La atmósfera de Saturno         

 

        Cuando observamos una fotografía del planeta Saturno, lo que vemos es el aspecto de las capas altas de su atmósfera. La circunstancia de ser un gigante gaseoso le planteó a los científicos planetarios la siguiente interrogante ¿Cómo diferenciar el umbral en donde termina la atmósfera y comienza el interior del planeta? Para Saturno, escogieron como nivel 0 kilómetros la zona en donde la presión comienza a ser equivalente a 1/10 de la presión atmosférica a nivel del mar en la Tierra. Este nivel de presión, al que denominaron Tropopausa, favorece la conformación de nubes y nieblas que se enrarecen y se hacen más densas a medida que se desciende hacia el interior del planeta.

 

          Entre los 100 y 200 km por encima de este nivel, se encuentra la Estratosfera, una zona que es calentada por el Sol en donde la temperatura promedio alcanza los 150 K (-123 °C).

 

          El siguiente nivel es la Troposfera, debajo de la Tropopausa. Se estima que desciende hasta unos 150 km por debajo del nivel 0. Esta es la atmósfera exterior del planeta y está compuesta de hidrógeno molecular en un 96,3 %, helio (3,25%) y trazas de metano, amoníaco, deuterio, etano y otros componentes. En forma de aerosoles se encuentran hielos de amoníaco (NH3), de agua (H2O) e hidrosulfuro de amoníaco (NH4SH). Aunque se sabe que el gigante gaseoso contiene elementos más pesados, se desconocen sus proporciones con respecto al hidrógeno y el helio. Los científicos planetarios suponen que los mismos coinciden con la abundancia primordial existente en la composición de la nebulosa que formó el Sistema Solar.

 

          La composición por volumen es la siguiente:

 

Hidrógeno molecular (H2):                                         96,3 %

Helio (He):                                                              3,25 %

Metano (CH4):                                                         0,45 %

Amoníaco (NH3):                                                   0,0125 %

Deuterio (HD):                                                       0,011 %

Etano (C2H6):                                                       0,0007 %

 

          En la alta atmósfera de Saturno se encuentran trazas de amoníaco, acetileno, etano, propano, fosfina y metano. El metano acá se produce por fotólisis debido a la interacción con la radiación ultravioleta (UV) del Sol.

 

          Mientras que las nubes altas contienen cristales de amoniaco, las nubes bajas presentan hidrosulfuro de amoniaco y agua.

 

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Perfil de la atmósfera de Saturno. Crédito: All about space. Edición: Jesús Guerrero.

 

          Las nubes de hielo de amoniaco se producen cuando la presión se encuentra entre 0,5 y 2 bar (0,49 – 1,97 atmósferas) y temperaturas entre 100 a 160 K (-173 °C a -113 °C). Las nubes de hielo de hidrosulfuro de amonio se hacen presentes a 3 – 6 bar y temperaturas de 150 – 215 K (-123 °C a -58 °C) y las nubes de hielo de agua comienzan en un nivel donde la presión supera los 10 bar y la temperatura varía entre 215 – 260 K (-58 °C a -13 °C). Finalmente, las capas inferiores, donde las presiones están entre 10–20 bar y las temperaturas son 270 – 330 K (-3 °C a 57 °C), contiene una región en donde las gotas de agua y el amoníaco se mezclan en una solución acuosa.

 

          Los vientos en Saturno son los segundos más rápidos en el Sistema Solar, después de Neptuno. Los datos de la sonda Voyager indican vientos máximos que alcanzan los 500 m/s (1.800 km/h). Los polos norte y sur de Saturno también han mostrado evidencia de tormentas. En el polo norte, esto toma la forma de un patrón de onda hexagonal, mientras que el sur muestra evidencia de una corriente en chorro masiva. Las velocidades de los vientos en las regiones cercanas al ecuador (máximo 15° de latitud) son las de mayor velocidad, mientras que hacia latitudes septentrionales descienden bruscamente. Curiosamente, las direcciones de los vientos son contrapuestas en ambos hemisferios. Mientras a 70° norte los vientos se acercan a los 100 km/s, en la misma latitud en el sur tiene leves velocidades negativas (retrógradas).

 

            Los astrónomos han determinado que la variabilidad en la velocidad de los vientos en Saturno, como en el resto de los planetas, es “estacional”, esto quiere decir, que depende de la posición del planeta en su órbita en torno al Sol. En Saturno se llegaron a medir vientos con 1.700 km/h en el año 1980, para descender a 900 km/h en el 2003.

 

 

          La atmósfera de Saturno exhibe patrones de bandas similares a las de Júpiter, pero las mismas son mucho más débiles y anchas cerca del ecuador. Al igual que con las capas de nubes de Júpiter, se dividen en las capas superior e inferior, que varían en composición según la profundidad y la presión. En las capas de nubes superiores, con temperaturas en el rango de 100 – 160 K y presiones entre 0,5 – 2 bar, las nubes consisten en hielo de amoníaco. Las tonalidades de las bandas van desde las oscuras, bajas y cálidas, a las brillantes, altas y frías. En líneas generales tres bandas latitudinales bien definidas pueden ser discriminadas en la atmósfera de Saturno.

 

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Banda de Saturno. Crédito: Voyager, NASA.

 

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Bandas de Saturno constituidas por nubes y niebla de amoniaco y metano, a diferentes altitudes.

Crédito: Telescopio Espacial Hubble, NASA, ESA, Erich Karkoschka (Universidad de Arizona).

 

 

          En ocasiones, la atmósfera de Saturno exhibe óvalos de larga vida, similares a los que se observan en Júpiter. Mientras que Júpiter tiene la Gran Mancha Roja, Saturno periódicamente tiene lo que se conoce como la Gran Mancha Blanca, también conocida como el Gran Óvalo Blanco. Este fenómeno único pero de corta duración ocurre una vez cada año de Saturno, aproximadamente cada 30 años terrestres, alrededor de la época del solsticio de verano del hemisferio norte.

 

          Estos puntos pueden tener varios miles de kilómetros de ancho, y se han observado en 1876, 1903, 1933, 1960 y 1990. Desde 2010, se ha observado una gran banda de nubes blancas llamada la perturbación electrostática del norte que rodea a Saturno, que fue visto por la sonda espacial Cassini. Si se mantiene la naturaleza periódica de estas tormentas, ocurrirá otra aproximadamente en 2020.

 

 

          Un patrón persistente de onda hexagonal alrededor del polo norte se observó por primera vez en las imágenes de la sonda Voyager en el año 1981. Los lados del hexágono tienen cada uno aproximadamente 13.800 km de largo, más largo que el diámetro de la Tierra, y la estructura gira con un período de 10h 39m 24s, que se supone igual al período de rotación del interior de Saturno. Este patrón no es constante puesto que dispone de periodos en los que es casi imperceptible. El mismo fue observado en los años 2006 y 2009.

 

 

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El hexágono en el polo norte de Saturno. Crédito: Cassini, NASA.

 

 

          Mientras tanto, el vórtice del polo sur se observó por primera vez utilizando el telescopio espacial Hubble. Las imágenes del telescopio espacial revelan la presencia de una corriente de chorro, sin formar ninguna figura como la existente en el polo norte. Se estima que estas tormentas generan vientos de 550 km/h, y poseen un tamaño comparable al de la Tierra. Los astrónomos estiman que las mismas están ocurriendo en Saturno desde la formación misma del planeta. En el año 2006, la sonda espacial Cassini observó una tormenta similar a un huracán que tenía un ojo claramente definido. Tales tormentas no se habían observado en ningún planeta distinto a la Tierra.

 

 

          Saturno tiene auroras visibles, lo que indica la presencia de una magnetosfera. Podemos afirmar que la magnetosfera es el ambiente más dinámico en Saturno. La misma es unas 20 veces más débil que el de Júpiter, pero 103 veces mayor que el de la Tierra, lo que revela un campo magnético fuerte. La atmósfera superior también exhibe una débil emisión de UV excitada por colisión entre el hidrógeno (H) y el hidrógeno molecular (H2), denominado “electroresplandor”. Las fuentes propuestas de las partículas en colisión incluyen precipitado de electrones de la magnetosfera e iones producidos localmente y electrones de baja energía en la ionosfera.

 

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Auroras en Saturno. Imagen en visual y ultravioleta. Crédito: Telescopio Espacial Hubble.

 

 

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El campo magnético de Saturno se encuentra alineado con la rotación del planeta.

 

          Una de las interrogantes que ha encontrado respuestas últimamente (año 2020) es sobre la temperatura de la atmósfera de Saturno. Los astrónomos han encontrado que la cálida temperatura presente en la misma se debe a las corrientes eléctricas que se producen en las auroras, lo que contribuye a su mantenimiento.

   

          Los espectros de Saturno muestran un agotamiento de helio en comparación con Júpiter, una circunstancia que puede estar acoplada a la emisión radiactiva de Saturno, que excede la recibida del Sol en más de un factor de 2.