domingo, octubre 2, 2022

Júpiter está más caliente de lo que debería

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Júpiter emite al exterior más energía de la que recibe del Sol, por lo que debe generar esa energía en su núcleo o en las capas más profundas de su atmósfera. ¿Puede deberse esta energía a la desintegración de elementos radiactivos, a la fusión nuclear de su hidrógeno o al calor debido al colapso gravitatorio de la nube de gas y polvo que lo formó?

La temperatura sobre la superficie de Venus, la Tierra o Marte la determinan dos propiedades de estos planetas: la cantidad de energía que reciben del Sol y su atmósfera. La energía recibida depende principalmente de su distancia a la estrella, recibiendo Venus considerablemente más energía que Marte. La composición y tamaño de sus atmósfera son el resultado de una compleja y larga evolución, pero básicamente acentúan la tendencia, siendo la de Venus cien veces más masiva que la terrestre y esta cien veces más masiva que la marciana.

Pues bien, puede establecerse la temperatura a la que debería estar dicha atmósfera conociendo esta información. La energía que llega al planeta calentará la superficie y su atmósfera retendrá parte de ese calor y emitirá el resto. Pues bien, cuando se hace este cálculo para Júpiter, se obtiene que la temperatura de las últimas capas de su atmósfera debería estar en torno a los 100 K (unos -170 ºC). Es decir, según los cálculos a esta temperatura Júpiter recibiría tanta energía del Sol como energía emitiría, por estar en equilibrio térmico.

Sin embargo la temperatura obtenida midiendo el espectro de emisión en ondas de radio e infrarrojos es algo superior, entre 20 y 40 K superior, según la zona de la atmósfera estudiada. Esta diferencia podría parecer pequeña, tal vez insignificante, pero la realidad es que implica una diferencia todavía mayor en energía emitida. La energía emitida por un cuerpo a cierta temperatura depende de la cuarta potencia de esa temperatura, por tanto un cuerpo que dobla su temperatura pasa a emitir dieciséis veces más energía.

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Esto significa que un Júpiter a 120 K de temperatura emite aproximadamente el doble de energía al espacio que un Júpiter a 100 K. Esto significaría a su vez que Júpiter emite el doble de energía al espacio de la que recibe del Sol pero, ¿de dónde proviene esa energía?

No puede ser la desintegración de elementos radiactivos, como el uranio, torio o potasio, pues aunque estos elementos deben estar presentes en el interior del gigante gaseoso, sin duda no aparecen en suficiente cantidad como para calentar significativamente el interior del planeta. Esto es un claro contraste a lo que ocurre en el núcleo de la Tierra, donde pensamos que estas desintegraciones podrían ser la fuente principal de calor que mantiene al núcleo terrestre fundido. Tampoco pueden ser los procesos de fusión nuclear que dan brillo al Sol, pues aunque la temperatura en el interior de júpiter es alta, se queda mil veces por debajo de los millones de grados necesarios para que comiencen estas reacciones nucleares. Por lo que sabemos la principal fuente de calor del interior de Júpiter sería el calor residual acumulado durante la contracción del pedacito correspondiente de la nube gigantesca de gas y polvo que formó el sistema solar.

Al contraerse este pedacito para dar lugar a Júpiter se habría calentado hasta alcanzar temperaturas algo superiores a los casi 40 000 K (y presiones 50 millones de veces la presión atmosférica sobre la superficie terrestre) que pensamos se dan en el núcleo de Júpiter en la actualidad. Este núcleo estaría formado por material más pesado que la atmósfera, con grandes cantidades de hierro, silicio y magnesio, aunque no en estado sólido, pues las condiciones no lo permitirían. El calor del núcleo se ha ido transmitiendo a las capas externas lentamente a lo largo de los últimos miles de millones de años, por convección. Es decir, debido al movimiento del material caliente del interior hacia zonas menos profundas.

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Aunque pueda parecer que este proceso podría enfriar al gigante gaseoso rápidamente, pues Júpiter emite más de un trillón de vatios de energía en exceso de la que recibe del Sol, esto es completamente insignificante en comparación con la energía almacenada en el interior del planeta. Se calcula que esta emisión de energía hace que la temperatura del interior de Júpiter disminuya en una millonésima de grado al año. Esto significaría que aún le queda energía para seguir con la tendencia actual hasta después de que el Sol muera y se convierta en una enana blanca, dentro de cinco mil millones de años.

El complejo sistema de zonas, cinturones, tormentas y vórtices que observamos en Júpiter con nuestros telescopios probablemente esté causado por los últimos 200 kilómetros de atmósfera. Bajo esta capa de nubes más externa la temperatura y presión aumentan rápidamente, hasta que llegamos al interior del planeta propiamente dicho. Este interior escapa a nuestra observación por lo que, como en el caso del Sol, recurrimos a modelos teóricos y a observaciones del exterior para entenderlo en detalle.

Más allá del vistazo ocasional a alguna estructura del interior del planeta, como pudimos tomar tras la colisión de Shoemaker-Levy 9 en 1994, debes inferir la información relevante. Estos modelos a fecha de hoy coinciden con las observaciones realizadas. Además, al estar Júpiter formado principalmente por hidrógeno y helio, dos gases que entendemos bastante bien, modelar su interior resulta más sencillo.

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