Tempestades polares em Júpiter e Saturno mostram grandes diferenças na atmosfera dos planetas.

Os dois maiores planetas do Sistema Solar - Júpiter e Saturno - compartilham várias semelhanças. Ambos são compostos quase inteiramente pelos mesmos elementos, giram em ritmos parecidos e liberam calor interno de forma comparável. Até na “coleção” de luas eles se comportam de modo semelhante.

Ainda assim, há um contraste que há décadas intriga os cientistas: as tempestades vorticais gigantes que ocupam as regiões polares de cada planeta.

• Em Saturno, existe uma grande tempestade em cada polo.
• Em Júpiter, cada polo é dominado por um vórtice maior cercado por uma coroa (diadema) de vórtices menores.

Vórtices polares de Júpiter e Saturno: por que o desenho das tempestades muda?

Dois cientistas planetários propõem que a explicação está ligada ao modo como essas tempestades nascem e, principalmente, a como elas se conectam ao interior do planeta: se a atmosfera permite que os vórtices cresçam livremente - como parece acontecer em Saturno - ou se, na prática, ela impõe limites de tamanho às tempestades - como em Júpiter.

Na formulação do grupo, tudo depende de quão fortemente os vórtices ficam acoplados às camadas mais profundas.

Wanying Kang, cientista planetária do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts), resume assim: a depender das propriedades internas e de quão “macia” é a base do vórtice, muda o padrão de escoamento que aparece na superfície. Ela observa que essa ligação entre o padrão superficial do fluido e as características internas dos planetas raramente tinha sido feita de forma direta e levanta uma possibilidade: Saturno pode ter uma “base” mais rígida do que Júpiter.

O que as sondas Cassini e Juno revelaram

O “tempo” em Júpiter e Saturno é famoso: atmosferas gasosas e espessas, repletas de turbulência, faixas intensas de ventos e nuvens densas que se enrolam em padrões quase artísticos.

Esses mundos foram acompanhados por missões dedicadas: a Cassini, em Saturno, e a Juno, em Júpiter. As duas sondas mostraram que, apesar das semelhanças gerais, cada planeta possui uma configuração muito própria de vórtices polares.

Jiaru Shi, cientista da atmosfera também do MIT, destaca o ponto central do problema: os planetas têm tamanhos parecidos e são formados majoritariamente por hidrogénio e hélio, mas não era claro por que seus vórtices polares se organizam de maneiras tão diferentes.

Um modelo 2D para entender um problema 3D

Para investigar a origem dessas geometrias, Shi e Kang criaram um modelo bidimensional de dinâmica de fluidos na superfície, com o objetivo de reproduzir os vórtices observados em ambos os planetas.

A motivação vem de uma característica de sistemas que giram rapidamente: o movimento do fluido tende a ficar mais uniforme ao longo do eixo de rotação. Com isso, um problema originalmente tridimensional pode ser aproximado como bidimensional, tornando as simulações centenas de vezes mais rápidas e mais baratas de executar e analisar.

Como tempestades pequenas viram tempestades gigantes (e quando param de crescer)

Em gigantes gasosos, tempestades enormes surgem a partir de “blocos” menores de movimento - por exemplo, a convecção - que vão crescendo e agregando energia. Porém, o tamanho final de um vórtice não aumenta indefinidamente: ele é controlado por limites físicos, como:

• a profundidade das camadas estratificadas na atmosfera;
• a intensidade do forçamento (o quanto a atmosfera é “mexida”, incluindo a energia associada ao calor irradiado a partir do interior);
• a rapidez com que a energia é dissipada por atrito.

O resultado-chave do estudo é que a ordem em que esses limites entram em ação altera de forma decisiva o padrão de vórtices que se forma na parte visível da atmosfera.

Por que Júpiter vira uma “pizza” de vórtices, e Saturno não

Segundo o modelo, a atmosfera de Júpiter é profunda e energética o bastante para permitir o aparecimento de vários vórtices. No entanto, a turbulência se instala cedo e atrapalha a fusão desses vórtices num único sistema dominante. O efeito, na prática, é um conjunto de tempestades polares com disposição surpreendentemente geométrica - como uma “pizza de calabresa” vista de cima: um vórtice maior ao centro, rodeado de vários “pedaços” menores.

Em termos físicos, o cenário modelado implica que, em Júpiter:

• a estratificação em camadas é mais fraca;
• o forçamento é mais forte, devido à energia liberada do interior;
• a energia não é retirada tão rapidamente por atrito.

Com essa combinação, a estrutura de tempestades separadas tende a permanecer bem definida na superfície.

Já em Saturno, a atmosfera seria estratificada em camadas mais profundas. Nesse caso, ou um forçamento mais fraco diminui a turbulência nas camadas inferiores, ou há maior perda de energia por atrito, ou as duas coisas ao mesmo tempo. O resultado é a remoção da “barreira” que impediria a união dos vórtices - e, assim, as tempestades acabam por se fundir num único vórtice polar gigantesco.

A pista pode estar na “densidade” da base do vórtice

O estudo também sugere que a densidade da camada inferior onde o vórtice se forma pode influenciar todo o processo. Isso não é uma prova definitiva, mas indica que os padrões de tempestades polares podem guardar informações sobre o ambiente onde nasceram - quase como se estivessem “escrevendo” na superfície sinais do que acontece por baixo.

Shi explica que o padrão do fluido observado na superfície de Júpiter e Saturno pode revelar algo sobre o interior, como o grau de “maciez” da base. Ele acrescenta que, sob a superfície de Saturno, o interior pode ser mais enriquecido em metais e conter mais material condensável, o que permitiria uma estratificação mais forte do que em Júpiter - ampliando o entendimento sobre a estrutura desses gigantes gasosos.

O que isso acrescenta à ciência planetária (e o que ainda falta)

Se a geometria dos vórtices polares realmente depende do acoplamento com camadas profundas, então as tempestades deixam de ser apenas um fenómeno meteorológico e passam a funcionar como uma janela para a física interna de planetas gigantes. Essa lógica também fortalece a comparação com exoplanetas do tipo “Júpiter quente”: mesmo quando não conseguimos ver detalhes do interior, padrões atmosféricos podem oferecer pistas indiretas sobre estratificação, dissipação e fontes de energia.

Ao mesmo tempo, os próprios autores partem de um modelo 2D, isto é, uma aproximação intencional de um sistema naturalmente 3D. Avanços futuros - com simulações mais completas e novas medições de gravidade, composição e dinâmica atmosférica - devem ajudar a testar até que ponto as hipóteses sobre forçamento, atrito e estratificação explicam toda a diversidade observada.

A pesquisa foi publicada nos Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS).