Misterio de los Patrones Geométricos y Estabilidad de los Ciclones de Júpiter

Ciclones en el polo norte de Júpiter, por la nave espacial Juno. Imagen del artículo original [1].


Por Dra. Inés Urdaneta / Fisíco de Resonance Science Foundation

Júpiter, el quinto planeta desde el Sol y el mayor de nuestro Sistema Solar, es un gigante gaseoso compuesto principalmente por hidrógeno, aunque el helio constituye una cuarta parte de su masa y una décima parte de su volumen. Se cree que tiene un núcleo rocoso de elementos más pesados, aunque carece de una superficie sólida bien definida, como los demás planetas gigantes del Sistema Solar. Su atmósfera exterior está definida por una serie de bandas latitudinales, con turbulencias y tormentas a lo largo de los límites entre las bandas. Júpiter es conocido sobre todo por su Gran Mancha Roja, una tormenta gigante que se ha observado al menos desde 1831.

Diagrama de Júpiter, su interior, características de la superficie, anillos y lunas interiores. Si Júpiter tiene un núcleo real o si hay realmente hidrógeno metálico en su interior, es actualmente puramente teórico.  Crédito de imagen: Kelvinsong

Juno es la última sonda espacial en visitar el planeta y entró en órbita alrededor de Júpiter en julio de 2016. Desde 2017, Juno ha estado vigilando los ciclones del polo norte de Júpiter (uno en el centro y otros 8 más pequeños a su alrededor, dispuestos en un patrón octogonal), que han permanecido estables durante al menos los últimos 4 años bajo observación. Aunque se han empleado muchos modelos para explicar dichos patrones y su estabilidad, estas características siguen siendo un misterio en la astrofísica actual.

La investigación dirigida por Andrew Ingersoll, profesor de Ciencias Planetarias del Instituto Tecnológico de California, está arrojando luz sobre estas extraordinarias formaciones que se producen en el polo norte de Júpiter y se están comprendiendo interesantes características del conjunto. Para lograr dicha comprensión, los científicos recopilan información sobre los vientos implicados en los ciclones y su dinámica, a partir de los datos proporcionados por el instrumento Jovian InfraRed Auroral Mapper (JIRAM) de Juno, que puede detectar detalles de los polos hasta una escala de 180 kilómetros. 

A partir de estos datos, los autores determinan características relevantes del sistema, por ejemplo, el perfil de la velocidad azimutal media y la vorticidad que se representa a continuación, donde vemos que la velocidad media máxima en los ciclones es de 80 m/s, a una distancia radial de r = 1000 km. Los puntos negros son los puntos de los datos, mientras que la curva naranja está ajustada por un modelo teórico. El pico de vorticidad relativa en el polo también se representa a la derecha en la imagen inferior.

Imagen del artículo original [1]

La mayoría de los modelos utilizados para explicar los ciclones en Júpiter y Saturno se denominan modelos de una y dos capas, que muestran que los pequeños vórtices se fusionan y se convierten en vórtices a gran escala. Los ciclones se desplazan hacia los polos, mientras que los anticiclones se desplazan hacia el ecuador, como ocurre en la Tierra. Sin embargo, sólo uno de estos modelos produce polígonos estables a partir de condiciones iniciales aleatorias, y sólo cuando las longitudes de onda de las perturbaciones aleatorias iniciales son inferiores a 300 km.

Como explica el estudio publicado en Nature Astronomy, un análisis de Fourier de los datos de Juno revela que los flujos con longitudes de onda superiores a 215 km están ganando energía de los flujos de menor escala. Este es un ejemplo de transferencia de energía hacia la escala superior, razón por la cual es importante medir la vorticidad (la capacidad de un flujo para girar) y la divergencia (la salida o entrada de un movimiento o flujo) a escalas mucho mayores que los ciclones principales, para determinar cómo se produce la transferencia de energía a escalas superiores. 

Utilizando otro tipo de modelo basado en ecuaciones hidrodinámicas, los científicos pudieron recrear ciclones que adquieren una velocidad y un radio máximos que se disponen en diferentes patrones poligonales alrededor del polo, para encontrar cuáles son más estables.

Imagen: el círculo a 80 grados de latitud está a unos 2000 km del polo. Las líneas de longitud constante están separadas 15 grados. Imagen del documento original [1].

Los autores de esta investigación descubrieron que los ciclones estables tienen un blindaje conformado por un anillo de vorticidad anticiclónica alrededor de cada uno de los ciclones, mientras que los inestables no cuentan con este blindaje. Estudiando la vorticidad dentro y fuera de los grandes ciclones, los autores pudieron ver si los ciclones están blindados o no. Si el apantallamiento es débil, los vórtices se fusionan y los polígonos desaparecen. 

Otra característica muy importante de la dinámica de fluidos es el proceso de convección. La convección se conoce comúnmente como un tipo de movimiento de un fluido, como el agua o un gas, en el que el movimiento del fluido no es generado por ninguna fuente externa (ventilador, motores, bombas, etc.), sino porque algunas partes del fluido son más pesadas o están más calientes que otras. La fuerza motriz de la convección natural es la gravedad, que tira hacia abajo de las partes más densas con más fuerza, mientras que los fluidos más calientes o menos densos suben. Esto da lugar a una circulación natural: el flujo de un sistema circula continuamente, con probables cambios en la transferencia de calor y energía. La termodinámica y la mecánica de fluidos estándar esperarían encontrar rastros de convección en el movimiento ciclónico de Júpiter. 

Para encontrar rastros de convección, los investigadores buscan el tipo de correlación entre la vorticidad y la divergencia de los campos del viento, a escalas de hasta 180 km, esperando encontrar una correlación negativa entre ellas para los planetas en rotación. Utilizando los modelos hidrodinámicos de aguas poco profundas, comprobaron que la magnitud de la vorticidad es mayor que la de la divergencia, pero no encontraron pruebas concluyentes de la correlación entre ambas, por lo que sigue faltando una firma convincente de convección, que habría ayudado a explicar cómo se utilizaba el calor para alimentar los ciclones.

Vorticidad (arriba) y divergencia (abajo) derivadas de dos determinaciones independientes del viento. Las regiones blancas amorfas no se tienen en cuenta porque el análisis del viento no fue concluyente. Los rectángulos cubren 20.000 km y la resolución menor es de unos 100 km. Imagen del artículo original [1].

Como dicen los autores de este estudio, hay que trabajar mucho más para entender las notables características encontradas en Júpiter.  También apuntan a la posibilidad de que sea necesaria una nueva física para explicarlas.

La buena noticia es que... ¡la nueva física ya está aquí! 

 

RSF en perspectiva:

Toda la literatura científica trata a la convección y a la circulación como un fenómeno macroscópico, es decir, que ocurre a escalas mayores que los átomos. Al mismo tiempo, muchas características del reino atómico siguen siendo un misterio. Cuestiones fundamentales como "cuál es el origen del espín en las partículas subatómicas, o por qué el protón no decae nunca, o qué es en realidad el zitterbewegung (una oscilación a la velocidad de la luz en el movimiento de las partículas predicho por la ecuación de Dirac)" y otras más, siguen sin resolverse...

Igualmente, en el otro lado de la escala. A nivel cosmológico, el 96% del Universo está compuesto por una masa oscura y una energía oscura desconocidas y aún no detectadas ...

Evidentemente, falta algo ENORME en nuestra comprensión de la física que nos rodea. Un mecanismo fundamental que se propaga desde la diminuta escala de Planck y llega hasta la escala universal, está ausente en los modelos de la física predominante.    

¿Y si hubiera flujos a la escala de Planck, que ocurrieran dentro de los átomos, y si los átomos fueran el resultado de los mismos procesos -circulaciones y vórtices- que ocurren a nivel micro e inferior? En otras palabras, ¿qué pasaría si la fuente y el mecanismo últimos fueran impulsados por la termodinámica y la vorticidad del propio espaciotiempo, que producen todos estos fenómenos como propiedades emergentes del plasma cuántico del vacío?

Uno de los principales problemas de la física, es la falta de una fuente para el espín y la masa. El espín debe ser añadido a mano en las ecuaciones de la mecánica cuántica; por lo tanto, se trata como un comportamiento no clásico. Y la fuente de masa no se explica satisfactoriamente por el mecanismo de Higgs, que sólo puede explicar menos del 2% de la masa.

Al considerar adecuadamente las fluctuaciones del vacío (su estructura, ordenamiento y dinámica), Nassim Haramein ha resuelto la mayoría de los problemas fundamentales de la física moderna, tanto a escala cuántica [1,2,3] como cosmológica [4]. El modelo holográfico generalizado da una solución cuantizada a la gravedad y a la masa, llegando a la conclusión de que todo surge del plasma del vacío cuántico, que no está compuesto por "fluctuaciones aleatorias de energía", como suponen las teorías actuales. Por el contrario, el plasma del vacío cuántico tiene múltiples fases, algunas más ordenadas que otras, y como se explicará en detalle en el próximo artículo [5], es la termodinámica y la dinámica de fluidos de este plasma compuesto por partículas Planck (acuñadas por Haramein como Unidades Esféricas Planck) lo que da lugar a todas las partículas, fuerzas y campos conocidos.

¡Es la estructura del espaciotiempo girando la que produce la vorticidad y la termodinámica en primer lugar! Los modelos de convección no podrán explicar plenamente la estabilidad de los vórtices geomagnéticos hasta que no se tengan en cuenta las fluctuaciones del vacío del espaciotiempo ... - Nassim Haramein

 


Referencias

[1] Ingersoll, A.P., Ewald, S.P., Tosi, F. et al. Vorticity and divergence at scales down to 200 km within and around the polar cyclones of Jupiter. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01774-0

[2] Haramein, N. (2012). Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292 

[3] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O. (2019). The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262.

[4] Haramein, N & Val Baker, A. K. F. (2019). Resolving the Vacuum Catastrophe: A Generalized Holographic Approach, Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, Vol.05 No.02(2019), Article ID:91083, 13 pages

[5] Alirol. O., and Haramein, N. Scale Invariant Unification of forces, fields, and particles in a quantum vacuum plasma (coming out soon).

 

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