Ao longo dos anos, espaçonaves que passaram por esses planetas observaram padrões climáticos misteriosos nos polos de Júpiter e Saturno. Os dois planetas abrigam tipos muito diferentes de vórtices polares, que são enormes redemoinhos atmosféricos que giram sobre a região polar de um planeta. Em Saturno, um único e massivo vórtice polar parece coroar o polo norte com uma curiosa forma hexagonal, enquanto em Júpiter, um vórtice polar central é cercado por oito vórtices menores, como uma assadeira de rolinhos de canela girando.

Dado que ambos os planetas são semelhantes em muitos aspectos — têm aproximadamente o mesmo tamanho e são compostos pelos mesmos elementos gasosos — a grande diferença nos seus padrões climáticos polares tem sido um mistério de longa data.

Agora, cientistas do MIT identificaram uma possível explicação para como os dois sistemas diferentes podem ter evoluído. Suas descobertas podem ajudar os cientistas a entender não apenas os padrões climáticos da superfície dos planetas, mas também o que pode existir sob as nuvens, nas profundezas de seus interiores.

Em um estudo publicado esta semana nos Anais da Academia Nacional de Ciências (Proceedings of the National Academy of Sciences) , a equipe simula várias maneiras pelas quais padrões de vórtices bem organizados podem se formar a partir de estímulos aleatórios em um gigante gasoso. Um gigante gasoso é um planeta grande composto principalmente de elementos gasosos, como Júpiter e Saturno. Entre uma ampla gama de configurações planetárias plausíveis, a equipe descobriu que, em alguns casos, as correntes coalesceram em um único grande vórtice, semelhante ao padrão de Saturno, enquanto outras simulações produziram múltiplas grandes circulações, semelhantes aos vórtices de Júpiter.

Após comparar simulações, a equipe descobriu que os padrões de vórtices, e se um planeta desenvolve um ou múltiplos vórtices polares, dependem de uma propriedade principal: a "suavidade" da base de um vórtice, que está relacionada à composição interna. Os cientistas comparam um vórtice individual a um cilindro giratório percorrendo as várias camadas atmosféricas de um planeta. Quando a base desse cilindro giratório é feita de materiais mais macios e leves, qualquer vórtice que se desenvolva só pode crescer até um certo tamanho. O padrão final pode então permitir a formação de múltiplos vórtices menores, semelhantes aos de Júpiter. Em contraste, se a base de um vórtice é feita de material mais duro e denso, ele pode crescer muito mais e, consequentemente, engolfar outros vórtices para formar um único vórtice massivo, semelhante ao ciclone gigante de Saturno.

“Nosso estudo mostra que, dependendo das propriedades internas e da dureza da base do vórtice, isso influenciará o tipo de padrão de fluido observado na superfície”, diz a autora do estudo, Wanying Kang, professora assistente do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “Acho que ninguém havia feito essa conexão entre o padrão de fluido na superfície e as propriedades internas desses planetas. Um cenário possível seria que Saturno tivesse uma base mais dura do que Júpiter.”

O primeiro autor do estudo é Jiaru Shi, estudante de pós-graduação do MIT.

O novo trabalho de Kang e Shi foi inspirado por imagens de Júpiter e Saturno capturadas pelas missões Juno e Cassini. A sonda Juno da NASA orbita Júpiter desde 2016 e registrou imagens impressionantes do polo norte do planeta e seus múltiplos vórtices giratórios. A partir dessas imagens, os cientistas estimaram que cada um dos vórtices de Júpiter é imenso, com cerca de 4.800 quilômetros de diâmetro — quase metade da largura da própria Terra.

Antes de se desintegrar intencionalmente na atmosfera de Saturno em 2017, a sonda Cassini orbitou o planeta anelado por 13 anos. Suas observações do polo norte de Saturno registraram um único vórtice polar hexagonal, com cerca de 29.000 quilômetros de diâmetro.

Shi e Kang propuseram-se a identificar um mecanismo físico que explicasse por que um planeta poderia desenvolver um único vórtice, enquanto outro abriga múltiplos vórtices. Para isso, trabalharam com um modelo bidimensional da dinâmica de fluidos na superfície. Embora um vórtice polar seja tridimensional por natureza, a equipe concluiu que poderia representar com precisão a evolução do vórtice em duas dimensões, já que a rápida rotação de Júpiter e Saturno impõe um movimento uniforme ao longo do eixo de rotação.

“Em um sistema de rotação rápida, o movimento do fluido tende a ser uniforme ao longo do eixo de rotação”, explica Kang. “Então, fomos motivados pela ideia de que podemos reduzir um problema dinâmico 3D a um problema 2D, porque o padrão do fluido não muda em 3D. Isso torna o problema centenas de vezes mais rápido e barato de simular e estudar.”

Seguindo esse raciocínio, a equipe desenvolveu um modelo bidimensional da evolução de vórtices em um gigante gasoso, baseado em uma equação existente que descreve como o fluido em turbilhão evolui ao longo do tempo.

“Essa equação tem sido usada em muitos contextos, inclusive para modelar ciclones de latitudes médias na Terra”, diz Kang. “Nós adaptamos a equação para as regiões polares de Júpiter e Saturno.”

A equipe aplicou seu modelo bidimensional para simular como o fluido evoluiria ao longo do tempo em um gigante gasoso sob diferentes cenários. Em cada cenário, a equipe variou o tamanho do planeta, sua taxa de rotação, seu aquecimento interno e a viscosidade do fluido em rotação, entre outros parâmetros. Em seguida, definiram uma condição de "ruído" aleatório, na qual o fluido inicialmente fluía em padrões aleatórios pela superfície do planeta. Finalmente, observaram como o fluido evoluiu ao longo do tempo, dadas as condições específicas de cada cenário.

Em diversas simulações diferentes, eles observaram que alguns cenários evoluíam para formar um único grande vórtice polar, como Saturno, enquanto outros formavam múltiplos vórtices menores, como Júpiter. Após analisar as combinações de parâmetros e variáveis em cada cenário e como elas se relacionavam com o resultado final, eles chegaram a um mecanismo único para explicar se um ou múltiplos vórtices evoluem: à medida que movimentos aleatórios do fluido começam a coalescer em vórtices individuais, o tamanho que um vórtice pode atingir é limitado pela viscosidade da sua base. Quanto mais viscoso, ou menos viscoso, for o gás que gira na base de um vórtice, menor será o vórtice no final, permitindo que múltiplos vórtices de menor escala coexistam no polo de um planeta, semelhantes aos de Júpiter.

Por outro lado, quanto mais duro ou denso for o fundo de um vórtice, maior o sistema poderá crescer, até um tamanho em que eventualmente poderá seguir a curvatura do planeta como um único vórtice em escala planetária, como o de Saturno.

Se esse mecanismo for de fato o que está em ação em ambos os gigantes gasosos, isso sugeriria que Júpiter poderia ser feito de material mais macio e leve, enquanto Saturno poderia abrigar material mais pesado em seu interior.

“O que vemos na superfície, o padrão de fluidos em Júpiter e Saturno, pode nos dizer algo sobre o interior, como a dureza da camada inferior”, diz Shi. “E isso é importante porque talvez, abaixo da superfície de Saturno, o interior seja mais rico em metais e tenha mais material condensável, o que lhe permite apresentar uma estratificação mais forte do que Júpiter.”

"Como Júpiter e Saturno são tão semelhantes em outros aspectos, suas diferentes condições climáticas polares têm sido um enigma", diz Yohai Kaspi, professor de dinâmica de fluidos geofísicos no Instituto Weizmann de Ciências e membro da equipe científica da missão Juno, que não participou do novo estudo. "O trabalho de Shi e Kang revela uma ligação surpreendente entre essas diferenças e a 'suavidade' do interior profundo dos planetas, oferecendo uma nova maneira de mapear as principais propriedades internas que moldam suas atmosferas."