(Izquierda) Imagen infrarroja de Venus tomada por el LIR, (Centro) Imagen infrarroja expandida en las coordenadas geográficas de Venus para enfatizar el patrón de detalles finos. (Derecha) Reducción del ruido de la imagen central promediando varias imágenes. Créditos: JAXA

Nuevas observaciones del Venus Climate Orbiter, Akatsuki, revelaron detalles sobre el mecanismo de circulación atmosférica en Venus que se han publicado en la revista científica británica Nature el 22 de julio de 2021, con el título «The nightside cloud-top circulation of the atmosphere of Venus».

Venus es un planeta con una superficie rocosa (planeta terrestre) y es el vecino de la Tierra en dirección a Sol en nuestro Sistema Solar. El tamaño y la densidad de Venus son cercanos a los de la Tierra. El planeta es el objeto más brillante del cielo después del Sol y la Luna, lo que le valió el nombre de «estrella de la mañana» o «estrella de la tarde». Debido al efecto invernadero resultante de una atmósfera densa rica en dióxido de carbono, la temperatura en la superficie del planeta alcanza los 460 ℃. Existen nubes de ácido sulfúrico a altitudes de 50 ~ 70 km. La rotación del planeta es extremadamente lenta, con un período de rotación de 243 días. Sin embargo, la atmósfera se mueve alrededor de Venus en solo 40 días, debido al viento del este de alta velocidad. La rápida velocidad del viento en comparación con la rotación del planeta es un fenómeno conocido como «superrotación».

Comprender la circulación atmosférica nocturna en Venus

Puntos clave

Por primera vez, la distribución de las velocidades del viento a la altitud de las nubes en Venus se ha medido tanto de día como de noche, lo que proporciona una comprensión del mecanismo de la circulación atmosférica de alta velocidad y la circulación media norte-sur.

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Distribución de las velocidades del viento del lado nocturno en Venus. Esto se muestra por primera vez en esta investigación. La longitud de la flecha es proporcional a la velocidad del viento, y una longitud de 10 grados de latitud corresponde a 5 m / s (adaptado de Fukuya et al. 2021). Créditos: JAXA

Ha sido un misterio de 40 años cómo se comportaban los patrones de flujo en la parte superior de las nubes de Venus durante la noche. Ahora se ha revelado que por la noche se genera un viento de norte a sur que se mueve en sentido contrario al del día.

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La imagen recién revelada de la circulación cerca de la capa de nubes de Venus. El flujo hacia los polos (azul claro, a la derecha) domina en el lado diurno del planeta y el flujo hacia el ecuador (amarillo, izquierda) domina el lado nocturno, superponiéndose con la superrotación (rojo) en todo el planeta. El flujo hacia el polo en el lado nocturno, descubierto a través de observaciones infrarrojas en este trabajo, cancela el flujo diurno hacia el ecuador. La diferencia entre los caudales diurnos y nocturnos se debe a las mareas térmicas. La imagen del lado diurno de Venus fue capturada con la cámara ultravioleta UVI a bordo del Venus Climate Orbiter, Akatsuki, y la imagen del lado nocturno fue tomada por la cámara infrarroja, LIR (imágenes de Venus proporcionadas por JAXA).


Comprender la circulación atmosférica en un planeta de rotación lenta envuelto en nubes espesas, un entorno muy diferente al de la Tierra, conducirá a la comprensión de los mecanismos que crean entornos diversos en los planetas terrestres.

Resumen

Venus alberga un rápido viento del este en todo el planeta conocido como «superrotación» que no se ve en la Tierra. Además de esto, el movimiento de las nubes durante el día observado en la luz ultravioleta fluye desde el ecuador hacia ambos polos. Sin embargo, ha sido un misterio durante 40 años cuánto de este segundo flujo hacia el polo se debe a la circulación de Hadley y cuánto se debe a los vientos peculiares de las mareas térmicas.

Superrotación: La «superrrotación» es un fenómeno en el que la atmósfera del planeta circula más rápido de lo que el planeta rota en una amplia gama de latitudes, incluido el ecuador. En Venus, estos vientos se encuentran en todas las latitudes, y la velocidad del viento aumenta con la altitud desde la superficie y alcanza una velocidad máxima de 100 m/s cerca de la región de la parte alta de las nubes a una altitud de 70 km. Esto es muy diferente de los vientos en la Tierra, y el mecanismo que causa tales velocidades no se comprende bien. Se pueden ver vientos similares en la luna de Saturno, Titán, y las observaciones han apuntado a la existencia de superrotación en exoplanetas.

Circulación de Hadley: Debido a que el planeta recibe la mayor cantidad de energía solar en el ecuador, la atmósfera se vuelve más cálida cerca de la región ecuatorial y es más fría en latitudes más altas. En un intento por eliminar esta diferencia de temperatura, la atmósfera cálida se eleva cerca del ecuador y fluye en la atmósfera superior hacia latitudes más altas, antes de enfriarse y descender en las regiones de latitudes más altas para regresar a través de la atmósfera inferior hasta el ecuador. Este tipo de circulación se denomina circulación de Hadley y, en la Tierra, opera entre el ecuador y una latitud de unos 30 °. En Venus, se espera que la circulación de Hadley ocurra cerca de la parte alta de las nubes y cerca de la superficie del planeta, que son calentadas por la luz solar, pero a diferencia de la Tierra, la circulación puede extenderse desde el ecuador hasta latitudes altas. La circulación de Hadley ocurre simultáneamente con el viento de este a oeste (superrotación en Venus) y en el mismo lugar, pero generalmente es la mucha más lenta de los dos.

Mareas térmicas: Las atmósferas planetarias se calientan con la luz solar en un lugar directamente debajo de la posición del Sol, que se mueve en relación con la atmósfera cuando el planeta gira y la atmósfera circula para causar ondas de fluidos a escala planetaria. Dicha onda se conoce como marea térmica y se observa ampliamente en la Tierra y Marte, además de Venus. Las mareas térmicas se propagan tanto en dirección este-oeste como vertical, transfiriendo impulso entre diferentes altitudes y acelerando / desacelerando el viento medio este-oeste. A diferencia de la llamada marea, la atracción de otros cuerpos celestes como la Luna es irrelevante para la marea térmica.

Un grupo de investigación dirigido por Kiichi Fukuya, jefe de estudios en la Escuela de Graduados de Ciencias de la Universidad de Tokio, y el profesor Takeshi Imamura de la Escuela de Graduados de Ciencias Fronterizas de la Universidad de Tokio, junto con investigadores de la Universidad de Tokio, Universidad de Rikkyo, Japan Aerospace, La Agencia de Exploración (JAXA) y otras instituciones lograron visualizar el movimiento de las nubes que cubren Venus durante el día y la noche mediante el análisis de imágenes infrarrojas capturadas por el Venus Climate Orbiter de JAXA, Akatsuki. Esto reveló que hubo un flujo nocturno hacia el ecuador que fue en la dirección opuesta al movimiento durante el día, aclarando el papel de las mareas térmicas. El descubrimiento también ofrece información sobre el mecanismo que impulsa la superrotación y la morfología de la circulación de Hadley. Comprender cómo se mantiene el entorno atmosférico en Venus es un factor clave para dilucidar cómo los planetas se diferencian en una variedad de entornos y para comprender las condiciones en los planetas con atmósferas superrrotantes que se cree que son numerosas fuera del Sistema Solar.

El Venus Climate Orbiter de Japón, Akatsuki, se lanzó en mayo de 2010 y entró en órbita alrededor de Venus en diciembre de 2015, después de un retraso de cinco años debido a problemas con el sistema de propulsión en ruta a Venus. El orbitador es un satélite meteorológico de Venus y realiza observaciones continuas de imágenes de la atmósfera utilizando cinco cámaras que toman imágenes en diferentes longitudes de onda desde la órbita. Akatsuki también realiza observaciones de la atmósfera de Venus utilizando ondas de radio para la comunicación entre su antena y la Tierra.

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(Izquierda) Estructura horizontal de los vientos norte-sur en la marea térmica. La dirección norte es positiva y el sur es negativa. (Derecha) Estructura horizontal del viento este-oeste de la marea térmica. La dirección hacia el este es positiva, hacia el oeste es negativa. Créditos: JAXA

Descripción de la investigación

Venus es un planeta de tamaño similar a la Tierra, con una atmósfera densa que está compuesta principalmente de dióxido de carbono con nubes de ácido sulfúrico a gran altura. Un viento global de 100 m / s hacia el oeste, conocido como superrotación, azota las cimas de las nubes a una altitud de 65 km. Investigar la mecánica de una atmósfera que es muy diferente a la de la Tierra permite conocer los procesos que llevaron a la creación de los diferentes entornos en cada planeta. En los últimos años, se han descubierto fuera del Sistema Solar varios planetas con nubosidad a gran altitud y planetas cuyas atmósferas se cree que son superrrotantes. Por lo tanto, Venus está atrayendo la atención como cuerpo celeste de referencia para investigar las condiciones en estos exoplanetas.

El movimiento de la atmósfera de Venus se había estimado previamente principalmente a partir de una serie de imágenes de las nubes iluminadas por la luz solar ultravioleta durante el día. La luz ultravioleta ilumina sombras en las nubes correspondientes a variaciones en la composición química, lo que permite identificar y rastrear las nubes. Este seguimiento reveló que, además de la superrotación, el movimiento de la atmósfera de Venus incluye un flujo de unos 10 m/s desde el ecuador hacia ambos polos. En el momento de su descubrimiento, hace unos 40 años, este flujo hacia los polos se atribuyó a la circulación de Hadley, una circulación atmosférica global en la que la atmósfera calentada por la luz solar en el ecuador se eleva y fluye hacia latitudes altas. Sin embargo, se ha señalado en los últimos años que este movimiento también incluye un aporte de las mareas térmicas; una onda de fluido causada por el calentamiento atmosférico por la luz solar. Las contribuciones respectivas de cada mecanismo no se han entendido bien.
La circulación de Hadley es el flujo medio de los vientos de norte a sur durante el día y la noche, mientras que las mareas térmicas serán el origen de la diferencia entre esos dos tiempos. La circulación de Hadley y las mareas térmicas son los dos principales fenómenos atmosféricos causados ​​por las nubes que cubren la totalidad de Venus recibiendo luz solar. La circulación de Hadley es responsable de la circulación de energía y materia, mientras que las mareas térmicas pueden afectar el mantenimiento de la superrotación. Comprender la atmósfera venusiana requiere comprender la mecánica de estos dos fenómenos y eso hizo necesario observar el día y la noche del planeta para capturar la estructura global.

La mejor manera de monitorizar el movimiento de las nubes durante la noche es observar el infrarrojo emitido por las nubes y rastrear las diferencias en la temperatura de la cima de las nubes entre ubicaciones. Pero la totalidad de Venus nunca antes se había fotografiado continuamente en el infrarrojo, y no se pudo ver un patrón claro en el infrarrojo. Esta investigación utilizó datos de imágenes de nubes adquiridos aproximadamente cada hora durante dos años con la cámara de imagen térmica LIR a bordo del Venus Climate Orbiter de Japón, Akatsuki. Para distinguir entre variaciones de temperatura y ruido, el ruido se redujo superponiendo y promediando múltiples imágenes desplazadas para tener en cuenta el movimiento de las nubes debido a la superrotación de la atmósfera. Con este paso, se pudieron ver pequeñas fluctuaciones de temperatura en la parte superior de la nube de aproximadamente 0.3 ℃, lo que permitió visualizar el movimiento de la atmósfera (Ver videos).

Video 1: Movimiento de las nubes en el lado nocturno de Venus como se ve en infrarrojo. Puede ver la convergencia de los patrones de nubes desde latitudes altas hacia el ecuador.
https://drive.google.com/file/d/1e9IK2qVZJj240ZqVNAukMpdHWVLZ_hkA/view?usp=sharing

Video 2: Movimiento de las nubes en el lado diurno de Venus como se ve en infrarrojo. El patrón de nubes ahora se extiende desde la región ecuatorial a latitudes altas.
https://drive.google.com/file/d/1dbRL7tSrTvjMK1ILeNBENQqlYPB8MBUZ/view?usp=sharing

El análisis resultante reveló un flujo en las cimas de las nubes nocturnas desde ambos polos hacia el ecuador, al contrario que durante el día. El movimiento ocurrió a la misma velocidad que el flujo inverso durante el día, lo que resultó en casi ninguna circulación neta norte-sur cuando se promedió durante el día y la noche. Se descubrió que el flujo nocturno hacia el ecuador ocurre principalmente desde el atardecer hasta la medianoche. La estructura de velocidades de la marea térmica se aclaró por primera vez basándose en la diferencia en las velocidades del viento con el tiempo. La marea térmica contiene una gran contribución de una onda periódica que incluye dos ciclos en la dirección este-oeste (marea semidiurna) y transmite una fuerza en la dirección de la altitud (transportando el impulso este-oeste en la dirección de la altitud), lo que sugiere que esto ayuda para mantener la superrotación.

Publicación

Nombre de la revista: Nature
Título del artículo: «The nightside cloud-top circulation of the atmosphere of Venus»
Autores: Kiichi Fukuya *, Takeshi Imamura *, Makoto Taguchi, Tetsuya Fukuhara, Toru Kouyama, Takeshi Horinouchi, Javier Peralta, Masahiko Futaguchi, Takeru Yamada, Takao M. Sato, Atsushi Yamazaki, Shin-ya Murakami, Takehiko Takami, Masahiko Takami Masato Nakamura
DOI: 10.1038 / s41586-021-03636-7
Resumen: https://www.nature.com/articles/s41586-021-03636-7

Grupo de investigación

Kiichi Fukuya (En ese momento: Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias, Universidad de Tokio, Actual : Laboratorio de Desarrollo de Sistemas y Software de Tokio, IBM Japón)

Takeshi Imamura (Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Complejidad, Escuela de Graduados de Ciencias Fronterizas / Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias, Universidad de Tokio

Masato Nakamura (Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas, Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón)

Basado en el articulo publicado por JAXA
Créditos: JAXA

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