Júpiter e Saturno, os dois maiores planetas do Sistema Solar, parecem feitos para serem comparados. Eles são compostos por materiais muito parecidos, giram a velocidades semelhantes e liberam calor interno de forma comparável. Até no “hábito” de acumular luas os dois se parecem bastante.
Mesmo assim, há uma diferença que há muito tempo intriga os cientistas: as enormes tempestades em redemoinho que cobrem os polos desses gigantes gasosos.
Em Saturno, existe uma grande tempestade em cada polo.
Em Júpiter, cada polo é dominado por uma tempestade maior, cercada por uma espécie de coroa formada por várias outras menores.
O enigma das tempestades polares em Júpiter e Saturno
Agora, dois cientistas planetários acreditam ter encontrado uma explicação plausível para esse contraste. A resposta estaria em como essas tempestades nascem e em como se conectam com o interior do planeta: se a atmosfera permite que os redemoinhos cresçam livremente, como parece acontecer em Saturno, ou se ela impõe, na prática, limites ao tamanho das tempestades, como em Júpiter.
No modelo proposto pela dupla, tudo se resume ao grau com que as tempestades ficam acopladas a camadas mais profundas.
"Nosso estudo mostra que, dependendo das propriedades do interior e de quão macia é a base do vórtice, isso vai influenciar o tipo de padrão de fluido que você observa na superfície", diz a cientista planetária Wanying Kang, do MIT.
"Eu não acho que alguém tenha feito essa conexão entre o padrão de fluido na superfície e as propriedades internas desses planetas. Um cenário possível é que Saturno tenha uma base mais rígida do que Júpiter."
O clima em Júpiter e Saturno é lendário. Dominados por uma atmosfera gasosa e “fofa”, ambos são agitados por tempestades turbulentas, faixas poderosas de vento e nuvens espessas que giram em padrões que lembram pinturas de expressionismo abstrato.
Os dois planetas foram acompanhados de perto por missões espaciais dedicadas - Cassini, em Saturno, e Juno, em Júpiter. Essas sondas revolucionárias mostraram que, apesar das semelhanças, cada planeta exibe uma configuração particular de tempestades polares.
"As pessoas passaram muito tempo decifrando as diferenças entre Júpiter e Saturno", afirma o cientista atmosférico Jiaru Shi, do MIT. "Os planetas têm mais ou menos o mesmo tamanho e são feitos principalmente de hidrogênio e hélio. Não está claro por que seus vórtices polares são tão diferentes."
Um modelo 2D para reproduzir os vórtices na superfície
Para investigar a questão, os dois pesquisadores criaram um modelo bidimensional da dinâmica de fluidos na superfície, com o objetivo de reproduzir os vórtices observados nas atmosferas visíveis dos dois planetas.
"Em um sistema que gira rápido, o movimento do fluido tende a ser uniforme ao longo do eixo de rotação", explica Kang. "Então, partimos da ideia de que dá para reduzir um problema dinâmico em 3D a um problema em 2D porque o padrão do fluido não muda em 3D. Isso torna as simulações e o estudo centenas de vezes mais rápidos e baratos."
Em gigantes gasosos, tempestades enormes surgem a partir de “blocos de construção” menores do movimento, como a convecção, que vão crescendo cada vez mais. Só que o tamanho final desses redemoinhos é determinado por diferentes limites, incluindo a profundidade do empilhamento de camadas na atmosfera, a intensidade com que a atmosfera é agitada (um fenômeno chamado de "forçamento") e a rapidez com que a energia se dissipa por atrito.
Shi e Kang observaram que a ordem em que esses limites passam a atuar muda drasticamente o tipo de padrão de vórtices que aparece na superfície visível.
Por que Júpiter mantém várias tempestades e Saturno “funde” tudo em uma só
Em Júpiter, a atmosfera é profunda e energética o suficiente para que vários vórtices se formem. Porém, a turbulência que aparece cedo no processo impede que eles se “grudem” e virem um único redemoinho gigante. O resultado é um conjunto de tempestades polares surpreendentemente geométrico, lembrando uma pizza de calabresa vista de cima.
Dito de outra forma, segundo o modelo, em Júpiter a estratificação em camadas é mais fraca, o forçamento é mais forte porque o planeta irradia calor a partir do centro, e a energia não é drenada tão rapidamente por atrito. Em conjunto, isso ajuda a manter intacta, na superfície, a estrutura discreta de tempestades.
Já em Saturno, a atmosfera apresenta camadas mais profundas. Ali, um forçamento mais fraco pode reduzir a turbulência nas regiões profundas, ou então mais energia pode ser perdida por atrito - ou ainda uma combinação dos dois efeitos. Em qualquer um desses cenários, some a barreira que impediria a fusão dos vórtices, e as tempestades acabam colidindo e se juntando em uma única estrutura gigantesca.
Além disso, tudo isso pode ser influenciado pela densidade da camada inferior onde o vórtice se forma. Ainda que isso não seja uma prova definitiva, os resultados do grupo sugerem que os desenhos das tempestades polares em cada planeta podem estar registrando pistas sobre o ambiente em que esses redemoinhos se desenvolveram.
"O que vemos da superfície, o padrão de fluido em Júpiter e Saturno, pode nos dizer algo sobre o interior, como quão macia é a base", diz Shi.
"E isso é importante porque talvez, abaixo da superfície de Saturno, o interior seja mais enriquecido em metais e tenha mais material condensável, o que permite fornecer uma estratificação mais forte do que em Júpiter. Isso aumentaria nosso entendimento desses gigantes gasosos."
A pesquisa foi publicada na Proceedings of the National Academy of Sciences.
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