Júpiter e Saturno deveriam estar congelados. Em vez disso, eles são quentes. Os pesquisadores agora sabem por quê.
Vivendo como vivem nos confins distantes e esquecidos pelo sol do sistema solar, Júpiter e Saturno, os gigantes gasosos, e Urano e Netuno, os gigantes de gelo, sempre foram considerados reinos gelados. Mas quando a espaçonave Voyager da NASA passou por eles no final dos anos 1970 e 1980, os cientistas descobriram que todos os quatro mundos estavam com febres planetárias – uma revelação tão chocante quanto encontrar uma fogueira dentro de seu freezer.
Observações posteriores feitas por telescópios terrestres e as espaçonaves Galileo e Cassini demonstraram que suas febres planetárias persistiram ao longo do tempo. Suas pirexias planetárias são agudas: as latitudes mais baixas de Júpiter, por exemplo, deveriam ser frígidas -110 graus Celsius. Em vez disso, a atmosfera lá cozinha a 325 graus. Que incinerador incógnito está por trás disso? E como esta fonte de calor desconhecida está aquecendo não apenas um único ponto do planeta, mas toda a alta atmosfera?
Cientistas tentaram explicar essa “crise de energia”, mas permaneceram “confusos por cerca de 50 anos”, disse James O’Donoghue, astrônomo planetário da Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial. Agora, dois artigos revelaram conclusivamente de onde vem todo esse calor: Júpiter e as luzes do norte e do sul de Saturno – suas auroras.
Os resultados vêm de medições detalhadas das atmosferas superiores de ambos os gigantes gasosos. A temperatura atmosférica de Saturno foi medida pela espaçonave Cassini durante as manobras que finalmente a mergulharam no planeta; O de Júpiter foi costurado usando um telescópio no topo de um vulcão havaiano gigante. Ambos mostram que as atmosferas são mais quentes perto das zonas aurorais abaixo de ambos os pólos magnéticos. Conforme você se aproxima do equador, a temperatura cai. Claramente, a aurora está trazendo o calor – e, como acontece com um radiador, esse calor diminui com a distância.
Agradecimento: A. Simon (NASA / GSFC) e a equipe OPAL
Uma solução para a crise de energia pode ter ramificações de longo alcance. Os planetas – desde aqueles em nosso próprio sistema solar até aquelas orbitando estrelas distantes – nem sempre mantêm suas atmosferas. Muitos envelopes gasosos são destruídos com o tempo, em alguns casos transformando mundos gigantes em minúsculas e inabitáveis invólucros. Os pesquisadores querem ser capazes de distingui-los de planetas semelhantes à Terra habitáveis. Se esperamos fazer isso, disse Zarah Brown, pesquisador da Universidade do Arizona, “um dos principais parâmetros que você gostaria de saber é a temperatura da atmosfera externa, uma vez que é onde o gás é perdido para o espaço”.
Auroras alienígenas
As luzes do norte e do sul da Terra ainda não são completamente compreendidas, mas o básico é claro.
O sol dispara rajadas de campos magnéticos e partículas energéticas para o espaço. Quando essas rajadas – mais conhecidas como vento solar – atingem nosso planeta, elas interagem com a bolha magnética da própria Terra, que é conhecida como magnetosfera. As partículas energéticas então espiralam para os pólos magnéticos norte e sul do planeta. Lá, eles emitem átomos de gás e moléculas na atmosfera superior. Esses impactos energizam temporariamente os gases, que emitem flashes de luz visíveis.
Em geral, as auroras requerem três ingredientes: uma fonte de partículas energéticas, um campo magnético e uma atmosfera. Júpiter e Saturno têm todos os três, mas as auroras de nenhum planeta são muito parecidas com as da Terra.
O campo magnético da Terra vem da agitação de ligas de níquel-ferro líquidas bem abaixo de nossos pés. Mas os gigantes gasosos não têm núcleos de ferro líquido. Em vez disso, a imensa gravidade dos planetas comprime volumes colossais de hidrogênio líquido em seus núcleos externos com tanta força que os elétrons do hidrogênio se libertam. O processo transforma o hidrogênio em um metal gerador de magnetismo.
Como esses redemoinhos de hidrogênio metálico são tão imensos, as magnetosferas dos gigantes gasosos fazem a Terra parecer liliputiana. A magnetosfera de Júpiter “é a maior estrutura do sistema solar”, disse O’Donoghue. “Sua cauda desce até Saturno, e possivelmente mais além.”
Os gigantes gasosos também não podem contar com um suprimento abundante de partículas energéticas, ou plasma, do vento solar, que se dissipa com o aumento da distância do sol. Em vez disso, eles contam com atos de alquimia vulcânica.
Júpiter obtém a maior parte de seu plasma de sua lua Io, o objeto mais vulcânico conhecido pela ciência. As erupções magmáticas quase constantes de Io lançam uma abundância de material vulcânico para o espaço; lá, ele se banha em luz do sol, fica eletricamente excitado e, em seguida, cai sobre Júpiter. A maior parte do plasma de Saturno vem de Enceladus, uma lua gelada em forma de espelho que dispara jatos espetaculares de matéria aquosa gelada para o espaço.
Esses plasmas disparam para as magnetosferas expansivas dos planetas, que os aceleram para os pólos. Lá, as partículas carregadas no plasma colidem com moléculas de gás na atmosfera.
As auroras em Saturno emitem principalmente luz ultravioleta; em Júpiter, eles estão em comprimentos de onda ultravioleta e infravermelho. Mas os processos que produzem luz não são iguais aos que produzem calor. Neste caso, “é tudo uma questão de atrito”, disse O’Donoghue.
O plasma flui para os pólos magnéticos dos planetas por meio de linhas de campo – gavinhas magnetizadas que se estendem pelo espaço. Essas gavinhas e seus fluxos giram junto com o planeta. Mas às vezes eles lutam para manter o ritmo. Júpiter, por exemplo, gira uma vez a cada 10 horas. Quando esses fluxos de plasma ficam para trás da rotação do planeta, os poderosos ventos de oeste de Júpiter os empurram. O arrasto desses ventos nas correntes lentas de plasma cria atrito. E essa fricção gera calor – talvez, no caso de Júpiter, 125 vezes mais calor do que o planeta obtém do sol. “Isso é meio maluco”, disse O’Donoghue.
Não é surpreendente, então, que os astrônomos tenham se perguntado se as auroras são a fonte dessas febres planetárias. “Por décadas, era óbvio que havia muita energia na aurora”, disse Luke Moore, pesquisador sênior da Universidade de Boston. Mas, para navegar da suspeita à certeza, os astrônomos precisavam de um mapa: especificamente, um mapa de calor das atmosferas superiores dos gigantes de gás e gelo. Com ele, eles puderam ver se as temperaturas mais altas poderiam se sobrepor às auroras, e se esse calor estava se difundindo por todo o planeta.
O primeiro mapa veio de um ato final. Em abril de 2017, após 13 anos em órbita ao redor de Saturno, a espaçonave Cassini da NASA foi comandada para fazer algo notável: fazer 22 órbitas do planeta enquanto mergulha repetidamente entre ele e seus anéis. O chamado Grand Finale, que terminou em 15 de setembro de 2017, quando a espaçonave queimou nas nuvens de Saturno, deu à Cassini uma visão de perto do mundo como nenhuma outra.
Conforme a Cassini passou perto de Saturno, ela perscrutou através da atmosfera do planeta as estrelas brilhantes além. A luz dessas estrelas parecia mudar dependendo da densidade da atmosfera pela qual a luz passava. A densidade e a temperatura de um gás estão relacionadas, então os pesquisadores usaram dezenas dessas medições, conhecidas como ocultações estelares, para produzir mapas de calor detalhados para os lados diurno e noturno da alta atmosfera de Saturno.
Publicados no ano passado na Nature Astronomy, os mapas de calor mostraram um pico térmico ao redor das auroras e uma queda suave nas temperaturas em direção ao equador.
Certamente parecia que as auroras eram as responsáveis. Mas “se nossa teoria de redistribuição de energia em Saturno estiver correta, ela terá que funcionar em Júpiter também”, disse Brown, que foi o autor principal do estudo de Saturno.
Agora, devido ao trabalho de O’Donoghue e seus colegas, parece que sim.
Atribuir a febre atmosférica superior de Júpiter às suas próprias auroras também exigia um mapa de calor. Mas fazer esse mapa está longe de ser fácil. A caótica atmosfera superior do planeta muda de semana para semana. Você não pode simplesmente fazer uma medição perto dos pólos em uma noite e, em seguida, voltar algumas semanas depois e compará-la com uma medição perto do equador. Com o tempo, os céus mudarão significativamente e as evidências de qualquer fluxo de calor serão perdidas.
O que os pesquisadores precisavam era de um mapa de calor global feito durante um momento relativamente breve – um que mostrasse o fluxo de calor ao longo de várias horas.
O’Donoghue, Moore e companhia recorreram ao Observatório Keck no topo do vulcão adormecido Mauna Kea do Havaí. Eles o usaram para observar Júpiter em luz infravermelha durante duas noites – 14 de abril de 2016 e 25 de janeiro de 2017 – por cinco horas cada. Durante o curso de cada noite, eles criaram um mapa de calor de alta resolução do lado diurno de Júpiter. Ambos os mapas mostravam claramente as temperaturas atingindo o pico em torno das zonas aurorais, atingindo surpreendentes 730 graus Celsius. Este zênite térmico diminuiu gradualmente conforme você se aproximava do equador, onde o mercúrio ainda atingiu impressionantes 325 graus.
Seus resultados, atualmente disponíveis em uma pré-impressão aceita pela Nature, harmonizam-se com o que a Cassini viu em Saturno. Os resultados foram tidos como uma prova contundente de que as auroras podem resolver a crise energética. “É um grande passo à frente, vendo que é o aquecimento auroral”, disse Rosie Johnson, uma pesquisadora de física espacial da Universidade Aberystwyth no País de Gales que não estava envolvida em nenhum dos trabalhos.
Licia Ray, uma pesquisadora de física espacial e planetária da Lancaster University, na Inglaterra, que também não está envolvida em nenhum dos trabalhos, elogia o conjunto de dados rigorosos do estudo de Saturno. Mas ela está menos convencida pelo artigo de Júpiter. “Eles estão usando apenas duas noites de dados, e acho que isso é um problema”, disse ela. Mas, apesar de suas dúvidas, “acho que o resultado do gradiente de temperatura [em Júpiter] provavelmente se manterá, porque eles o viram em Saturno”, disse ela.
Ter comparativamente poucas observações é “uma preocupação justa, porque esses são lugares muito dinâmicos, esses planetas gigantes”, disse Moore. Noites adicionais de observações de Júpiter foram coletadas e atualmente estão sendo processadas.
De qualquer forma, a maioria dos pesquisadores independentes parece convencida de que as febres planetárias se resumem às auroras. Esses documentos fornecem “uma confirmação muito boa de que o que suspeitávamos estar acontecendo está realmente acontecendo”, disse Leigh Fletcher, um cientista planetário da Universidade de Leicester, na Inglaterra, que não estava envolvido com o trabalho. “A energia está vazando do domínio auroral para as latitudes mais baixas.” A questão é: como?
Os perversos ventos ocidentais
A maioria dos modelos de circulação atmosférica lutam para mover o calor da aurora através de Júpiter e os ventos estridentes de Saturno para o oeste para o equador – ainda, seus mapas de calor mostram que esses obstáculos tempestuosos estão de alguma forma sendo superados.
Uma solução potencial foi inspirada nas observações da Cassini. A Cassini descobriu que, ocasionalmente, uma perturbação em uma camada inferior da atmosfera de Saturno pode fazer com que essa camada migre para a atmosfera superior. Tal inversão pode interromper e desacelerar os poderosos ventos do oeste da atmosfera superior – talvez o suficiente para permitir que o calor auroral vaze.
Em teoria, esse mecanismo poderia se aplicar a Júpiter também. Mas as atmosferas superiores dos gigantes gasosos não têm nuvens – marcadores claros de movimento – o que torna o estudo dos ventos “terrivelmente desafiador”, disse Fletcher. Por enquanto, essa parte da crise de energia continua sendo um enigma sem solução.
A equipe de O’Donoghue suspeita que um segundo processo pode ajudar a distribuir o calor ao redor de Júpiter. Ocasionalmente, a intensa atividade do vento solar exercerá pressão sobre a magnetosfera de Júpiter, comprimindo-a. Trabalhos anteriores indicaram que, quando essa compressão acontece, os fluxos de plasma de Io podem ser rapidamente empurrados para a atmosfera superior. O plasma adicional dá a esses poderosos ventos de oeste mais para empurrar, o que poderia produzir um pico de aquecimento.
Esse pico pode ter sido visto durante as pesquisas recentes. Por volta da época de 25 de janeiro de 2017, observação, quando a atividade do vento solar era relativamente alta, a já quente atmosfera superior aumentou de temperatura. A equipe avistou simultaneamente uma curiosa estrutura de alta temperatura movendo-se das zonas aurorais em direção ao equador. Esses fenômenos não foram observados durante a observação de 14 de abril de 2016, quando a atividade do vento solar estava relativamente tranquila.
A equipe especula que uma explosão da atividade do vento solar no início de 2017 pode ter beliscado a magnetosfera do planeta. Mas outros fatores também podem estar em jogo. Ray especula que um aumento na atividade vulcânica em Io pode fornecer uma explicação alternativa. Sem mais observações, eles não podem ter certeza de uma forma ou de outra, disse O?Donoghue.
Apesar desses dilemas persistentes, a identificação conclusiva das auroras como Júpiter e os incendiários atmosféricos de Saturno reforçou significativamente nossa compreensão desses mundos. Urano e Netuno, no entanto, permanecem envoltos em uma espessa névoa de incerteza. Eles têm diferentes atmosferas, campos magnéticos e comportamentos rotacionais – “eles são malucos”, disse Brown – o que significa que o que funciona para os gigantes gasosos pode não funcionar para os gigantes de gelo. Eles estão tão distantes que lutamos para ver em detalhes usando os telescópios da Terra, e parece que eles não serão visitados por outra espaçonave no futuro próximo. Até que esse dia chegue, esses reinos distantes permanecerão estranhos, ambos afligidos por febres planetárias que ainda não compreendemos.
Publicado em 25/06/2021 10h37
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