Investigadors de la UPC, el BSC-CNS i la UPV/EHU determinen l'edat i l'origen de la Gran Taca Vermella de Júpiter
Els investigadors del Departament de Física de la UPC Manel Soria, Enrique García-Melendo i Arnau Miró
Els investigadors Enrique García, Agustín Sánchez i Jon Legarreta al despatx. Imatge: Fernando Gómez Larrea
Canvis en la mida de la Gran Taca Vermella de Júpiter (GRS) en 134 anys. A l’esquerra, fotografia obtinguda el 14 d'octubre de 1890 a l'Observatori de Lick (USA), lleugerament acolorida per destacar l'oval. A la dreta, imatge obtinguda amb el Telescopi Espacial Hubble el 5 de gener de 2024. Crèdits: BDIP-Observatoire Paris (esquerra), HST/NASA/ESA/OPAL program (dreta).
Observació i simulació de la GRS antiga. A l’esquerra, primera fotografia de Júpiter feta per A. A. Common des d'Ealing (Londres, Anglaterra) el 3 setembre 1879. La GRS destaca prominentment com un oval fosc. A la dreta, model de simulació numèrica de la GRS observada aquell any superposada sobre una imatge recent de Júpiter obtinguda amb el Telescopi Espacial Hubble (HST/NASA/ESA). Les imatges estan orientades en visió astronòmica (sud a dalt, est a l'esquerra). Crèdits: ©UPV-EHU/UPC.
Observació i simulació de la gènesi de la GRS. A l’esquerra, dibuix de Júpiter realitzat per S. Swabe el 10 de maig de 1851, que mostra l'àrea de la GRS com un gran oval clar amb les vores marcades per una línia vermella a traços. A la dreta, model de simulació numèrica d'una llarga cèl·lula lentament rotant engendrada pels vents de Júpiter superposada sobre una imatge recent del planeta obtinguda amb el Telescopi Espacial Hubble (HST/NASA/ESA). Les imatges estan orientades en visió astronòmica (sud a dalt, est a l'esquerra). Crèdits: ©UPV-EHU/UPC.
Investigadors del Departament de Física de la UPC al Campus de Terrassa, del Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) i de la Universitat del País Basc (UPV/EHU) han analitzat les observacions històriques des del segle XVII de la Gran Taca Vermella de Júpiter, un impressionant fenomen meteorològic a l'atmosfera del planeta gegant gasós, i han desenvolupat models numèrics per explicar la seva longevitat i naturalesa.
17/06/2024
La Gran Taca Vermella de Júpiter (coneguda com a GRS per les sigles en anglès de Great Red Spot) és probablement l'estructura atmosfèrica més coneguda, una icona popular entre els objectes del Sistema Solar. La seva gran mida (actualment té el diàmetre de la Terra) i el contrast del seu color vermellós davant dels núvols pàl·lids del planeta fan que sigui un objecte fàcilment visible fins i tot amb petits telescopis.
Es tracta d'un enorme remolí anticiclònic per la perifèria quan els vents circulen a 450 km/hr. És el vòrtex més gran i longeu de tots els existents a les atmosferes dels planetes del sistema solar, però la seva edat és objecte de debat i el mecanisme que va donar origen a la seva formació roman ocult. Les elucubracions sobre l'origen de la GRS es remunten a les primeres observacions telescòpiques de l'astrònom Giovanni Domenico Cassini, que el 1665 va descobrir un oval fosc a la mateixa latitud que la GRS. Aquesta la va batejar com a ‘Taca Permanent’ (PS, per les seves sigles en anglès de Permanent Spot), ja que va ser observada per ell i per altres astrònoms fins al 1713.
Posteriorment, el seu rastre es va perdre durant 118 anys i no és fins al 1831 i en anys posteriors que S. Schwabe observa de nou una estructura clara, de forma aproximadament ovalada i en la mateixa latitud que la GRS, que es pot considerar com la primera observació de la GRS actual, potser d'una GRS naixent. Des de llavors, la GRS s'ha observat regularment amb telescopis i per les diferents missions espacials que han visitat el planeta, fins als nostres dies.
En aquest estudi, publicat a la revista Geophysical Research Letters, els autors Agustín Sánchez-Lavega, Enrique García-Melendo, Jon Legarreta, Arnau Miró, Manel Soria i Kevin Ahrens-Velásquez han analitzat, per una banda, l'evolució en el temps de la mida, l'estructura i els moviments d'ambdues formacions meteorològiques, l'antiga PS i la GRS, acudint a fonts històriques que es remunten a mitjans del segle XVII, poc després de la invenció del telescopi.
“De les mesures de mides i moviments deduïm que és altament improbable que l'actual GRS fos la PS observada per G. D. Cassini. Probablement, la PS va desaparèixer en algun moment entre mitjans dels segles XVIII i XIX, així que podem dir que la Taca Vermella té almenys, per ara, una longevitat de més de 190 anys”, explica Agustín Sánchez Lavega, catedràtic de Física de la UPV/EHU, que ha liderat aquesta recerca.
La Taca Vermella, que el 1879 tenia una mida de 39.000 km al seu eix més llarg, ha anat contraient-se alhora que s'ha arrodonit, fins a assolir actualment uns 14.000 km. D'altra banda, des de la dècada dels anys 70, diferents missions espacials han estudiat de prop aquest fenomen meteorològic. Recentment, diferents instruments a bord de la missió Juno en òrbita al voltant de Júpiter han mostrat que la GRS és poc profunda i prima quan es compara amb la seva mida horitzontal, ja que verticalment s'estén uns 500 km.
Simulacions numèriques
Per tal d'esbrinar com es va poder formar aquest immens remolí, els equips de la UPV/EHU i de la UPC han realitzat simulacions numèriques en superordinadors espanyols com el MareNostrum del BSC-CNS, integrat a la Xarxa Espanyola de Supercomputació (RES), mitjançant dos tipus de models complementaris del comportament de vòrtexs prims a l'atmosfera de Júpiter. Al planeta gegant, dominen intensos corrents d’aire que flueixen al llarg dels paral·lels alternant en la seva direcció amb la latitud. Al nord de la GRS, els vents bufen cap a l'oest amb velocitats de 180 km/hr mentre que pel sud, ho fan en sentit contrari cap a l'est, amb velocitats de 150 km/hr. Això genera una enorme cisalla de nord a sud en la velocitat del vent, que és un ingredient bàsic perquè creixi el vòrtex.
Els investigadors també han explorat diferents mecanismes per explicar la gènesi de la GRS, entre ells l'erupció d'una supertempesta gegantina, semblant a les que molt poques vegades s'observen al planeta bessó Saturn, o bé la fusió de múltiples vòrtexs més petits engendrats per la cisalla del vent. Els resultats indiquen que, si bé en ambdós casos es forma un anticicló, aquest difereix en la forma i propietats dinàmiques dels de l'actual GRS.
"A més, pensem que si s'hagués produït un d'aquests fenòmens inusuals, segurament ell o les seves conseqüències a l'atmosfera, haurien estat observades i reportades pels astrònoms de l'època", assenyala Sánchez-Lavega.
En un tercer grup d'experiments numèrics, l’equip de científics ha explorat la generació de la GRS a partir d'una coneguda inestabilitat en els vents que és capaç d'engendrar una cèl·lula allargada que els tanca i atrapa. Aquesta cèl·lula seria una proto-GRS, una Taca Vermella naixent, el posterior encongiment de la qual donaria lloc a la GRS compacta i ràpidament rotant que s’observa a finals del segle XIX.
La formació de grans cèl·lules allargades ja s'han observat a la gènesi d'altres vòrtexs importants a Júpiter. "A les nostres simulacions, gràcies a l'ús de superordinadors, hem trobat que les cèl·lules allargades són estables quan roten per la seva perifèria amb la velocitat dels vents de Júpiter, tal com s'esperaria quan es formen per aquesta inestabilitat", afirma Enrique García-Melendo, investigador del Departament de Física de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) i del Turbulence and Aerodynamics in Mechanical and Aerospace Engineering Research Group (TUAREG), a l’Escola Superior d’Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT).
Utilitzant dos tipus diferents de models numèrics, un a la UPV/EHU i l'altre a la UPC, els investigadors conclouen que si la velocitat de rotació de la proto-GRS és menor que la dels vents circumdants, aquesta es fragmenta, fent impossible la formació d’un vòrtex estable. I si és molt alta, les propietats difereixen de les de l'actual GRS. Les futures investigacions estaran encaminades a intentar reproduir l'encongiment de la GRS en el temps per conèixer amb més detall els mecanismes físics subjacents al seu sosteniment en el temps. Alhora que intentaran pronosticar si la GRS es desintegrarà i desapareixerà en assolir una mida límit, com va poder passar-li a la PS de Cassini, o bé si s'estabilitzarà en una mida límit on pugui perdurar durant molts més anys.
