Imagine um Slushee ™ composto por amônia e água envolto em uma concha dura de gelo de água. Agora imagine essas bolas de lama incrustadas de gelo, apelidadas de “bolas de mamãe”, chovendo como pedras de granizo durante uma tempestade, iluminadas por flashes intensos de raios.
Os cientistas planetários da Universidade da Califórnia, Berkeley, agora dizem que existentes de avermelhados de balas de mudas acompanhadas de raios ferozes realmente existem em Júpiter. De fato, as tempestades de granizo de mushball podem ocorrer em todos os planetas gasosos da galáxia, incluindo os outros planetas gigantes do nosso sistema solar, Saturno, Urano e Netuno.
A idéia de bolas de mush foi inicialmente apresentada em 2020 para explicar as não uniformidades na distribuição do gás de amônia na atmosfera superior de Júpiter, que foram detectadas tanto pela missão Juno da NASA quanto por radiotelescópios na Terra.
Na época, o estudante de pós -graduação da UC Berkeley, Chris Moeckel, e seu conselheiro, Imke de Pater, professor emerita de astronomia e da terra e ciência planetária, achava a teoria elaborada demais para ser real, exigindo condições atmosféricas altamente específicas.
“Imke e eu pensamos: ‘Não há como isso isso é verdade'”, disse Moeckel, que recebeu seu Ph.D. da UC Berkeley. No ano passado e agora é pesquisador no Laboratório de Ciências Espaciais da UC Berkeley. “Tantas coisas precisam se unir para realmente explicar isso, parece tão exótico. Eu basicamente passei três anos tentando provar isso errado. E não pude provar errado”.
A confirmação, relatada em 28 de março no diário Avanços científicosemergiu junto com a primeira visualização 3D da atmosfera superior de Júpiter, que Moeckel e De Pater criaram e descrevem recentemente em um artigo que agora está passando por uma revisão por pares e está publicada no servidor pré -impressão Arxiv.
A imagem 3D da troposfera de Júpiter mostra que a maioria dos sistemas climáticos em Júpiter é superficial, atingindo apenas 10 a 20 quilômetros abaixo do deck de nuvem visível ou “superfície” do planeta, que tem um raio de 70.000 km. A maioria dos padrões coloridos e rodopiantes nas bandas que circundam o planeta são superficiais.
Alguns clima, no entanto, surgem muito mais profundamente na troposfera, redistribuindo amônia e água e essencialmente desmixando o que se pensava há muito tempo como uma atmosfera uniforme. Os três tipos de eventos climáticos responsáveis são vórtices semelhantes a furacões, pontos de acesso acoplados a plumas ricas em amônia que envolvem o planeta em uma estrutura semelhante a ondas e grandes tempestades que geram bolas de movimentação e raios.
“Toda vez que você olha para Júpiter, é principalmente o nível da superfície”, disse Moeckel. “É superficial, mas algumas coisas – vórtices e essas grandes tempestades – podem dar um soco”.
“Juno realmente mostra que a amônia está esgotada em todas as latitudes até cerca de 150 quilômetros, o que é realmente estranho”, disse De Pater, que descobriu há 10 anos que a amônia estava esgotada para cerca de 50 km. “É isso que Chris está tentando explicar com seus sistemas de tempestades muito mais profundos do que esperávamos”.
Inferir composição do planeta a partir de observações de nuvens
Gigantes a gás como Júpiter e Saturno e gigantes de gelo como Netuno e Urano são um foco importante das missões espaciais atuais e grandes telescópios, incluindo o telescópio espacial de James Webb, em parte porque podem nos ajudar a entender o histórico de formação de nosso sistema solar e observações de verdade dos exoplanetas distantes, muitos dos quais são grandes e gaseadores. Como os astrônomos podem ver apenas as atmosferas superiores de exoplanetas distantes, saber como interpretar assinaturas químicas nessas observações pode ajudar os cientistas a inferir detalhes dos interiores de exoplanetas, mesmo para planetas semelhantes à Terra.
“Estamos basicamente mostrando que o topo da atmosfera é realmente um representante muito ruim do que está dentro do planeta”, disse Moeckel.
Isso ocorre porque tempestades como aquelas que criam bolas de mamãe desmixam a atmosfera, de modo que a composição química dos topos das nuvens não reflita necessariamente a composição mais profunda na atmosfera. É improvável que Júpiter seja único.
“Você pode apenas estender isso a Urano, Netuno – certamente também aos exoplanetas”, disse De Pater.
A atmosfera em Júpiter é radicalmente diferente daquela na Terra. É feito principalmente de hidrogênio e gás de hélio com vestígios de moléculas gasosas, como amônia e água, que são mais pesadas que a atmosfera a granel. A atmosfera da Terra é principalmente nitrogênio e oxigênio. Júpiter também tem tempestades, como a grande mancha vermelha, que duram séculos. E enquanto o gás de amônia e o vapor de água subir, congele em gotículas, como neve e chuva continuamente, não há superfície sólida para atingir. Em que momento as gotas de chuva param de cair?
“Na terra, você tem uma superfície e a chuva acabará atingindo essa superfície”, disse Moeckel. “A pergunta é: o que acontece se você tirar a superfície? Até onde as gotas de chuva caem no planeta? É isso que temos nos planetas gigantes”.
Essa pergunta despertou o interesse dos cientistas planetários por décadas, porque os processos como chuva e tempestades são considerados os principais misturadores verticais de atmosferas planetárias. Durante décadas, a simples suposição de uma atmosfera bem misturada inferências guiadas sobre a composição interior de planetas gigantes a gás como Júpiter.
Observações de radiotelescópios, grande parte conduzida por De Pater e colegas, mostram que essa suposição simples é falsa.
“Os tops de nuvens turbulentos levariam você a acreditar que a atmosfera está bem misturada”, disse Moeckel, invocando a analogia de uma panela fervente de água. “Se você olhar para o topo, vê -lo fervendo e assumirá que toda a panela está fervendo. Mas essas descobertas mostram que, embora o topo pareça fervendo, abaixo está uma camada que realmente é muito constante e lenta”.
A microfísica das bolas de mush
Em Júpiter, a maioria da chuva de água e a neve de amônia parece pedalar no alto da atmosfera fria e evaporar quando ela cai, disse Moeckel. No entanto, mesmo antes de a chegada de Juno a Júpiter, De Pater e seus colegas relataram uma atmosfera superior que faltava de amônia. Eles foram capazes de explicar essas observações, no entanto, por meio de modelagem climática dinâmica e padrão, que previu um chuva de amônia em tempestades até a camada de água, onde o vapor de água se condensa em um líquido.
Mas as observações de rádio de Juno rastrearam as regiões de mistiosos mobilizados a profundidades muito maiores, até cerca de 150 km, com muitas áreas intrigantemente esgotadas de amônia e nenhum mecanismo conhecido que poderia explicar as observações. Isso levou a propostas de que a água e o gelo de amônia devem formar pedras de granizo que caem da atmosfera e removem a amônia. Mas era um mistério como os pedras de granizo podiam se formar que eram pesados o suficiente para cair centenas de quilômetros na atmosfera.
Para explicar por que a amônia está faltando em partes da atmosfera de Júpiter, o cientista planetário Tristan Guillot propôs uma teoria envolvendo tempestades violentas e pedras de granizo lamacidas chamadas bolandos. Nesta idéia, as atualizações fortes durante tempestades podem levantar pequenas partículas de gelo acima das nuvens – mais de 60 quilômetros acima. Nessas altitudes, o gelo se mistura com vapor de amônia, que age como anticongelante e derrete o gelo em um líquido lama. À medida que as partículas continuam a subir e cair, elas se tornam maiores – como pedras de granizo na terra – eventualmente se tornando bolas de mamãe do tamanho de softballs.
Essas bolas de mush podem prender grandes quantidades de água e amônia com uma proporção de 3 a 1. Devido ao seu tamanho e peso, eles caem profundamente na atmosfera – bem abaixo de onde a tempestade começou – carregando a amônia com eles. Isso ajuda a explicar por que a amônia parece estar faltando na atmosfera superior: está sendo arrastada para baixo e escondida profundamente dentro do planeta, onde deixa assinaturas fracas a serem observadas com os radiotelescópios.
No entanto, o processo depende de várias condições específicas. As tempestades precisam ter artesanato muito forte, cerca de 100 metros por segundo, e as partículas lamacidas devem se misturar rapidamente com amônia e crescer o suficiente para sobreviver à queda.
“A jornada do Mushball começa essencialmente cerca de 50 a 60 quilômetros abaixo do convés da nuvem como gotículas de água. As gotículas de água ficam rapidamente, até o topo do convés da nuvem, onde congelam e depois caem mais de cem quilômetros no planeta, onde começam a evapora e depositar material lá”, disse Moeckel. “E assim você tem, essencialmente, esse sistema estranho que é desencadeado muito abaixo do baralho da nuvem, vai até o topo da atmosfera e depois afunda profundamente no planeta”.
Assinaturas únicas nos dados de rádio de Juno para uma nuvem de tempestades o convenceram e a seus colegas de que isso é, de fato, o que acontece.
“Havia um pequeno ponto sob a nuvem que parecia refrescar, isto é, derreter o gelo ou um aprimoramento de amônia, ou seja, derretendo e liberação de amônia”, disse Moeckel. “Foi o fato de que a explicação só foi possível com as bolas de mush que acabaram me convencindo”.
A assinatura do rádio não poderia ter sido causada por gotas de chuva de água ou neve de amônia, de acordo com o co-autor da Paper Huazhi Ge, especialista em dinâmica em nuvem em planetas gigantes e um pós-doutorado no Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena.
“O Avanços científicos O artigo mostra, observacionalmente, que esse processo aparentemente é verdadeiro, contra o meu melhor desejo de encontrar uma resposta mais simples “, disse Moeckel.
Observações coordenadas de Júpiter
Cientistas de todo o mundo observam Júpiter regularmente com telescópios terrestres, cronometrados para coincidir com a abordagem mais próxima de Juno ao planeta a cada seis semanas. Em fevereiro de 2017 e abril de 2019 – os períodos cobertos pelos dois artigos – os pesquisadores usaram dados do Telescópio Espacial Hubble (HST) e da grande matriz (VLA) no Novo México para complementar as observações de Juno em uma tentativa de criar uma imagem 3D da troposfera. O HST, em comprimentos de onda visível, forneceu medições de luz refletida nos topos das nuvens, enquanto o VLA, um radiotelescópio, sondou dezenas de quilômetros abaixo das nuvens para fornecer contexto global. O radiômetro de microondas de Juno explorou a profunda atmosfera de Júpiter em uma região limitada da atmosfera.
“Eu essencialmente desenvolvi um método de tomografia que leva as observações de rádio e as transforma em uma renderização tridimensional da parte da atmosfera que é vista por Juno”, disse Moeckel.
A foto 3D daquela faixa de Júpiter confirmou que a maior parte do clima está acontecendo nos 10 quilômetros superiores.
“A camada de condensação de água desempenha um papel crucial no controle da dinâmica e do clima em Júpiter”, disse Moeckel. “Somente as tempestades e ondas mais poderosas podem romper essa camada.
Moeckel observou que sua análise da atmosfera de Júpiter foi adiada pela falta de produtos de dados calibrados disponíveis publicamente da missão Juno. Dado o nível atual de dados divulgados, ele foi forçado a reconstruir independentemente os métodos de processamento de dados da equipe de missão – ferramentas, dados e discussões que, se compartilhados anteriormente, poderiam acelerar significativamente pesquisas independentes e ampliar a participação científica. Desde então, ele disponibilizou esses recursos publicamente para apoiar futuros esforços de pesquisa.
O trabalho foi financiado em parte por um prêmio de observações do sistema solar (SSO) da NASA (80NSSC18K1003).