Na atmosfera dos planetas, tempestades polares em Júpiter e Saturno mostram grandes diferenças

Júpiter e Saturno, os dois maiores planetas do Sistema Solar, têm mais semelhanças do que diferenças: composição parecida, rotação em velocidades próximas, calor interno irradiado de forma semelhante e até uma coleção de luas reunidas de maneira parecida.

Ainda assim, existe um contraste que há anos intriga cientistas: as enormes tempestades em redemoinho que ocupam os polos desses planetas.

Saturno tem uma tempestade gigantesca em cada polo.

Nos polos de Júpiter, há um grande vórtice central cercado por vários menores, como uma coroa de tempestades.

Agora, dois cientistas planetários acreditam ter encontrado a explicação. O ponto central está em como essas tempestades se formam e se conectam ao interior planetário: se a atmosfera permite crescimento livre, como acontece em Saturno, ou se impõe limites de tamanho, como em Júpiter.

No modelo da equipe, isso depende de quão fortemente as tempestades se acoplam às camadas mais profundas.

“Nossa pesquisa mostra que, dependendo das propriedades internas e da ‘maciez’ da base do vórtice, isso vai influenciar o tipo de padrão fluido observado na superfície”, diz a cientista planetária Wanying Kang, do MIT.

“Acho que ninguém tinha feito essa ligação entre o padrão fluido da superfície e as propriedades internas desses planetas. Um cenário possível é que Saturno tenha uma base mais rígida que a de Júpiter.”

O clima em Júpiter e Saturno é lendário. Dominados por uma atmosfera gasosa e volumosa, os dois planetas são agitados por tempestades turbulentas, faixas intensas de vento e nuvens espessas que formam desenhos quase abstratos.

Ambos já foram observados de perto por missões dedicadas - Cassini, em Saturno, e Juno, em Júpiter. Essas sondas revelaram que, apesar de tantas semelhanças, os dois planetas têm configurações polares próprias e bem distintas.

“As pessoas passaram muito tempo tentando entender as diferenças entre Júpiter e Saturno”, diz o cientista atmosférico Jiaru Shi, do MIT. “Os planetas têm praticamente o mesmo tamanho e são compostos em grande parte por hidrogênio e hélio. Não está claro por que seus vórtices polares são tão diferentes.”

Para investigar, os dois cientistas criaram um modelo bidimensional de dinâmica de fluidos na superfície para reproduzir os vórtices observados nos dois planetas.

“Em um sistema que gira muito rápido, o movimento do fluido tende a ser uniforme ao longo do eixo de rotação”, explica Kang. “Então, fomos motivados pela ideia de reduzir um problema dinâmico 3D para um problema 2D, porque o padrão do fluido não muda em 3D. Isso torna o problema centenas de vezes mais rápido e mais barato de simular e estudar.”

Em planetas gigantes gasosos, tempestades enormes nascem de blocos menores de movimento, como convecção, e vão crescendo cada vez mais. Mas o tamanho final depende de vários limites, incluindo a profundidade da estratificação atmosférica, a força com que a atmosfera é agitada - um fenômeno chamado “forçamento” - e a taxa em que o atrito dissipa energia.

Shi e Kang descobriram que a ordem em que esses limites são alcançados faz uma diferença enorme nos padrões vorticais que aparecem na superfície visível da atmosfera.

A atmosfera de Júpiter é profunda e enérgica o bastante para formar vários vórtices, mas a turbulência inicial impede que eles se fundam em um único grande redemoinho, então eles aparecem como uma surpreendente pizza geométrica de tempestades polares.

Em outras palavras, segundo o modelo, a estratificação de Júpiter é mais fraca, o forçamento é mais forte à medida que o planeta libera calor do seu interior, e a energia não é drenada tão rapidamente pelo atrito. Juntos, esses fatores mantêm intacta a estrutura separada das tempestades na superfície.

Já a atmosfera de Saturno é estratificada em maior profundidade. Nesse caso, um forçamento mais fraco reduz a turbulência profunda, ou então mais energia é perdida por atrito, ou uma combinação dos dois, removendo a barreira que impede a fusão dos vórtices. Com isso, as tempestades colidem e se unem em uma só gigantesca.

E tudo isso ainda pode ser influenciado pela densidade da camada inferior onde o vórtice se forma. Não é uma prova definitiva, mas os resultados da equipe sugerem que os padrões das tempestades polares desses planetas podem guardar pistas sobre o ambiente em que se originaram.

“O que vemos na superfície, o padrão fluido em Júpiter e Saturno, pode nos dizer algo sobre o interior, como o quão macia é a base”, diz Shi.

“E isso é importante porque talvez, abaixo da superfície de Saturno, o interior seja mais rico em metais e tenha mais material condensável, o que pode permitir uma estratificação mais forte do que em Júpiter. Isso ampliaria nosso entendimento desses gigantes gasosos.”

A pesquisa foi publicada no Proceedings of the National Academy of Sciences.