Patrón gigante descubierto en las nubes del planeta Venus.

Nubes de Venus con luz ultravioleta (Pioneer 12)
Nubes de Venus con luz ultravioleta (Pioneer 12)

Cámaras de infrarrojos y simulaciones de superordenadores rompen el velo de Venus.

Un grupo de investigación japonés ha identificado una estructura de rayas gigantes entre las nubes que cubren el planeta Venus basándose en la observación de la nave espacial Akatsuki. El equipo dirigido por el Profesor Asistente Hiroki Kashimura (Universidad de Kobe), también reveló los orígenes de esta estructura utilizando simulaciones climáticas a gran escala, de acuerdo con el artículo publicado el 9 de enero de 2019 en Nature Communications.

A Venus a menudo se le llama “gemelo de la Tierra” debido a su tamaño y gravedad similares, pero el clima en Venus es muy diferente. Venus rota en dirección opuesta a la de la Tierra, y lo hace mucho más lentamente (una día venusiano dura aproximadamente 243 días terrestres). Mientras tanto, a unos 60 km sobre la superficie, vientos huracanados procedentes del este dan la vuelta al planeta en aproximadamente 4 días terrestres, a 360 km/h. Este fenómeno se conoce como “súper-rotación”.

El cielo de Venus está completamente cubierto por gruesas nubes de ácido sulfúrico que se ubican entre 45 y 70 km de altura, lo que dificulta observar la superficie desde telescopios terrestres y satélites artificiales que giran alrededor del planeta. Las temperaturas de la superficie alcanzan los 460ºC, un entorno hostil para cualquier observación mediante sondas que tomen tierra. Debido a estas condiciones, todavía hay muchas incógnitas con respecto a los fenómenos atmosféricos de Venus.

Para resolver el rompecabezas de la atmósfera de Venus, la nave espacial japonesa Akatsuki comenzó su órbita de Venus en diciembre de 2015. Uno de los instrumentos de observación de Akatsuki es una cámara infrarroja “IR2” que mide longitudes de onda de 2 μm (0.002 mm). Esta cámara puede capturar la morfología de la nube detallada de los niveles de nubes más bajos, a unos 50 km de la superficie. Las capas superiores de las nubes bloquean los rayos ópticos y ultravioletas, pero gracias a la tecnología infrarroja, las estructuras dinámicas de las nubes más bajas se revelan poco a poco.

Antes de que comenzara la misión Akatsuki, el equipo de investigación desarrolló un programa llamado AFES-Venus para calcular las simulaciones de la atmósfera de Venus. En la Tierra, los fenómenos atmosféricos en todas las escalas se investigan y predicen utilizando simulaciones computerizadas, desde la previsión meteorológica diaria y los informes de huracanes hasta el cambio climático previsto como consecuencia del calentamiento global. Para Venus, la dificultad de la observación hace que las simulaciones por ordenadore sean aún más importantes, pero este mismo problema también dificulta la confirmación de la precisión de las simulaciones.

AFES-Venus ya había logrado reproducir los vientos superrotacionales y las estructuras de temperatura polar de la atmósfera de Venus. Utilizando el Earth Simulator (Simulador Terrestre), un superordenador proporcionado por la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología Marino-Terrestre (JAMSTEC), el equipo de investigación creó simulaciones de ordenador con una alta resolución espacial. Sin embargo, debido a la baja calidad de los datos de observación antes de Akatsuki, era difícil probar si estas simulaciones eran reconstrucciones precisas.

Este estudio comparó datos detallados de observaciones de los niveles de nubes más bajas de Venus tomadas por la cámara IR2 de Akatsuki con las simulaciones de alta resolución del programa AFES-Venus. La parte izquierda de la Figura 1 muestra los niveles de nubes más bajos de Venus capturados por la cámara IR2. Resaltan las rayas gigantes casi simétricas en los hemisferios norte y sur. Cada raya tiene cientos de kilómetros de ancho y se extiende en diagonal a lo largo de casi 10.000 kilómetros.

Ilustración de las nubes de Venus
Figura 1: (izquierda) las nubes más bajas de Venus observadas con la cámara Akatsuki IR2 (después del procesado del borde). Las partes brillantes muestran dónde la capa de nubes es delgada. Se puede ver la estructura de rayas de escala planetaria dentro de las líneas punteadas amarillas. (derecha) La estructura de rayas de escala planetaria reconstruida por simulaciones de AFES-Venus. Las partes brillantes muestran un fuerte flujo descendente. (Edición parcial de la imagen en el documento de Nature Communications. CC BY 4.0)

Este patrón lo reveló por primera vez la cámara IR2, y el equipo lo ha denominado “estructura de raya a escala planetaria” (“planet-scale streak structure”). Esta escala de estructura de rayas nunca se ha observado en la Tierra, y podría ser un fenómeno exclusivo de Venus. Usando las simulaciones de alta resolución de AFES-Venus, el equipo reconstruyó el patrón (Figura 1, lado derecho). La similitud entre esta estructura y las observaciones de la cámara demuestran la precisión de las simulaciones de AFES-Venus.

A continuación, a través de análisis detallados de los resultados de la simulación de AFES-Venus, el equipo reveló el origen de esta estructura de raya gigante. La clave de esta estructura es un fenómeno estrechamente relacionado con el clima de la Tierra: las corrientes de chorro polar. En las latitudes medias y altas de la Tierra, una dinámica de vientos a gran escala (inestabilidad baroclínica) forma ciclones extratropicales, sistemas migratorios de alta presión y corrientes de chorro polar. Los resultados de las simulaciones mostraron que en las capas de nubes de Venus funciona el mismo mecanismo, lo que sugiere que las corrientes en chorro pueden formarse en latitudes altas.

En latitudes más bajas, una onda atmosférica debido a la distribución de flujos a gran escala y el efecto de rotación planetaria (onda de Rossby) genera grandes vórtices en el ecuador a latitudes de 60 grados en ambas direcciones (figura 2, izquierda). Cuando se añaden corrientes en chorro a este fenómeno, los vórtices se inclinan y se estiran, y la zona de convergencia entre los vientos del norte y del sur se forma como una raya. El viento de norte a sur que es empujado hacia afuera por la zona de convergencia se convierte en un fuerte flujo descendente, que resulta en la estructura de la raya a escala planetaria (figura 2, derecha). La onda de Rossby también se combina con una gran fluctuación atmosférica localizada sobre el ecuador (onda de Kelvin ecuatorial) en los niveles de nubes más bajas, preservando la simetría entre los hemisferios.

El mecanismo de formación de la estructura de rayas de escala planetaria
Figura 2: El mecanismo de formación de la estructura de rayas de escala planetaria. Los vórtices gigantes causados por las ondas de Rossby (izquierda) están inclinados por los chorros de alta latitud y se extienden (derecha). Dentro de los vórtices estirados, se forma la zona de convergencia de la estructura de rayas, se produce un flujo descendente y las nubes inferiores se hacen más delgadas. Venus gira en dirección oeste, por lo que las corrientes en chorro también soplan hacia el oeste.

Este estudio reveló la estructura de líneas gigantes en la escala planetaria en los niveles de nubes más bajas de Venus, replicó esta estructura con simulaciones y sugirió que esta estructura de rayas se forma a partir de dos tipos de fluctuaciones atmosféricas (ondas), inestabilidad baroclínica y corrientes de chorro. La exitosa simulación de la estructura de rayas a escala planetaria formada a partir de múltiples fenómenos atmosféricos es una prueba de la precisión de las simulaciones para los fenómenos individuales calculados en este proceso.

Hasta ahora, los estudios sobre el clima de Venus se han centrado principalmente en los cálculos promedio de este a oeste. Este hallazgo ha elevado el estudio del clima de Venus a un nuevo nivel en el que la discusión de la estructura tridimensional detallada de Venus es posible. El siguiente paso, a través de la colaboración con Akatsuki y AFES-Venus, es resolver el rompecabezas del clima del gemelo Venus, tras el velo de una espesa nube de ácido sulfúrico.

 

Universidad de Kobe, Japón.

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