Investigadores de la UPC, el BSC-CNS y la UPV/EHU determinan la edad y el origen de la Gran Mancha Roja de Júpiter
Los investigadores del Departamento de Física de la UPC Manel Soria, Enrique García-Melendo y Arnau Miró
Los investigadores Enrique García, Agustín Sánchez y Jon Legarreta en el despacho. Imagen: Fernando Gómez Larrea
Cambios en el tamaño de la Gran Mancha Roja de Júpiter (GRS) en 134 años. Izquierda, Fotografía obtenida el 14 de octubre de 1890 en el Observatorio de Lick (USA), ligeramente coloreada para destacar al óvalo. Derecha, imagen obtenida con el Telescopio Espacial Hubble el 5 de enero de 2024. Créditos: BDIP-Observatoire Paris (izquierda), HST/NASA/ESA/OPAL program (derecha).
Observación y simulación de la GRS antigua. Izquierda, primera fotografía de Júpiter por A. A. Common desde Ealing (Londres, Inglaterra) el 3 septiembre 1879. La GRS destaca prominentemente como un óvalo oscuro. Derecha, modelo de simulación numérica de la GRS observada aquel año superpuesta sobre una imagen reciente de Júpiter obtenida con el Telescopio Espacial Hubble (HST/NASA/ESA). Las imágenes están orientadas en visión astronómica (Sur arriba, Este a la izquierda). Créditos: ©UPV-EHU/UPC.
Observación y simulación de la génesis de la GRS. Izquierda, dibujo de Júpiter realizado por S. Swabe el 10 de mayo de 1851, que muestra el área de la GRS como un gran óvalo claro con sus bordes marcados por una línea roja a trazos. Derecha, modelo de simulación numérica de una larga célula lentamente rotante engendrada por los vientos de Júpiter superpuesta sobre una imagen reciente del planeta obtenida con el Telescopio Espacial Hubble (HST/NASA/ESA). Las imágenes están orientadas en visión astronómica (Sur arriba, Este a la izquierda). Créditos: ©UPV-EHU/UPC.
Investigadores del Departamento de Física de la UPC en el Campus de Terrassa, el Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) y la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) han analizado las observaciones históricas desde el siglo XVII de la Gran Mancha Roja de Júpiter, un impresionante fenómeno meteorológico en la atmósfera del planeta gigante gaseoso, y han desarrollado modelos numéricos para explicar su longevidad y naturaleza. Un trabajo que ha sido publicado por la revista Geophysical Research Letters, de la American Geophysical Union.
17/06/2024
La Gran Mancha Roja de Júpiter (conocida como GRS por sus siglas en inglés de Great Red Spot) es probablemente la estructura atmosférica más conocida, un icono popular entre los objetos del Sistema Solar. Su gran tamaño (actualmente tiene el diámetro de la Tierra) y el contraste de su color rojizo frente a las nubes pálidas del planeta hacen que sea un objeto fácilmente visible incluso con pequeños telescopios.
Se trata de un enorme remolino anticiclónico por cuya periferia los vientos circulan a 450 km/h. Es el vórtice más grande y longevo de todos los existentes en las atmósferas de los planetas del sistema solar, pero su edad es objeto de debate y el mecanismo que dio origen a su formación permanece oculto. Las elucubraciones sobre el origen de la GRS se remontan a las primeras observaciones telescópicas del astrónomo Giovanni Domenico Cassini, que en 1665 descubrió un óvalo oscuro en la misma latitud que la GRS y lo bautizó como 'Mancha Permanente' (PS, por sus siglas en inglés de Permanent Spot), ya que fue observada por él y por otros astrónomos hasta 1713.
Posteriormente, su rastro se perdió durante 118 años y no es hasta 1831 y en años posteriores que S. Schwabe observa de nuevo una estructura clara, de forma aproximadamente ovalada y en la misma latitud que la GRS, que puede considerarse como la primera observación de la GRS actual, quizás de una GRS naciente. Desde entonces, la GRS se ha observado regularmente con telescopios y por las distintas misiones espaciales que han visitado el planeta, hasta nuestros días.
En este estudio, publicado en la revista Geophysical Research Letters, los autores Agustín Sánchez-Lavega, Enrique García-Melendo, Jon Legarreta, Arnau Miró, Manel Soria y Kevin Ahrens-Velásquez han analizado, por un lado, la evolución en el tiempo del tamaño, estructura y movimientos de ambas formaciones meteorológicas, la antigua PS y la GRS; para ello han acudido a fuentes históricas que se remontan a mediados del siglo XVII, poco después de la invención del telescopio.
“De las medidas de tamaños y movimientos deducimos que es altamente improbable que el actual GRS fuera la PS observada por G. D. Cassini. Probablemente, la PS desapareció en algún momento entre mediados de los siglos XVIII y XIX, en cuyo caso podemos decir que la Mancha Roja tiene al menos, por ahoram, una longevidad de más de 190 años”, explica Agustín Sánchez Lavega, catedrático de Física de la UPV/EHU, que ha liderado esta investigación.La Mancha Roja, que en 1879 tenía un tamaño de 39.000 km en su eje más largo, ha ido contrayéndose a la vez que se ha redondeado, hasta alcanzar actualmente unos 14.000 km.
Por otra parte, desde la década de los años 70, diferentes misiones espaciales han estudiado de cerca este fenómeno meteorológico. Recientemente, “diferentes instrumentos a bordo de la misión Juno en órbita alrededor de Júpiter han mostrado que la GRS es poco profunda y delgada cuando se compara con su tamaño horizontal, pues verticalmente se extiende unos 500 km”, explica Sánchez Lavega.
Simulaciones numéricas
Con el fin de averiguar cómo se pudo formar este inmenso remolino, los equipos de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) y de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) han realizado simulaciones numéricas en superordenadores españoles como el MareNostrum del BSC-CNS, integrado en la Red Española de Supercomputación (RES), mediante dos tipos de modelos complementarios del comportamiento de vórtices delgados en la atmósfera de Júpiter. En el planeta gigante, dominan intensas corrientes de vientos que fluyen a lo largo de los paralelos alternando en su dirección con la latitud. Al norte de la GRS, los vientos soplan hacia el oeste con velocidades de 180 km/h mientras que por el sur, lo hacen en sentido contrario hacia el este, con velocidades de 150 km/h. Esto genera una enorme cizalla de norte a sur en la velocidad del viento, que es un ingrediente básico para que crezca el vórtice.
Los investigadores también han explorado diferentes mecanismos para explicar la génesis de la GRS, entre ellos la erupción de una supertormenta gigantesca, similar a las que muy rara vez se observan en el planeta gemelo Saturno, o bien la fusión de múltiples vórtices más pequeños engendrados por la cizalla del viento. Los resultados indican que, si bien en ambos casos se forma un anticiclón, este difiere en la forma y propiedades dinámicas de los del actual GRS. "Además, pensamos que si se hubiera producido uno de esos fenómenos inusuales, seguramente él o sus consecuencias en la atmósfera, habrían sido observadas y reportadas por los astrónomos de la época", señala Sánchez-Lavega.
En un tercer grupo de experimentos numéricos, el equipo de científicos ha explorado la generación de la GRS a partir de una conocida inestabilidad en los vientos que es capaz de engendrar una célula alargada que los cierra y atrapa. Esta célula sería una proto-GRS, una Mancha Roja naciente, cuyo posterior encogimiento daría lugar a la GRS compacta y rápidamente rotante que se observa a finales del siglo XIX.
La formación de grandes células alargadas ya se han observado en la génesis de otros vórtices importantes en Júpiter. "En nuestras simulaciones, gracias al uso de superordenadores, hemos encontrado que las células alargadas son estables cuando rotan por su periferia con la velocidad de los vientos de Júpiter, tal y como se esperaría cuando se forman por esta inestabilidad", afirma Enrique García-Melendo, investigador del Departamento de Física de la UPC y del Turbulence and Aerodynamics en Mechanical and Aerospace Engineering Research Group (TUAREG), en la Escuela Superior de Ingenierías Industrial, Aeroespacial y Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT).
Utilizando dos tipos diferentes de modelos numéricos, uno en la UPV/EHU y otro en la UPC, los investigadores concluyen que si la velocidad de rotación de la proto-GRS es menor que la de los vientos circundantes, esta se fragmenta, haciendo imposible la formación de un vórtice estable. Y si es muy alta, las propiedades difieren de las del actual GRS.
Las futuras investigaciones estarán encaminadas a intentar reproducir el encogimiento de la GRS en el tiempo para conocer con mayor detalle los mecanismos físicos subyacentes a su sostenimiento en el tiempo. A la vez que intentarán pronosticar si la GRS se desintegrará y desaparecerá al alcanzar un tamaño límite, como pudo pasarle a la PS de Cassini, o bien si se estabilizará en un tamaño límite en el cual pueda perdurar durante muchos más años.
