Un tornado magnético agita la neblina en los polos de Júpiter

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Vórtices inusuales impulsados magnéticamente podrían estar generando concentraciones de neblina de hidrocarburos del tamaño de la Tierra en el polo sur de Júpiter

Una imagen de Júpiter coloreada artificialmente observada con luz ultravioleta. Además de la Gran Mancha Roja, que aparece azul, se puede ver otra forma ovalada en la neblina marrón del polo sur de Júpiter. El óvalo, una zona de neblina concentrada, es posiblemente el resultado de la mezcla generada por un vórtice situado más arriba en la ionosfera del planeta. Crédito: Troy Tsubota & Michael Wong, UC Berkeley

Si bien la Gran Mancha Roja de Júpiter ha sido una característica constante del planeta durante siglos, los astrónomos de la Universidad de California en Berkeley han descubierto manchas igualmente grandes en los polos norte y sur del planeta que aparecen y desaparecen aparentemente al azar.

Los óvalos, que tienen el tamaño de la Tierra, que sólo son visibles en longitudes de onda ultravioleta, están incrustados en capas de neblina estratosférica que cubren los polos del planeta. Los óvalos oscuros, cuando se ven, casi siempre se ubican justo debajo de las zonas aurorales brillantes en cada polo, que son similares a las luces del norte y del sur de la Tierra. Las manchas absorben más rayos ultravioleta que el área circundante, lo que hace que aparezcan oscuras en las imágenes tomadas con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA. En las imágenes anuales del planeta tomadas por el Hubble entre 2015 y 2022, un óvalo ultravioleta oscuro aparece el 75% del tiempo en el polo sur, mientras que los óvalos oscuros aparecen sólo en una de las ocho imágenes tomadas del polo norte.

Los óvalos ultravioleta oscuros indican procesos inusuales que tienen lugar en el fuerte campo magnético de Júpiter y que se propagan hasta los polos y a las profundidades de la atmósfera, mucho más profundamente que los procesos magnéticos que producen las auroras en la Tierra.

Los investigadores de la UC Berkeley y sus colegas informaron sobre el fenómeno ayer, en la revista Nature Astronomy.

Los óvalos oscuros en la luz ultravioleta fueron detectados por primera vez por el Hubble a finales de los años 90 en los polos norte y sur, y posteriormente en el polo norte por la sonda espacial Cassini que pasó por Júpiter en el 2000, pero atrajeron poca atención. Sin embargo, cuando Troy Tsubota, estudiante de grado de la UC Berkeley, realizó un estudio sistemático de imágenes recientes obtenidas por el Hubble, descubrió que eran una característica común en el polo sur: contó ocho óvalos oscuros en la luz ultravioleta del sur (SUDO, por sus siglas en inglés) entre 1994 y 2022. En los 25 mapas globales del Hubble que muestran el polo norte de Júpiter, Tsubota y el autor principal Michael Wong, un astrónomo investigador asociado con base en el Laboratorio de Ciencias Espaciales de la UC Berkeley, encontraron sólo dos óvalos oscuros en la luz ultravioleta del norte (NUDO, por sus siglas en inglés).

La mayoría de las imágenes del Hubble se habían obtenido como parte del proyecto Outer Planet Atmospheres Legacy (OPAL), dirigido por Amy Simon, científica planetaria del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA y coautora del artículo. Utilizando el Hubble, los astrónomos del OPAL realizan observaciones anuales de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno para comprender su dinámica atmosférica y su evolución con el paso del tiempo.

Imagen ultravioleta en falso color de todo el planeta, que muestra la capa de neblina de hidrocarburos que cubre el polo sur. El borde de la capa del polo norte es visible en la parte superior. Crédito: Troy Tsubota y Michael Wong, UC Berkeley

“En los primeros dos meses nos dimos cuenta de que estas imágenes de OPAL, en cierto sentido, eran como una mina de oro, y rápidamente pude construir este proceso de análisis y enviar todas las imágenes para ver qué obteníamos”, expresó Tsubota, quien está en su último año en UC Berkeley como estudiante de tres carreras: Física, Matemáticas y Ciencias de la computación. “Fue entonces cuando nos dimos cuenta de que realmente podíamos hacer algo de ciencia de calidad y análisis de datos reales y comenzar a hablar con los colaboradores sobre por qué aparecen estas imágenes”.

Wong y Tsubota consultaron a dos expertos en atmósferas planetarias — Tom Stallard, de la Universidad de Northumbria en Newcastle-upon-Tyne (Reino Unido), y Xi Zhang, de la Universidad de California en Santa Cruz— para determinar qué podría causar estas áreas de densa neblina. Stallard teorizó que el óvalo oscuro probablemente se agita desde arriba por un vórtice creado cuando las líneas del campo magnético del planeta experimentan fricción en dos lugares muy distantes: en la ionosfera, donde Stallard y otros astrónomos detectaron previamente un movimiento giratorio utilizando telescopios terrestres, y en la capa de plasma caliente e ionizado que rodea al planeta, desprendida por la luna volcánica Ío.

El vórtice gira más rápido en la ionosfera y se debilita progresivamente a medida que alcanza cada capa más profunda. Como un tornado que toca tierra polvorienta, la extensión más profunda del vórtice agita la atmósfera brumosa para crear las manchas densas que observaron Wong y Tsubota. No está claro si la mezcla arrastra más bruma desde abajo o genera más bruma.

Basándose en las observaciones, el equipo sospecha que los óvalos se forman en el transcurso de aproximadamente un mes y se disipan en un par de semanas.

“La neblina en los óvalos oscuros es 50 veces más espesa que la concentración típica”, dijo Zhang, “lo que sugiere que probablemente se forma debido a la dinámica de vórtices giratorios en lugar de reacciones químicas desencadenadas por partículas de alta energía de la atmósfera superior. Nuestras observaciones mostraron que el momento y la ubicación de estas partículas energéticas no se correlacionan con la apariencia de los óvalos oscuros”.

Los hallazgos obtenidos constituyen aquello por lo que el proyecto OPAL fue diseñado para descubrir: cómo la dinámica atmosférica en los planetas gigantes del sistema solar difiere de lo que conocemos en la Tierra.

“Estudiar las conexiones entre las diferentes capas atmosféricas es muy importante para todos los planetas, ya sea un exoplaneta, Júpiter o la Tierra”, dijo Wong. “Vemos evidencia de un proceso que conecta todo en todo el sistema de Júpiter, desde el dinamo interior hasta los satélites y sus torios de plasma, pasando por la ionosfera y las neblinas estratosféricas. Encontrar estos ejemplos nos ayuda a comprender el planeta en su conjunto”.

El trabajo fue apoyado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA, por National Aeronautics and Space Administration).
El trabajo UV-dark polar ovals on Jupiter as tracers of magnetosphere–atmosphere connections, fue publicado en Nature Astronomy Sus autores son: Troy K. Tsubota, Michael H. Wong, Tom Stallard, Xi Zhang & Amy A. Simon

Información adicional
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English version
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Magnetic tornado is stirring up the haze at Jupiter’s poles
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Article was written by Robert Sanders, and published on UC Berkeley news section

Unusual magnetically driven vortices may be generating Earth-size concentrations of hydrocarbon haze

An artificially colored view of Jupiter observed in ultraviolet light. In addition to the Great Red Spot, which appears blue, another oval feature can be seen in the brown haze at Jupiter’s south pole. The oval, an area of concentrated haze, is possibly the result of mixing generated by a vortex higher up in the planet’s ionosphere. Crédito: Troy Tsubota and Michael Wong, UC Berkeley

While Jupiter’s Great Red Spot has been a constant feature of the planet for centuries, University of California, Berkeley, astronomers have discovered equally large spots at the planet’s north and south poles that appear and disappear seemingly at random.

The Earth-size ovals, which are visible only at ultraviolet wavelengths, are embedded in layers of stratospheric haze that cap the planet’s poles. The dark ovals, when seen, are almost always located just below the bright auroral zones at each pole, which are akin to Earth’s northern and southern lights. The spots absorb more UV than the surrounding area, making them appear dark on images from NASA’s Hubble Space Telescope. In yearly images of the planet taken by Hubble between 2015 and 2022, a dark UV oval appears 75% of the time at the south pole, while dark ovals appear in only one of eight images taken of the north pole.

The dark UV ovals hint at unusual processes taking place in Jupiter’s strong magnetic field that propagate down to the poles and deep into the atmosphere, far deeper than the magnetic processes that produce the auroras on Earth.

The UC Berkeley researchers and their colleagues reported the phenomena on November. 26 in the journal Nature Astronomy.

Dark UV ovals were first detected by Hubble in the late 1990s at the north and south poles and subsequently at the north pole by the Cassini spacecraft that flew by Jupiter in 2000, but they drew little attention. When UC Berkeley undergraduate Troy Tsubota conducted a systematic study of recent images obtained by Hubble, however, he found they were a common feature at the south pole — he counted eight southern UV-dark ovals (SUDO) between 1994 and 2022. In all 25 of Hubble’s global maps that show Jupiter’s north pole, Tsubota and senior author Michael Wong, an associate research astronomer based at UC Berkeley’s Space Sciences Laboratory, found only two northern UV-dark ovals (NUDO).

A false-color ultraviolet image of the entire planet, showing the hood or cap of hydrocarbon haze that covers the south pole. The edge of the north polar hood is visible at the top. Troy Tsubota and Michael Wong, UC Berkeley

Most of the Hubble images had been captured as part of the Outer Planet Atmospheres Legacy (OPAL) project directed by Amy Simon, a planetary scientist at the NASA Goddard Space Flight Center and a co-author of the paper. Using Hubble, OPAL astronomers make yearly observations of Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune to understand their atmospheric dynamics and evolution over time.

“In the first two months, we realized these OPAL images were like a gold mine, in some sense, and I very quickly was able to construct this analysis pipeline and send all the images through to see what we get,” said Tsubota, who is in his senior year at UC Berkeley as a triple major in physics, mathematics and computer science. “That’s when we realized we could actually do some good science and real data analysis and start talking with collaborators about why these show up.”

Wong and Tsubota consulted two experts on planetary atmospheres — Tom Stallard at Northumbria University in Newcastle-upon-Tyne in the UK and Xi Zhang at UC Santa Cruz — to determine what could cause these areas of dense haze. Stallard theorized that the dark oval is likely stirred from above by a vortex created when the planet’s magnetic field lines experience friction in two very distant locations: in the ionosphere, where Stallard and other astronomers previously detected spinning motion using ground-based telescopes, and in the sheet of hot, ionized plasma around the planet shed by the volcanic moon Io.

The vortex spins fastest in the ionosphere, progressively weakening as it reaches each deeper layer. Like a tornado touching down on dusty ground, the deepest extent of the vortex stirs up the hazy atmosphere to create the dense spots Wong and Tsubota observed. It’s not clear if the mixing dredges up more haze from below or generates additional haze.

Based on the observations, the team suspects that the ovals form over the course of about a month and dissipate in a couple of weeks.

“The haze in the dark ovals is 50 times thicker than the typical concentration,” said Zhang, “which suggests it likely forms due to swirling vortex dynamics rather than chemical reactions triggered by high-energy particles from the upper atmosphere. Our observations showed that the timing and location of these energetic particles do not correlate with the appearance of the dark ovals.”

The findings are what the OPAL project was designed to discover: how atmospheric dynamics in the solar system’s giant planets differ from what we know on Earth.

“Studying connections between different atmospheric layers is very important for all planets, whether it’s an exoplanet, Jupiter or Earth,” Wong said. “We see evidence for a process connecting everything in the entire Jupiter system, from the interior dynamo to the satellites and their plasma torii to the ionosphere to the stratospheric hazes. Finding these examples helps us to understand the planet as a whole.”

The work was supported by the National Aeronautics and Space Administration.