. "Un planeta más antiguo sería más frío. La rapidez con que se liberen depende de la estructura y composición interior, las capas de nubes, la convección, etc., y eso puede ser bastante complicado".

"En los gigantes gaseosos puede haber cantidades significativas de lluvia de helio, lo que cambia la cantidad de calor liberado. Para Urano y Neptuno es posible que tengan diferentes edades o, más probablemente, el evento que puso a Urano de lado puede haber confundido estructura interior y / o libera calor más rápido ", dijo Simon.


¿Y qué de esos vientos? Son innegablemente feroces, y esto puede tener algo que ver con la temperatura.

"Hemos especulado durante mucho tiempo que la frialdad de Neptuno y Urano podría conducir a condiciones casi sin fricción y, por lo tanto, permitir vientos más rápidos", dijo Heidi Hammel, una astrónoma planetaria que ha estudiado ambos planetas extensamente y que fue parte del equipo de imágenes de Neptuno de Voyager 2.

Con esto quiere decir que no hay montañas, colinas u otras formas en todo el paisaje neptuniano que frenen los vientos. Pero, ¿hay alguna relación entre las tormentas y la fuente de calor interna? "Probablemente", dijo Hammel, "pero también hay un delicado equilibrio entre el calor interno y la luz solar entrante".

Es difícil cuantificar estos efectos debido a los largos plazos involucrados. "Un año en Neptuno es 165 años terrestres, por lo que no hemos tenido la oportunidad de estudiar el planeta con herramientas modernas durante gran parte de su ciclo estacional", dijo Hammel. "Se necesita mucha paciencia, y confianza en las generaciones pasadas y futuras de científicos planetarios, para estudiar las atmósferas de los planetas exteriores".

"Supongo que se suponía que la teoría era la mayor cantidad de energía solar, más energía eólica, pero en la Tierra hemos sabido durante mucho tiempo que la cantidad de energía recibida por el sol y convertida en energía cinética en la atmósfera, es decir, el viento es una pequeña fracción ", dijo Del Genio.

La Tierra es un motor térmico muy ineficiente, y no te da mucho dinero. Una razón es que tiene una superficie sólida que disipa la energía del viento por fricción, mientras que los gigantes gaseosos no, por lo que esa es una razón por la cual todos los planetas gigantes tienen vientos mucho más fuertes que la Tierra.

¿Por qué los vientos de Neptuno son tan fuertes?

"Los vientos probablemente se generan más profundo de lo que puede penetrar la luz solar, por lo que una combinación de calor interno y rotación probablemente los produce", dijo Simon, planteando la cuestión de por qué los vientos de Urano y Neptuno no coinciden, dado que tienen tasas de rotación similares. "Nos dice que algo es diferente entre ellos: calor parcialmente interno u otra cosa", dijo Simon.

Los vientos de Urano pueden volar hasta 560 mph y Neptuno a 1,500 mph. "Ambos son extremadamente rápidos y alcanzan su punto máximo a velocidades más rápidas que Júpiter", dijo Tollefson. La NASA dice que la Gran Mancha Roja de Júpiter puede volar a 384 mph. Pero él también dice que el calor interno por sí solo no puede explicar las velocidades, dado que Urano no genera calor adicional.
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La estructura interior de los planetas (sus masas, tamaños de núcleo y perfiles de densidad radial) es extremadamente importante para comprender los vientos tal como los vemos. Cómo se forman los vientos y qué tan profundo van son preguntas que actualmente se responden para Júpiter y Saturno gracias a las naves espaciales Juno y Cassini de la NASA. Esto se debe a los datos gravitacionales extremadamente buenos que han obtenido, lo que significa que se pueden hacer buenos modelos para la estructura interior.

Las simulaciones por computadora sugieren que los vientos de los gigantes de hielo están confinados a profundidades poco profundas en las capas superiores de sus atmósferas. Esto puede sugerir que los vientos rápidos que vemos en Urano y Neptuno se deben al menos en parte a la liberación de calor latente de condensación para materiales como el agua.

Del Genio también cuestiona los datos disponibles. Explica que cuando medimos vientos en Neptuno, observamos una altitud específica. "Los vientos en otras altitudes pueden ser más lentos o más rápidos", dijo Del Genio. "No lo sabemos porque nunca hemos arrojado sondas a las atmósferas de la mayoría de los planetas exteriores".

Lo que muestran Neptuno y Urano es que los planetas que se forman en condiciones similares pueden proporcionar dos extremos. Simon dice que esto nos ayuda a restringir los modelos de cómo se forman estos planetas y dar pistas sobre la formación general del sistema solar . "También deberían ayudarnos a comprender mejor la circulación más profunda, dado que están muy lejos del sol".

"Se suma a nuestro conocimiento de la física y la química en las atmósferas planetarias y nos ayuda a comprender nuestra propia Tierra un poco mejor, ya que la física y la química funcionan de la misma manera, ya sea aquí en la Tierra o en la lejana Neptuno", dijo Hamme.

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