Júpiter e Saturno: porque é que as tempestades polares são tão diferentes?

Os dois maiores planetas do Sistema Solar - Júpiter e Saturno - partilham mais semelhanças do que diferenças. A composição é praticamente a mesma, feita sobretudo de hidrogénio e hélio; ambos rodam a ritmos parecidos e libertam calor interno de forma comparável. Até na “coleção” de satélites naturais se assemelham, acumulando luas em quantidades impressionantes.

Ainda assim, há um contraste que há décadas intriga os cientistas: as enormes tempestades em vórtice que dominam os polos.

O que se vê nos polos de Saturno e de Júpiter

Em Saturno, observa-se uma tempestade gigante em cada polo.

Em Júpiter, cada polo é comandado por uma grande tempestade central, rodeada por uma espécie de diadema (um anel) de tempestades mais pequenas.

A hipótese: o interior do planeta dita o “tamanho permitido” das tempestades

Dois cientistas planetários propõem agora uma explicação para este enigma. A diferença poderá estar no modo como estas tempestades nascem e, sobretudo, em como se ligam às camadas profundas do planeta: se a atmosfera permite um crescimento livre (como parece acontecer em Saturno) ou se, pelo contrário, impõe limites ao tamanho das tempestades (como aparenta acontecer em Júpiter).

No modelo apresentado pela equipa, o ponto decisivo é quão forte é o acoplamento entre os vórtices à superfície e as camadas mais profundas.

“O nosso estudo mostra que, consoante as propriedades do interior e a ‘suavidade’ da base do vórtice, isso vai influenciar o tipo de padrão de fluido que se observa à superfície”, afirma a cientista planetária Wanying Kang, do MIT.

“Não creio que alguém tenha estabelecido esta ligação entre o padrão de fluido à superfície e as propriedades internas destes planetas. Um cenário possível é que Saturno tenha uma base mais rígida do que Júpiter.”

Um “laboratório” de meteorologia extrema observado por Cassini e Juno

A meteorologia de Júpiter e Saturno é lendária. Com atmosferas espessas e gasosas, ambos são sacudidos por tempestades turbulentas, bandas de vento muito poderosas e nuvens densas que se enrolam em padrões quase artísticos.

Os dois mundos foram alvo de campanhas de observação dedicadas por sondas espaciais: a Cassini, em Saturno, e a Juno, em Júpiter. Estes dados revelaram que, apesar das semelhanças, os planetas apresentam configurações polares muito próprias.

“As pessoas têm dedicado muito tempo a decifrar as diferenças entre Júpiter e Saturno”, diz o cientista da atmosfera Jiaru Shi, do MIT. “Os planetas têm dimensões semelhantes e são feitos sobretudo de hidrogénio e hélio. Não é claro porque é que os seus vórtices polares são tão diferentes.”

Um modelo em 2D para reproduzir os vórtices à superfície

Para investigar o problema, os investigadores desenvolveram um modelo bidimensional da dinâmica do fluido à superfície, com o objetivo de reproduzir os vórtices observados em ambos os planetas.

“Num sistema de rotação rápida, o movimento do fluido tende a ser uniforme ao longo do eixo de rotação”, explica Kang. “Isso levou-nos à ideia de que podemos reduzir um problema dinâmico em 3D a um problema em 2D, porque o padrão do fluido não se altera em 3D. Assim, o problema torna-se centenas de vezes mais rápido e mais barato de simular e estudar.”

Como nascem as grandes tempestades (e o que trava o seu crescimento)

Em planetas gigantes gasosos, as tempestades enormes são construídas a partir de blocos de movimento mais pequenos - por exemplo, convecção - que vão crescendo progressivamente. Porém, o tamanho final é travado por vários limites, incluindo:

• a profundidade da estratificação (as camadas da atmosfera);
• a intensidade com que a atmosfera é agitada, isto é, o forçamento;
• a rapidez com que a energia é dissipada por fricção.

Shi e Kang concluem que a ordem pela qual estes limites são atingidos altera de forma dramática os padrões de vórtices que acabam por aparecer na parte visível da atmosfera.

Porque é que Júpiter fica “cheio” de vórtices

Em Júpiter, a atmosfera é suficientemente profunda e energética para permitir a formação de vários vórtices. No entanto, a turbulência surge cedo e impede que eles se juntem num único supervórtice. O resultado é um conjunto de tempestades polares com uma geometria surpreendentemente regular - quase como uma “pizza de pepperoni” feita de vórtices.

Por outras palavras, segundo o modelo, em Júpiter a estratificação em camadas é mais fraca, o forçamento é mais forte devido ao calor irradiado a partir do interior, e a energia não é drenada tão depressa pela fricção. Em conjunto, estes fatores fazem com que a estrutura de tempestades separadas se mantenha intacta à superfície.

Porque é que Saturno acaba com um único vórtice gigante

Em Saturno, a atmosfera estará estratificada de forma mais profunda. Aí, um forçamento mais fraco pode reduzir a turbulência em profundidade, e/ou pode existir maior perda de energia por fricção - ou uma combinação dos dois. Isso remove a “barreira” que impediria os vórtices de se fundirem, permitindo que as tempestades acabem por se juntar numa única tempestade colossal.

A “base” do vórtice pode estar a escrever pistas sobre o interior

Os autores sublinham ainda que o cenário pode ser influenciado pela densidade da camada inferior onde o vórtice se forma. Não é uma prova definitiva, mas os resultados sugerem que os padrões das tempestades polares em cada planeta podem estar a registar pistas sobre o ambiente onde surgiram.

“Aquilo que vemos à superfície - o padrão do fluido em Júpiter e Saturno - pode dizer-nos algo sobre o interior, por exemplo, o quão ‘suave’ é a base”, afirma Shi.

“E isso é importante porque, talvez por baixo da superfície de Saturno, o interior seja mais enriquecido em metais e tenha mais material condensável, o que lhe permite oferecer uma estratificação mais forte do que em Júpiter. Isso acrescentaria à nossa compreensão destes gigantes gasosos.”

Porque é que isto importa (para além dos dois planetas)

Perceber como a estratificação, o forçamento e a fricção moldam os vórtices polares ajuda a interpretar outros sinais observáveis, como a forma como os jatos de vento organizam a atmosfera e como a energia sobe e desce entre camadas. Em planetas onde não conseguimos “ver” o interior diretamente, padrões à superfície podem funcionar como uma espécie de diagnóstico indireto.

Este tipo de modelo também é útil para extrapolar para exoplanetas gigantes, que podem rodar rapidamente e ter atmosferas profundas e turbulentas semelhantes. Mesmo quando apenas existem medições limitadas, compreender os mecanismos que controlam o tamanho e a fusão de tempestades pode ajudar a inferir propriedades internas prováveis.

Publicação

A investigação foi publicada nas Atas da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos (PNAS).