Un equipo
internacional liderado por investigadores del Observatorio de París en el Laboratorio de Estudios Espaciales e Instrumentación en Astrofísica: LESIA acaba
de completar la primera medición directa de las velocidades del viento en la
muy alta atmósfera de Titán gracias
a las observaciones. del interferómetro ALMA. El
estudio, que aparecerá en la revista Nature Astronomy del 15 de abril de 2019, destaca
la presencia a 1.000 km de un fuerte viento supersónico ecuatorial que viaja
desde Titán de oeste a este a una velocidad de 350 m/s, el origen queda por
explicar.
Titán, el satélite más
grande de Saturno, se demora relativamente en 16 días. Sin embargo, su
atmósfera espesa, que se extiende hasta unos 1500 km sobre la superficie, gira
en la misma dirección que Titán, pero mucho más rápidamente. Así, a 300 km
de altitud, los vientos zonales, es decir, paralelos al ecuador y que giran de oeste
a este, pueden alcanzar los 200 m/s, luego hacen el giro de Titán en solo 24 h
aprox. Se dice que el ambiente tiene súper-rotación. Este fenómeno se
observa solo en dos objetos del sistema solar: Venus y Titán.
Se
entiende que esto se debe al efecto combinado de la circulación de los
meridianos y las ondas que llevan el impulso cinético hacia el Ecuador. La
Sonda Cassini, que observó la
atmósfera de Titán desde 2004 hasta 2017, no llevaba un instrumento dedicado a
la medición directa de los vientos. Sin embargo, gracias a la medición de
los campos de temperatura (determinados a partir de la emisión térmica de la
atmósfera), los vientos y sus cambios estacionales podrían determinarse hasta
aproximadamente 400 km. Sin embargo, por encima de esta altitud, el patrón
de viento era hasta ahora poco conocido.
¿Cómo medir los vientos en la atmósfera superior de Titán?
Gracias
a la inigualable resolución espectral y espacial del interferómetro ALMA, los
investigadores ahora tienen acceso a una medición directa y precisa de la
velocidad del viento midiendo el desplazamiento Doppler de las líneas emitidas
en longitudes de onda submilimétricas por los numerosos Moléculas presentes en
la atmósfera de titán.
Figura 1: Cambio Doppler observado entre las
extremidades occidental (roja) y oriental (negra) de la región ecuatorial para
dos líneas CH3CN (una centrada en 349.44699 GHz, correspondiente al cero de la
escala de frecuencia) y una Línea HNC (isómero HCN, centrado en 362.63030 GHz). El
desplazamiento de los espectros entre las dos extremidades se debe a los
vientos rápidos que giran en la misma dirección que la superficie de Titán.
Los datos utilizados tienen una resolución espacial para
resolver el disco Titán (1 arcosegundos, incluida su atmósfera) y para aislar
la emisión de la extremidad. Los investigadores analizaron los datos
adquiridos en 2016 para producir mapas de viento basados en los cambios Doppler de
las líneas
de emisión de
HCN, DCN, CH3CN, CH3CCH, HC3N y HNC. Los mapas de viento obtenidos para
cada una de estas moléculas indican la presencia de fuertes vientos
progresivos con velocidades del orden de 250-350 m/sy diferentes
estructuras de una molécula a otra.
Los
vientos progresivos giran en la misma dirección que la rotación de Titán
sobre sí mismo, por lo que se mueven de oeste a este cuando están en la
superficie del satélite.
Figura 2: Mapas de viento
medidos a partir de las compensaciones Doppler de CH3CN (izquierda) y HNC
(derecha). La distancia se expresa en el radio de Titán. El color
azul indica que los vientos se acercan a nosotros y el color amarillo-naranja
de los vientos que se están alejando. Los vientos medidos a partir de
CH3CN muestran asimetría hemisférica con vientos más fuertes en el hemisferio
sur (en otoño) que en el hemisferio norte. Los vientos medidos desde HNC
tienen, en cambio, una estructura localizada alrededor del ecuador cuya
velocidad alcanza los 350 m / s, ¡1.4 veces la velocidad del sonido!
¿A qué altitud se ubican estos vientos?
Modelar la forma de una línea molecular y su intensidad hace posible
volver a la distribución vertical de la abundancia de la molécula y conocer el
rango de altitud de donde proviene su emisión. Es en esta misma región que
se miden los vientos de compensación Doppler. Cada una de las seis
moléculas estudiadas permite sondear un rango de altitud propio. Por lo
tanto, es posible volver a una distribución vertical de vientos de 300 km a
1000 km de altitud.
Figura 3: Velocidad del viento ecuatorial medida a
partir de los cambios Doppler de las líneas de cada una de las moléculas
estudiadas: HNC (violeta), HCN (rojo y amarillo), HC3N (turquesa), CH3CN
(negro), DCN (verde) y CH3CCH ( azul). Los rangos de altitud sondados para
cada una de estas moléculas están indicados por las barras verticales. La
velocidad equivalente del viento ecuatorial aumenta con la altitud, desde
aproximadamente 200 m / sa 300 km hasta 300 m / sa 1000 km.
¿Cuál es el origen de estos vientos?
No se esperaba la existencia de tales vientos rápidos en la
termosfera de Titán (por encima de los 600 km). De hecho, los modelos
pre-Cassini predijeron la existencia de un régimen de viento termosférico que
sopla desde el lado del día hacia el lado de la noche, como en Venus. Sin
embargo, la misión Cassini midió las temperaturas en la termosfera Titán: no se
encontró correlación entre las condiciones de temperatura, latitud, longitud o
luz solar, lo que sugiere que la temperatura de esta región no está controlada.
Principalmente por la absorción del flujo solar UV. El fuerte viento
medido probablemente no encuentra su origen en el calentamiento de la atmósfera
superior por el flujo solar.
¿Podría
la fuente de energía de este viento estar relacionada con el impacto de los
iones y electrones de Saturno y transportarse en la magnetosfera del planeta? El
plasma magnetosférico que gira con Saturno impacta a Titán a una velocidad de
120 km/s. Genera convección en la ionosfera de Titán que podría, por
colisión entre iones y moléculas neutras, estar en el origen de los vientos en
la atmósfera neutral ubicada más profundamente. Sin embargo, estos vientos
no deben penetrar a más de 1000 km de altitud.
De
hecho, es más probable que los fuertes vientos medidos a partir de datos de
ALMA por encima de los 600 km de altitud encuentren su origen en la atmósfera
más profunda. De hecho, las ondas producidas en la estratosfera en
respuesta a los cambios diurnos en la insolación pueden propagarse a la
atmósfera superior. Estas ondas gravitacionales que han sido observadas
por Cassini-Huygens y desde el suelo podrían transferir el impulso de las capas
inferiores de la atmósfera a las capas de gran altitud al provocar una
aceleración del viento ecuatorial por encima de 600 km. Este escenario es,
por el momento, cualitativo y aún necesita ser modelado.
El monitoreo de la evolución estacional de estos vientos con ALMA, así como su
simulación detallada, será esencial para comprender mejor su origen.
FUENTE: l’Observatoire de Paris / PSL – 15 de abril de 2019
Traducción libre de Soca
