Tempestades polares em Júpiter e Saturno mostram grandes diferenças nas suas atmosferas.

Júpiter e Saturno, os dois maiores planetas do Sistema Solar, partilham muitas semelhanças. A composição é muito parecida, rodam a velocidades comparáveis e libertam calor interno de forma semelhante. Até na forma como acumulam luas se parecem.

A diferença que intriga: tempestades vorticais nos polos de Júpiter e Saturno

Apesar disso, há um contraste que há décadas deixa os cientistas intrigados: as enormes tempestades em vórtice que “tampam” os polos.

Em Saturno, existe uma única tempestade gigantesca em cada polo.

Em Júpiter, cada polo é comandado por uma grande tempestade, rodeada por uma espécie de diadema de tempestades mais pequenas.

Um modelo para explicar a geometria dos vórtices polares

Agora, dois cientistas planetários consideram que podem ter desvendado o enigma. A explicação estaria na forma como as tempestades nascem e na maneira como se ligam ao interior do planeta: se a atmosfera permite um crescimento sem restrições, como parece acontecer em Saturno, ou se, na prática, impõe limites ao tamanho das tempestades, como em Júpiter.

No modelo da equipa, tudo se resume à intensidade com que as tempestades ficam acopladas a camadas mais profundas.

“O nosso estudo mostra que, consoante as propriedades do interior e a ‘macieza’ 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.”

Observações das sondas e o problema por resolver

A meteorologia de Júpiter e Saturno é lendária. Com atmosferas gasosas e volumosas, ambos são agitados por tempestades turbulentas, faixas de ventos intensos e nuvens espessas que se enrolam em padrões que lembram pinturas abstractas.

Os dois planetas foram observados de forma dedicada por missões espaciais: Cassini, no caso de Saturno, e Juno, no de Júpiter. Estas sondas, decisivas para a ciência planetária, mostraram que, apesar de tantas semelhanças, cada planeta apresenta uma configuração própria e peculiar de tempestades polares.

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

Porque um modelo 2D pode descrever um fenómeno 3D

Para compreender a discrepância, as duas investigadoras criaram um modelo bidimensional da dinâmica de fluidos à superfície, com o objectivo de reproduzir os vórtices observados em ambos os planetas.

“Num sistema em rotação rápida, 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 se altera em 3D. Isto torna o problema centenas de vezes mais rápido e mais barato de simular e estudar.”

Como as tempestades crescem - e o que lhes define o tamanho final

Em planetas gigantes gasosos, as grandes tempestades formam-se a partir de blocos de movimento mais pequenos, como a convecção, que vão crescendo progressivamente. No entanto, o tamanho final é imposto por vários limites, incluindo:

• a profundidade da estratificação (camadas) da atmosfera;
• a intensidade com que a atmosfera é agitada (um processo conhecido como “forçamento”);
• a rapidez com que a energia se dissipa por fricção.

Shi e Kang concluíram que a ordem pela qual estes limites são atingidos altera de forma decisiva os padrões de vórtices que acabam por se desenhar na parte visível da atmosfera.

O caso de Júpiter: muitos vórtices que não se fundem

Em Júpiter, a atmosfera é suficientemente profunda e energética para permitir o aparecimento de múltiplos vórtices. Contudo, a turbulência numa fase precoce impede que eles se juntem num único vórtice dominante; em vez disso, surgem como um padrão surpreendentemente geométrico de tempestades polares, como se fosse uma pizza coberta de rodelas de salame bem distribuídas.

Dito de outra forma, de acordo com o modelo, Júpiter tem uma estratificação mais fraca, um forçamento mais forte por irradiar calor a partir do centro, e a energia não é removida tão depressa pela fricção. Em conjunto, estes factores permitem que a estrutura discreta das tempestades se mantenha intacta à superfície.

O caso de Saturno: condições para uma tempestade polar única

Em Saturno, pelo contrário, a atmosfera encontra-se estratificada a maior profundidade. Aí, um forçamento mais fraco pode reduzir a turbulência nas camadas profundas, ou pode perder-se mais energia por fricção - ou, então, uma combinação dos dois efeitos. Seja como for, desaparece a barreira que impedia os vórtices de se juntarem, e as tempestades acabam por convergir numa única estrutura gigantesca.

E isto pode ainda ser influenciado pela densidade da camada inferior onde o vórtice se forma. Não se trata de uma prova irrefutável, mas os resultados sugerem que os padrões das tempestades polares em cada planeta podem estar a registar pistas sobre o ambiente em que essas estruturas nasceram.

“O que vemos à superfície, o padrão do fluido em Júpiter e Saturno, pode dizer-nos algo sobre o interior, como a ‘macieza’ da base”, afirma Shi.

“E isso é importante porque talvez, por baixo da superfície de Saturno, o interior esteja 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 dos Estados Unidos (PNAS).