El granizo de hielo de agua y amoniaco de Júpiter

Por Daniel Marín, el 7 agosto, 2020. Categoría(s): Astronomía • Júpiter • Sistema Solar ✎ 108

Júpiter es un mundo fascinante. Al igual que Saturno, Urano y Neptuno, carece de una superficie sólida, pero, a cambio, su atmósfera presenta numerosos fenómenos que no tienen igual en la Tierra. Y muchos de ellos solo estamos empezando a comprenderlos ahora, en gran parte gracias a la sonda Juno que en estos momentos orbita el gigante joviano. Precisamente, Juno acaba de resolver un misterio que, paradójicamente, descubrió la propia sonda hace unos años cuando comenzó su exploración de Júpiter, un misterio que puede resumirse en la siguiente frase: «¿de qué están hechas las nubes de Júpiter?». Todos hemos visto las espectaculares e hipnóticas imágenes de los remolinos que forman las nubes de Júpiter, pero, ¿qué es lo que estamos viendo exactamente?

Recreación artística de los rayos a gran altura descubiertos por Juno (NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt/Heidi N. Becker/Koji Kuramura).

A partir de la visita de las sondas Pioneer y Voyager en los años 70, se impuso el modelo de tres capas para explicar las estructuras nubosas jovianas. De acuerdo con este modelo, la atmósfera de Júpiter está dominada por una capa superior de nubes blancas de amoniaco. Justo debajo encontramos una segunda capa de nubes marrones de hidrosulfuro de amonio (NH4SH) y, debajo de ella, otra capa de nubes blancas, pero, estas sí, hechas de gotitas de agua como las que todos conocemos. Otras zonas, como la famosa Gran Mancha Roja, deben su color rojizo a las sustancias orgánicas derivadas de la acción de la luz ultravioleta sobre el amoniaco y el acetileno. Cuando Juno llegó a Júpiter pudo ver las nubes de Júpiter con un detalle sin precedentes y, por primera vez, vimos claramente la estructura vertical creada por altas nubes que parecían ser similares a los cumulonimbus terrestres. Pero, ¿eran nubes de amoniaco o nubes de agua que surgían de las profundidades debido a potentes corrientes de convección?

Las nubes de Júpiter vistas por la JunoCam. Se aprecian la parte superior de las nubes de tormenta individuales (NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill © CC BY).
Estructura de la atmósfera de los cuatro planetas gigantes (NASA).

Afortunadamente, uno de los objetivos de Juno es precisamente medir desde la órbita la abundancia de compuestos como el agua o el amoniaco. Por eso la sorpresa fue mayúscula cuando el instrumento MWR (Microwave Radiometer) prácticamente no detectó amoniaco en Júpiter. No solo a nivel «superficial», sino también en el interior. ¿Qué estaba pasando? ¿Acaso las nubes blancas superiores no eran de amoniaco? ¿Y que pasaba con todo el amoniaco que debía existir en el interior? Los modelos atmosféricos eran demasiado robustos para descartarlos, así que los investigadores propusieron que quizás existía una continua lluvia de amoniaco desde las nubes más altas que evitaba la acumulación de este compuesto en la alta atmósfera. Buena idea, pero esta hipótesis no explicaba la falta de amoniaco en las capas más internas, puesto que esta lluvia se evaporaría rápidamente por las temperaturas de las capas inferiores antes de llegar a mucha profundidad, ni tampoco explicaba del todo la ausencia de este compuesto en las capas altas. Otra teoría era que las nubes de agua podían subir por corrientes de convección hasta la capa de nubes de amoniaco y, una vez allí, generar una lluvia de agua-amoniaco. El concepto era interesante porque explicaba cómo podía desaparecer el amoniaco de las capas altas, pero tenía el mismo problema que la hipótesis anterior al no poder explicar la falta de amoniaco a mayores profundidades.

Otra vista de las nubes de Júpiter (NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill © CC BY).
Los rayos «superficiales» de Júpiter vistos por Juno (H.N. Becker et al./Nature).

La solución al enigma ha venido de la mano de otro descubrimiento de Juno: los relámpagos superficiales. En los años 70 las sondas Voyager ya habían detectado los impulsos de radio procedentes de rayos y que luego serían confirmados por otras misiones. Pero se creía que solamente se producían en la capa formada por nubes de agua —entre 45 y 65 kilómetros por debajo de las nubes de amoniaco—, como en la Tierra. Sin embargo, Juno ha descubierto un segundo tipo de descargas eléctricas aparte de los rayos profundos que se producen en las nubes de agua. Estos rayos, detectados por la cámara SRU (Stellar Reference Unit), que sirve para conocer la orientación de la nave, se originan en las nubes más altas. Muy interesante, sin duda, pero el inconveniente es que las nubes de amoniaco no pueden generar estos rayos. ¿Cómo explicarlo?

Modelo de formación del granizo de agua y amoniaco (NASA/JPL-Caltech/SwRI/CNRS).

Pues los investigadores de Juno han propuesto una teoría que logra reconciliar la falta de amoniaco de la atmósfera con los nuevos rayos a gran altitud. Según esta teoría, las nubes de agua pueden alcanzar, como se sospechaba, la capa de nubes de amoniaco por culpa de las corrientes de convección. A esta altura el agua está en forma de hielo, pero al mezclarse con el amoniaco puede estar en estado líquido hasta los -88 ºC. Como vimos, esta idea ya se había propuesto, sin éxito, para explicar la falta de amoniaco en Júpiter. La clave de la nueva hipótesis es que, en vez de formar una mezcla homogénea, en algunas zonas el agua crearía una «costra» de hielo alrededor de la mezcla de agua y amoniaco. Estas bolas de granizo de hielo de agua relleno de agua y amoniaco líquidos —apodadas mushballs en inglés— se precipitaría a gran profundidad antes de fundirse, explicando la ausencia de amoniaco en las capas más internas. Es decir, todo este tiempo la ausencia de amoniaco ha sido un espejismo. El amoniaco está presente en Júpiter, pero Juno no lo ha podido detectar al estar «escondido» dentro del hielo de agua.

Mecanismo de generación de los rayos a gran altura (H.N. Becker et al./Nature).

Para crear este granizo, se precisa una mezcla formada en un 67% por agua y en un 33 % por amoniaco. Antes de formar el granizo, las gotas líquidas de la lluvia de agua y amoniaco chocarían en las capas más altas de la atmósfera con los cristales de hielo de agua que ascienden desde las profundidades, creando la carga electrostática necesaria para generar los nuevos rayos a gran altura detectados por Juno. Dos misterios aclarados de golpe. De paso, esta teoría nos aclara que las nubes altas individuales que vemos en las imágenes de Juno son, efectivamente, la parte superior de enormes nubes de tormenta hechas de agua que atraviesan la capa superior de nubes de amoniaco. Una vez más, Juno nos demuestra lo poco que sabemos del mayor planeta del sistema solar.

Representación artística de la atmósfera de Júpiter (Don Dixon, Cosmographica).

Referencias:

  • https://www.nature.com/articles/s41586-020-2532-1


108 Comentarios

    1. No creo que llegase tan «abajo», además, estamos hablando de Júpiter, no tienen por qué darse los mismos procesos en un planeta y en otro.

  1. Menos mal que la NASA «obligó» a incorporar una cámara a Juno.

    Sería fascinante un globo o avión capaz de analizar esas formaciones nubosas con más detalle.

    1. Coincido, y convengamos que pusieron una camarita de bajas prestaciones «para tener algo colorido que mostrar a los contribuyentes». Ni quiero pensar lo que seríamos capaces de ver con una HIRISE u otra similar. Los primeros planos de las nubes serían como la recreación artística que encabeza esta entrada

    2. Sip. También decían que esta «cámara con fines publicitarios» aguantaría solo 8 perijovios antes de sucumbir a la radiación y a día de hoy lleva 28 perijovios sin signo alguno de deterioro.

  2. El instrumento MWR indica que no hay amoniaco. Como los modelos incluían amoniaco han encajado un puzle muy complicado para armonizar estas dos cuestiones. No sé.

  3. Se necesita un globo en la alta atmosfera de Jupiter, un fuerte globo a prueba de rayos hecho de algun material conductor.
    Y llenarlo de instrumentos. Y tres satelites de cualquier altitud, preferentemente baja, de modo que al menos uno este sobre el horizonte y pueda retransmitir.

  4. Es apasionante. Nubes de tormenta mucho mayores que cualquiera terrestre y dejando tormentas también mucho más poderosas bajo un cielo en el que las cuatro mayores lunas de Júpiter brillan.

      1. Comentario jocoso que debería haber quedado debajo del comentario de abajo y que ha quedado aquí por razones que solo el becario que diseñó los foros de Naukas conoce.

          1. Eso le puede pasar a cualquiera, cierto, pero además sucede que el sistema de comentarios tiene un problema que afecta a dispositivos con pantalla táctil

            https://danielmarin.naukas.com/2020/05/16/europa-lander-aterrizando-en-una-luna-de-jupiter-en-2035/#comment-494234

            Leed todo ese hilo de comentarios y seguid los enlaces que llevan a los otros dos hilos. Lo hemos comentado en más ocasiones, pero esos tres hilos en conjunto ofrecen una buena descripción del problema y cómo evitarlo.

  5. Hipótesis…..teorias …ideas…..más hipótesis…..¡todo «muy» científico!
    lo que hay son demasiados físicos teoricos con buenos sueldos viviendo del cuento.
    teorías …ideas …..modelos…..hipótesis ….

    1. Te olvidas que todas las hipótesis y las teorías, se contrastan con modelos matemáticos de lo que se conoce y se sabe que existe en otras partes. Esa gente, calcula las cosas de 100 maneras diferentes, y buscan que el resultado sea el mismo. Si coincide, saben que van por buen camino, a pesar de que no tienen las herramientas para verlo en directo.
      Coincidirás que estamos hecho de átomos, aunque no puedas verlos y sean un concepto físico / matemático. ¿No?

      Los científicos no saben la verdad de la naturaleza. Observan, buscan una teoría / hipótesis, la contrastan matemáticamente, si no pueden reproducirlo a su antojo, como en este caso, pues buscan ejemplos análogos que permitan evaluar la hipótesis. Esa gente no garantiza la verdad, lo que sí garantiza el método científico es que es reproducible, y que los resultados serán los esperados, según la teoría.

      Pero al final de todo, el objetivo, es, aparte del conocimiento científico, obtiene elementos prácticos que mejoran el día a día de la gente mundana como yo o tú. Yo disfruto de un móvil, un ordenador, música, porque hace años muchos investigadores, estudiaron la naturaleza. Quizás en su momento, no les resultara útil, como quizás la electricidad, pero con el tiempo, se ha aplicado al bienestar social. Empezando por sistemas médicos para evaluar al paciente. En fin … cuando he visto por ejemplo a Stephen Hawking tener tantos problemas para salir adelante, por su enfermedad, y que no tenía dinero para buscar soluciones para aliviar sus problemas, una mente tan brillante como la suya, he sentido malestar, por lo mal pagado que está una vida dedicada a la investigación.

      Creo que son injustas tus palabras.

          1. La misma excusa de otros, que si no tocan no creen, difícil de traerles las muestras para que toquen además no es que por la opinión de uno vayan a echar para atrás esas misiones.

        1. He que tiene de malo la imaginación si esta es parte de la existencia algo tendrá que ver con la verdad. El cuanto al método científico me parece un acierto de la naturaleza pero solo le falta evolucionar y madurar mucho más.

    2. Nunca voy a entender como millones de años de evolución permiten llegar al punto a que una persona cuyo filo genético debió desaparecer hace milenos pueda postar un comentario tan primitivo.

    3. En ciencia primero vienen las hipótesis. Estas se ponen a prueba y las que valen pasan al rango de teoría (o ley). Si usted quiere certezas de entrada hay montones de religiones, ideologías políticas etc que serán de su gusto.

    4. Este foro está empezando a llenarse de gentuza como tú «idiota».
      Si eres escéptico con los científicos, no sé qué haces comentando en este foro. Tu sitio es donde sueltan sus chorradas Iker Jiménez, J. L. y otros magufos.

  6. Entonces tenemos en la atmósfera superior agua en los tres estados tradicionales, o sea líquido, gaseoso y sólido; además hay energía /rayos..o sea posibles reacciones químicas (tal vez orgánicas) catalizadas por los rayos…¿ en e sas condiciones puede haberse originado la vida y estar en suspensión en la capa superior de la atmósfera?…¿Habría que despejar el enigma? .

    1. Hace años vi un documental en Discovery Science que hablaba sobre eso y pues decía que de una u otra forma podía ser factible, no recuerdo el nombre pero creo es el mismo donde sale uno de los diseñadores de las razas alienígenas de Man in Black.

    2. El propio Carl Sagan desarrolló esa hipótesis «descabellada». En la nueva serie de Cosmos vuelven a plantearla, con imágenes espectaculares. Saludos.

    1. Lo mismo que le dije al troll de Hilario, HG o como se llame ahora, te lo tengo que decir: a ver si dejamos de off topiquear sin avisar y nos ceñimos al articulo? o al menos avisar que es off topic? y no me gsuta decirtelo, porque no le haces de mala voluntad, pero es cansador el off topic constante.

      1. WALKURT, tú no eres NADIE para decirle a JulioSPX o a mí que no “offtopiqueemos” lo que consideremos oportuno con el fin de contribuir a la divulgación de la astronomía, la astronáutica o la ciencia en general porque, sencillamente, este blog NO es tuyo. Solo Daniel Marín, su creador, es quien tiene ese derecho. Si no te gusta, no los leas.

        Por otro lado, que me llames “troll” me hace gracia. Llevo AÑOS en este blog y en otros similares aprendiendo, difundiendo y compartiendo, discutiendo y acordando, he escrito artículos y libros sobre la ciencia que nos ocupa, sobre historia, sobre astronomía, etc., libros y artículos que te recomendaría pero que dudo que seas capaz de asimilar. Hay que ser muy “cuñao” y muy ignorante para llamarme a mí “troll”, máxime cuando esa acusación viene de alguien que en el tiempo que lleva aquí no ha aportado gran cosa, pero en fin… de cretinos está el mundo lleno, qué la vamos a hacer.

        Madura, chaval. Y con eso quiero decirte que, antes de sacar la lengua a paseo, pienses lo que vas a escribir y contra quién lo vas a escribir. Porque yo ya me comía en los foros de internet a “listos” como tú cuando no sabías ni lo que era un router… Por cierto, ¿sabes lo que es un router?

    2. Interesante…
      Construyen antes la plataforma de aterrizaje que la de lanzamiento.
      Servirá para dar ideas de cómo hacerlo, o no hacerlo, a SpaceX.

    3. Teniendo en cuenta que Blue Origin ha perdido el suculento contrato con la USAF para lanzar cargas militares, Bezos va ha tener que poner toda la carne en el asador en el desarrollo del New Glen. En cambio SpaceX tiene el 40% de todos los lanzamientos militares hasta el 2027. Y eso si ULA es capaz de tener el Vulcan disponible antes de 2022, porque si no es así, SpaceX se llevará todavía más parte del pastel.

      1. Que desembolse un 0.5% de su fortuna y palante. Le ha faltado un empujón un par de años antes. De hecho ULA se ha quedado algo atrapada en el desarrollo del motor, no me extrañaría que tengan un plan B con el rd180 en el Vulcan si los motores de Blue petan en pruebas. Estoy seguro que USA les extendería un par de años hasta el veto. Los 180 son unos motores maravillosos y bien probados.

        1. Pero si tienen más de dos años… y no parece que les vaya tan mal en el desarrollo del BE-4.
          Recordad que no es que el último lanzamiento de un Atlas V militar se produzca antes del 21/12/22 sino la COMPRA del último Atlas V militar. (luego quizá habrá todavía lanzamientos del Atlas V en 2023. Es tiempo de sobra para afinar el Vulcan)

          1. Cierto, de todas maneras, molaria saber las cifras específicas. Tory Bruno espera lanzar el año que viene y ULA vende seriedad y fiabilidad.
            Veremos que pasa. Espero que el motor que mandaron hace unas semanas lo pongan en un banco de pruebas y funcione bien.
            De hecho, me apena que una empresa como Aerojet no moviera más el culo para ponerse a la altura, pero supongo que el mercado es pequeño.

    4. Alguien sabe si a este monstruo de barco lo van a hacer dron? O van a aterrizar con el capitán en el puente y avanzando a toda máquina?
      El espectáculo va a ser dantesco.

  7. Que hermosa entrada Daniel. No dejo de agradecer que se haya incluido la camara a la Juno. Los datos igual habrian sido valiosos, pero esas imagenes invitan a soñar.

    1. Siempre me gustaron los personajes de científico loco despistados de las películas, tipo Regreso al futuro, cariño he encogido a los niños, el científico loco de Solaris, Egon o Ray en los cazafantasmas (no eran tan despistados estos), etc. Ahora mismo no sé cuál sería mi personaje favorito de ficción.

      ¿Qué quieres decir con que las universidades están llenas de Seldon?

  8. Coincido: globo, planeador, o enjambre de sondas atmosféricas, está claro que es tiempo de ir pensando en un elemento que nos permita navegar en su atmósfera para conocerla mejor.
    Y con varias cámaras, que las vistas han de ser espectaculares …

  9. La naturaleza gaseosa de Júpiter es intrigante al máximo. Esta sonda empieza a responder a unas cuantas preguntas que nos hacemos, no siendo menor la constatación de ese ‘núcleo borroso’ que resulta difícil de entender.

    Creo que debe ser una de las misiones en vigor más interesantes ahora mismo junto con las que operan (u operarán próximamente) en Marte.

    Seguimos atentos…

  10. Alucinante entrada Daniel!

    Es realmente fascinante poder comprender estos apasionantes gigantes gaseosos.

    Hacen falta más sondas como Juno o Cassini, son lo máximo!

    😉

  11. Increíble, 52 comentarios y nadie hace mención a la sonda atmosférica Galileo que descendió sobre Júpiter para internarse precisamente en esta zona de su atmósfera, ¿será porque no llevaba cámaras? Una prueba más de lo importante del componente visual en la exploración espacial, los datos sólo… no venden.

    No era una sonda atmosférica precisamente pequeña, pesaba 320 kg y medía aproximadamente 1,3 m. Estaba protegida por un escudo térmico que suponía la mitad de la masa de la propia sonda compuesto por Carbono-fenólico capaz de soportar las más altas temperaturas producidas en la entrada en la atmósfera superior de Júpiter a velocidades de hasta 69 km/s (250 000 km/h) mayores que la velocidad de escape, de hecho la entrada atmosférica de esa sonda es la más dura jamás realizada por un artefacto humano, soportó una temperatura de 14000 °C entrando a la atmósfera el 7 de diciembre de 1995 a una velocidad de 47’4 km/s. Tras la fase inicial de frenado aerodinámico la sonda expulsó el escudo térmico y prosiguió su descenso frenada por un paracaídas. Se enviaron datos durante aproximadamente unos 57 minutos a lo largo de un descenso de más de 150 km. Finalmente, a presiones en torno a 22 bar se perdió la comunicación con la sonda. Que fue previsiblemente destruida por las altas presiones y temperaturas de la atmósfera más profunda.

    Desde luego por soñar que no quede, me uno a las peticiones de una sonda atmosférica permanente, un dirigible sonda con todo el repertorio de cachivaches necesarios para saciar nuestra curiosidad humana, las vistas desde ese cielo deben ser espectaculares ¿color del cielo? Debe ser increíble ver las lunas galileanas en un cielo azul sobre un inacabable mar de nubes tormentosas… y claro, los datos científicos que recopilaria! Imaginadla in situ analizando los pedruscos de granizo rellenos de agua líquida… y pudiendo verlos!!

  12. No soy capaz de comprender, por qué un gigante gaseoso está rodeado de lunas rocosas. Yo esperaba que hubiese un núcleo con superficie más o menos definida, y por encima hielos con mayor o menor densidad y de allí pues ir convirtiendo con la altura el estado de las partículas a gaseoso.

      1. En general, creo que los planetas tienden a absorber las atmósferas de sus lunas. Por lo que si sólo fuera gas, no quedaría nada, y si fuera de núcleo sólido, pues … como nuestra luna. Si no me equivoco.

          1. Son elucubraciones sin contrastar lo que sugiero pero la luna de Titán es de las de mayor gravedad, y los gases de mayor masa molecular por lo que la energía para desprenderla debe ser mayor. Además está bajo la protección del campo magnético de Saturno. Y quizás, no tiene la misma edad que el resto de las lunas.

            Al final todo tiende a intentar convertirse en un sol. Si no lo consigue, se convierte en un planeta gaseoso, y si no lo consigue por falta de masa se convierte en un planeta. Los soles y los grandes planetas roban la atmósfera de los planetas/satélites más cercanos y de menor masa. Disculpad si lo que sugiero es un disparate. Lo entiendo así.

            Los fenómenos de robo de atmósferas son conocidos y lo único es que se da a deferentes niveles y estados de proceso. A unos ya se les ha acabado la atmósfera y otros por alguna razón, siguen manteniendo su atmósfera. En algunos casos como la tierra, pues el robo es menor. El robo imagino que puede ser directo por la gravedad y magnetismo y en otros casos por el viento solar, que serían 2 pasos : primero la desprenden de la atmósfera y luego la absorben con gravitación.

            Lo sé tengo una imaginación fértil.

          2. Bueno. Puede ser.
            Sabemos que hay exoplanetas que están perdiendo su atmósfera por acción de sus estrellas, casi como si fueran cometas gigantes.
            Otros exoplanetas han debido estar tan irradiados que apenas quedan los remanentes, con poca o nada de cubierta gaseosa. En cambio, otros aguantan y se calcula que no perderían su atmósfera ni tras miles de millones de años. Así que todo depende.

            Por otro lado, los discos protoplanetarios son como batidoras poco eficientes, un auténtico caos con zonas más enriquecidas que otras en cuanto a elementos pesados. Así que no debes pensar que todas las semillas o núcleos que formen planetas, o lunas o lo que sea tengan la misma estructura (que además ya ves nuestras hipótesis al respecto no suelen sobrevivir al contacto con la realidad…)

        1. Pues yo creo que la formación en de un sistema de satélites se diferencia poco de la formación de un sistema planetario, no deja de ser un sistema planetario en «miniatura»

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