Novo modelo explica as tempestades polares de Júpiter e Saturno

Júpiter e Saturno, os dois maiores planetas do Sistema Solar, partilham muitas semelhanças. São compostos por materiais muito parecidos, rodam a ritmos próximos e libertam calor interno de forma semelhante. Até na forma como acumulam luas se assemelham.

O enigma das tempestades e vórtices polares

Apesar disso, há uma diferença que há muito intriga os cientistas: as enormes tempestades em redemoinho que dominam os seus polos.

Em Saturno, existe uma tempestade gigantesca em cada polo.

Em Júpiter, cada polo é controlado por uma grande tempestade central, rodeada por uma espécie de “diadema” de redemoinhos mais pequenos.

Agora, dois cientistas planetários defendem que poderão ter encontrado a explicação. Tudo dependerá de como as tempestades se formam e de como se ligam ao interior do planeta: se a atmosfera permite um crescimento livre, como acontece em Saturno, ou se, na prática, impõe limites ao tamanho das tempestades, como em Júpiter.

No modelo da equipa, a chave está em quão fortemente as tempestades ficam acopladas às camadas mais profundas.

"O nosso estudo mostra que, consoante as propriedades do interior e a suavidade da base do vórtice, isso vai influenciar o tipo de padrão de fluido que se observa à superfície", afirma a cientista planetária Wanying Kang, do MIT.

"Não creio que alguém tenha feito esta ligação entre o padrão do fluido à superfície e as propriedades internas destes planetas. Um cenário possível é que Saturno tenha uma base mais rígida do que Júpiter."

Meteorologia extrema observada por Cassini e Juno

A meteorologia de Júpiter e Saturno é lendária. Com atmosferas espessas e gasosas, ambos os planetas são agitados por tempestades turbulentas, faixas intensas de vento e nuvens densas que se enrolam em desenhos que fazem lembrar o expressionismo abstracto.

Os dois mundos foram acompanhados por missões espaciais dedicadas - a Cassini, no caso de Saturno, e a Juno, no caso de Júpiter. Estas sondas revolucionárias mostraram que, apesar de tantas semelhanças, os polos dos dois gigantes exibem configurações de tempestades muito particulares.

"As pessoas passaram muito tempo a decifrar as diferenças entre Júpiter e Saturno", diz o cientista atmosférico Jiaru Shi, também do MIT. "Os planetas têm aproximadamente o mesmo tamanho e são ambos constituídos sobretudo por hidrogénio e hélio. Não é claro porque é que os seus vórtices polares são tão diferentes."

Um modelo 2D para reproduzir a dinâmica à superfície

Para esclarecer esta questão, os dois investigadores construíram um modelo bidimensional da dinâmica de fluidos à superfície, com o objectivo de reproduzir os vórtices observados nas atmosferas de ambos os planetas.

"Num sistema que roda rapidamente, o movimento do fluido tende a ser uniforme ao longo do eixo de rotação", explica Kang. "Por isso, partimos da ideia de que podemos reduzir um problema dinâmico 3D a um problema 2D, porque o padrão do fluido não muda em 3D. Isto torna o problema centenas de vezes mais rápido e mais barato de simular e estudar."

Nos gigantes gasosos, as grandes tempestades nascem de blocos de construção mais pequenos, como a convecção, que vão crescendo progressivamente. No entanto, o tamanho final dessas estruturas é definido por vários limites, incluindo a profundidade da estratificação da atmosfera, a força com que a atmosfera é agitada (o chamado forçamento) e a rapidez com que a fricção dissipa energia.

Shi e Kang concluíram que a ordem pela qual esses limites são atingidos altera de forma dramática os padrões de vórtices que surgem na parte visível da atmosfera.

Porque Júpiter mantém várias tempestades e Saturno junta tudo numa só

Em Júpiter, a atmosfera é suficientemente profunda e energética para gerar múltiplos vórtices. Porém, a turbulência que se instala cedo impede que esses redemoinhos se fundam num único vórtice enorme; em vez disso, aparecem como uma distribuição surpreendentemente geométrica de tempestades polares.

Por outras palavras, de acordo com o modelo, em Júpiter a estratificação é mais fraca, o forçamento é mais intenso porque o planeta irradia calor a partir do centro, e a energia não é drenada tão depressa pela fricção. Em conjunto, estes factores fazem com que a estrutura das tempestades individuais se mantenha bem definida à superfície.

Já em Saturno, a atmosfera apresenta uma estratificação mais profunda. Nesse caso, ou um forçamento mais fraco reduz a turbulência em profundidade, ou uma maior perda de energia por fricção - ou uma combinação dos dois - elimina a barreira que impede a fusão dos vórtices, levando as tempestades a juntarem-se numa única estrutura gigantesca.

E tudo isto pode ainda depender da densidade da camada inferior onde o vórtice se forma. Não se trata propriamente de uma prova definitiva, mas os resultados sugerem que os padrões de tempestades polares de cada planeta podem estar a registar pistas sobre o ambiente em que essas tempestades se desenvolveram.

O que os vórtices polares podem revelar sobre o interior

"O que vemos à superfície, o padrão do fluido em Júpiter e Saturno, pode dizer-nos algo sobre o interior, como quão suave é a base", afirma Shi.

"E isso é importante porque talvez, por baixo da superfície de Saturno, o interior seja mais enriquecido em metais e tenha mais material condensável, o que lhe permite proporcionar uma estratificação mais forte do que a de Júpiter. Isso acrescentaria à nossa compreensão destes gigantes gasosos."

A investigação foi publicada nas Atas da Academia Nacional de Ciências.