Determinada la edad y el origen de la Gran Mancha Roja de Júpiter

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Investigadores del Departamento de Física de la UPC en el Campus de Terrassa, del Barcelona Supercomputing Center – Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) y de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) han analizado las observaciones históricas desde el siglo XVII de la Gran Mancha Roja de Júpiter, un impresionante fenómeno meteorológico en la atmósfera del planeta gigante gaseoso, y han desarrollado modelos numéricos para explicar su longevidad y naturaleza.

La Gran Mancha Roja de Júpiter (conocida como GRS por sus siglas en inglés de Great Red Spot) es probablemente la estructura atmosférica más conocida, un icono popular entre los objetos del Sistema Solar. Su gran tamaño (actualmente tiene el diámetro de la Tierra) y el contraste de su color rojizo ante las nubes pálidas del planeta hacen que sea un objeto fácilmente visible incluso con pequeños telescopios.

Los investigadores del Departament de Física de la UPC, Manel Soria, Enrique García-Melero y Arnau Miró

Los investigadores del Departament de Física de la UPC, Manel Soria, Enrique García-Melero y Arnau Miró

UPC

Se trata de un enorme remolino anticiclónico por la periferia cuando los vientos circulan a 450 km/hr. Es el vórtice más grande y longevo de todos los existentes en las atmósferas de los planetas del sistema solar, pero su edad es objeto de debate y el mecanismo que dio origen a su formación permanece oculto. Las elucubraciones sobre el origen de la GRS se remontan a las primeras observaciones telescópicas del astrónomo Giovanni Domenico Cassini, que en 1665 descubrió un óvalo oscuro en la misma latitud que la GRS. Esta la bautizó como ‘Mancha Permanente’ (PS, por sus siglas en inglés de Permanente Spot), ya que fue observada por él y por otros astrónomos hasta 1713.

Posteriormente, su rastro se perdió durante 118 años y no es hasta 1831 y en años posteriores que S. Schwabe observa de nuevo una estructura clara, de forma aproximadamente ovalada y en la misma latitud que la GRS, que se puede considerar como la primera observación de la GRS actual, quizás de una GRS naciente. Desde entonces, la GRS se ha observado regularmente con telescopios y por las diferentes misiones espaciales que han visitado el planeta, hasta nuestros días.

Los investigadores Enrique García, Agustín Sánchez y Joan Legarreta en el despacho.

Los investigadores Enrique García, Agustín Sánchez y Joan Legarreta en el despacho.

Fernando Gómez Larrea – UPC

En este estudio, publicado en la revista Geophysical Research Letters, los autores Agustín Sánchez-Lavega, Enrique García-Melendo, Jon Legarreta, Arnau Miró, Manel Soria y Kevin Ahrens-Velásquez han analizado, por un lado, la evolución en el tiempo del tamaño, la estructura y los movimientos de ambas formaciones meteorológicas, la antigua PS y la GRS, acudiendo a fuentes históricas que se remontan a mediados del siglo XVII, poco después de la invención del telescopio.

“De las medidas de tamaños y movimientos deducimos que es altamente improbable que la actual GRS fuera la PS observada por G. D. Cassini. Probablemente, la PS desapareció en algún momento entre mediados de los siglos XVIII y XIX, así que podemos decir que la Mancha Roja tiene al menos, por ahora, una longevidad de más de 190 años”, explica Agustín Sánchez Lavega, catedrático de Física de la UPV/EHU, que ha liderado esta investigación.

Cambios en el tamaño de la Gran Mancha de Júpiter en 134 años

Cambios en el tamaño de la Gran Mancha de Júpiter en 134 años

Cambios en el tamaño de la Gran Mancha de Júpiter en 134 años.

La Mancha Roja, que en 1879 tenía un tamaño de 39.000 km en su eje más largo, ha ido contrayéndose a la vez que se ha redondeado, hasta alcanzar actualmente unos 14.000 km. Por otro lado, desde la década de los años 70, diferentes misiones espaciales han estudiado de cerca este fenómeno meteorológico. Recientemente, diferentes instrumentos a bordo de la misión Juno en órbita alrededor de Júpiter han mostrado que la GRS es poco profunda y delgada cuando se compara con su tamaño horizontal, ya que verticalmente se extiende unos 500 km.

La mancha se contrae

La Mancha Roja, que en 1879 tenía un tamaño de 39.000 km en su eje más largo, ha ido contrayéndose a la vez que se ha redondeado, hasta alcanzar actualmente unos 14.000 km.

Simulaciones numéricas

Con el fin de averiguar cómo se pudo formar este inmenso remolino, los equipos de la UPV/EHU y de la UPC han realizado simulaciones numéricas en superordenadores españoles como el MareNostrum del BSC-CNS, integrado en la Red Española de Supercomputación (RES), mediante dos tipos de modelos complementarios del comportamiento de vórtices delgados a la atmósfera de Júpiter. En el planeta gigante, dominan intensas corrientes de aire que fluyen a lo largo de los paralelos alternando en su dirección con la latitud. Al norte de la GRS, los vientos soplan hacia el oeste con velocidades de 180 km/hr mientras que por el sur, lo hacen en sentido contrario hacia el este, con velocidades de 150 km/hr. Esto genera una enorme cizalla de norte a sur en la velocidad del viento, que es un ingrediente básico para que crezca el vórtice.

Los investigadores también han explorado diferentes mecanismos para explicar la génesis de la GRS, entre ellos la erupción de una supertormenta gigantesca, parecida a las que muy pocas veces se observan en el planeta gemelo Saturno, o bien la fusión de múltiples vórtices más pequeños engendrados por la cizalla del viento. Los resultados indican que, si bien en ambos casos se forma un anticiclón, éste difiere en la forma y propiedades dinámicas de los del actual GRS.

A la izquierda, primera fotografía de Júpiter de 1879. A la derecha, modelo de simulación numérica de la GRS observada ese año superpuesta sobre una imagen reciente de Júpiter obtenida con el Telescopio Espacial Hubble

A la izquierda, primera fotografía de Júpiter de 1879. A la derecha, modelo de simulación numérica de la GRS observada ese año superpuesta sobre una imagen reciente de Júpiter obtenida con el Telescopio Espacial Hubble

UPC

“Además, pensamos que si se hubiera producido uno de estos fenómenos inusuales, seguramente él o sus consecuencias en la atmósfera, habrían sido observadas y reportadas por los astrónomos de la época”, señala Sánchez-Lavega.

En un tercer grupo de experimentos numéricos, el equipo de científicos ha explorado la generación de la GRS a partir de una conocida inestabilidad en los vientos que es capaz de engendrar una célula alargada que los cierra y atrapa. Esta célula sería una proto-GRS, una Mancha Roja naciente, cuyo posterior encogimiento daría lugar a la GRS compacta y rápidamente rotante que se observa a finales del siglo XIX.

A la izquierda, dibujo de Júpiter realizado por S. Swabe el 10 de mayo de 1851, que muestra el área de la GRS como un gran óvalo claro con los bordes marcados por una línea roja a trazos. A la derecha, modelo de simulación numérica de una larga célula lentamente rotante engendrada por los vientos de Júpiter superpuesta sobre una imagen reciente del planeta obtenida con el Telescopio Espacial Hubble

A la izquierda, dibujo de Júpiter realizado por S. Swabe el 10 de mayo de 1851, que muestra el área de la GRS como un gran óvalo claro con los bordes marcados por una línea roja a trazos. A la derecha, modelo de simulación numérica de una larga célula lentamente rotante engendrada por los vientos de Júpiter superpuesta sobre una imagen reciente del planeta obtenida con el Telescopio Espacial Hubble

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La formación de grandes células alargadas ya se han observado en la génesis de otros vórtices importantes en Júpiter. “En nuestras simulaciones, gracias al uso de superordenadores, hemos encontrado que las células alargadas son estables cuando rotan por su periferia con la velocidad de los vientos de Júpiter, tal y como se esperaría cuando se forman por esta inestabilidad”, afirma Enrique García-Melendo, investigador del Departamento de Física de la Universidad Politécnica de Cataluña – BarcelonaTech (UPC) y del Turbulence and Aerodynamics in Mechanical and Aerospace Engineering Research Group (TUAREG), en la Escuela Superior de Ingenierías Industrial, Aeroespacial y Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT).

Utilizando dos tipos diferentes de modelos numéricos, uno en la UPV/EHU y el otro en la UPC, los investigadores concluyen que si la velocidad de rotación de la proto-GRS es menor que la de los vientos circundantes, ésta se fragmenta, haciendo imposible la formación de un vórtice estable. Y si es muy alta, las propiedades difieren de las del actual GRS. Las futuras investigaciones estarán encaminadas a intentar reproducir el encogimiento de la GRS en el tiempo para conocer con más detalle los mecanismos físicos subyacentes a su sostenimiento en el tiempo. Al mismo tiempo que intentarán pronosticar si la GRS se desintegrará y desaparecerá al alcanzar un tamaño límite, como pudo pasarle a la PS de Cassini, o bien si se estabilizará en un tamaño límite donde pueda perdurar durante muchos más años.

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