Si estudiar la atmósfera terrestre y todos los procesos que la gobiernan suena muy complicado, imaginen hacerlo de todos los planetas del Sistema Solar. Después, imaginen que mediante fórmulas matemáticas pudieran elaborar modelos climáticos globales que reprodujeran los distintos fenómenos atmosféricos que ocurren, por ejemplo, en Venus o Titán (satélite de Saturno). Todo ello es posible, incluso dichos modelos también sirven para comprender mejor el clima de la Tierra y, en última instancia, para encontrar exoplanetas con características aptas para la vida. En este campo centra sus investigaciones Sebastien Lebonnois, investigador del Laboratorio de Meteorología Dinámica del Centro Nacional para la Investigación Científica (CNRS) de Francia, experto en las atmósferas de Venus y Titán con quien ha arrancado la XXVIII Canary Islands Winter School of Astrophysics, organizada por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), dedicada este año a la exploración del Sistema Solar.

Por Elena Mora (IAC)

“Estudiar otras atmósferas nos ayuda a verificar que las leyes que aplicamos para comprender nuestro clima son válidas cuando se extrapolan a diferentes situaciones.”

“Venus es un planeta ‘hermano’ de la Tierra ya que tienen casi el mismo tamaño y una distancia similar al Sol. Sin embargo, su atmósfera es bien distinta.”

“A pesar del frío extremo, la superficie de Titán muestra un ciclo de metano parecido al ciclo del agua en la Tierra, con lluvia, ríos, mares y tormentas.”

Pregunta: ¿Existen muchas diferencias entre las atmósferas planetarias del Sistema Solar?

Respuesta: Cada atmósfera es única, pero también tienen características comunes. A partir de la misma materia de la que se componía la nebulosa solar, las atmósferas evolucionaron de distinta manera, dependiendo del tamaño del planeta, su posición en el Sistema Solar y eventos fortuitos, como lacolisión entre una Tierra muy joven y otro planeta que originó la Luna. A pesar de que sus composiciones y procesos termodinámicos son diferentes, la Física que las gobierna es la misma.

P:¿Qué podemos saber estudiando las atmósferas planetarias?

R: El objetivo es entender los procesos que explican sus propiedades. Algunas atmósferas son muy básicas y es sencillo hacer una primera aproximación correctamente. Pero cuando queremos estudiar en profundidadla atmósfera terrestrey averiguar su evolución, es más complicado.

Estudiar otras atmósferas nos ayuda a verificar que las leyes que aplicamos para comprender nuestro clima son válidas cuando se extrapolan a diferentes situaciones. Podemos aprender mucho sobre nuestra atmósfera a través de la observación de otras.

También podemos profundizar en el pasado de esas atmósferas y las condiciones que produjeron la aparición de vida en la Tierra gracias a la tecnología. Incluso es posible buscar otros planetas girando en torno a otras estrellas –exoplanetas o planetas extrasolares- y explorar si presentan condiciones aptas para la vida.

P: Los modelos climáticos globales son capaces de simular, basados en ecuaciones físicas universales, modelos climáticos reales para cualquier tipo de planeta terrestre. ¿En qué consisten concretamente estos modelos?

R: Digamos que los modelos se construyen a partir de “ladrillos” que representan fórmulas de leyes físicas aplicables a estos sistemas. El núcleo del modelo resuelve las ecuaciones de la dinámica de fluidos. A continuación, se tiene en cuenta la transferencia de radiación, es decir, cómo la radiación solar e infrarroja es absorbida y emitida por la atmósfera y cómo estas dirigen la circulación.

Después, se añaden otros “ladrillos”, es decir, las capas superficiales que interactúan con la atmósfera, procesos como la turbulencia o convección, ecuaciones fotoquímicas que calcularán cómo evolucionará la atmósfera, la acumulación y la evolución de las nubes y su interacción con el ambiente.

Todas estas leyes simulan las variables características de la atmósfera y para ello es necesario definir matemáticamente las leyes, con el fin de resolverlas y seguir la evolución de las variables atmosféricas a lo largo del tiempo.

P: ¿Qué ciencia puede hacerse con esos modelos? ¿Es uno de sus objetivos estudiar el clima de exoplanetas para encontrar vida en ellos?

R: Cuando observamos las atmósferas planetarias, podemos conocer algunas de sus características, como la distribución de la temperatura, los vientos, las nubes, etc., a lo largo del tiempo. Los modelos climáticos ayudan a reproducir esas observaciones y, por tanto, interpretarlas. ¿Qué fenómeno físico explica el perfil vertical de la temperatura o la variabilidad de los vientos? Muchos procesos están combinados, así que los modelos dan pistas sobre la relación que hay entre ellos.

Ahora, los modelos han sido adaptados a todas las atmósferas del Sistema Solar, desde las de los gigantes gaseosos hasta la tenue de Plutón. Gracias al éxito que han tenido, podemos aplicarlos a las atmósferas detectadas alrededor de exoplanetas. Y sí, por supuesto que encontrar lugares aptos para la vida es un objetivo y es, además, el primer paso para detectar otras formas de vida a nuestro alrededor.

P: Su trabajo se centra en el estudio de las atmósferas de Titán y Venus. ¿Qué fue lo que le interesó de estos cuerpos?

R: Venus siempre ha despertado mucho interés entre la comunidad científica. Es un objeto muy brillante durante la noche y el día, incluso si lo observas con un telescopio, verás que tiene fases como la Luna y un diámetro aparente variable. Hemos visto su tránsito –cuando orbita entre la Tierra y el Sol, ocultando una pequeña parte del mismo-, que supuso la primera prueba de la existencia de su atmósfera en 1761. Ahora, se considera que Venus es un planeta “hermano” de la Tierra ya que tienen casi el mismo tamaño y una distancia similar al Sol. Sin embargo, su atmósfera es bien distinta. Por eso, entender por qué Venus evolucionó así es una pregunta fundamental que sigue despertando mucho interés.

La atmósfera de Titán se estudió principalmente durante los años 80 tras las misiones Voyager, pero fueron los numerosos descubrimientos de la misión Cassini-Huygens los que despertaron mi interés. A pesar del frío extremo, la superficie de Titán muestra un ciclo de metano parecido al ciclo del agua en la Tierra, con lluvia, ríos, mares y tormentas. ¡Es fascinante!

P: Se sabe que Venus rota lentamente –un día en ese planeta equivale a 243 días terrestres- pero su atmósfera lo hace 60 veces más deprisa. ¿Hay algún modelo capaz de reproducir esa súper-rotación atmosférica que ayude a entender esta dinámica?

R: Eso ha sido un gran desafío durante mucho tiempo y una prueba difícil para los modelos climáticos. Parece que los procesos que pueden explicar ese fenómeno son bastante sutiles para el modelo y las pequeñas incertidumbres o aproximaciones han impedido el desarrollo de esta súper-rotación en muchos modelos. Sin embargo, con el progreso de simulaciones numéricas, los modelos actuales de Venus y también Titán –que muestra una súper-rotación similar- pueden recrear los vientos extremadamente fuertes presentes en la circulación atmosférica. Ahora parece confirmarse que la súper-rotación es fruto de un equilibrio bastante sensible entre el transporte del momento angular por la circulación meridional media (impulsada por la radiación solar) y el de las ondas que nacen de las inestabilidades en la circulación y de las mareas térmicas.

P: Titán es el satélite natural de Saturno más grande y, además, el único con atmósfera. ¿Es ésta similar a la de la Tierra? ¿Por qué los científicos decidieron clasificar como océanos algunas partes de su superficie?

R: La atmósfera de Titán está compuesta principalmente de nitrógeno, al igual que la de la Tierra, incluso la presión superficial es casi idéntica. Sin embargo, la temperatura de su superficie es muy fría, debido a la distancia ente Saturno y el Sol. En Titán, el agua congelada, que no tiene nada de oxígeno, compone la superficie de las rocas.

El segundo componente de su atmósfera es el metano, y en las condiciones de allí,  puede estar en estado líquido. Por lo tanto, puede llover, formarse mares líquidos en las regiones polares -donde las precipitaciones son favorecidas por la circulación atmosférica-, evaporarse, condensarse en forma de nubes en la troposfera…

Como ya he mencionado, Titán tiene un ciclo muy similar al ciclo del agua en la Tierra. Esas grandes masas de metano líquido que se observaron, especialmente en la región del polo norte, son muy similares a nuestros mares de agua, mucho más que los "mares" lunares, áreas que en realidad no están cubiertas por líquidos.

Titán es el único lugar en el Sistema Solar, aparte de la Tierra, que posee mares. Sí que existen algunas similitudes entre la composición de la atmósfera actual de Titán y la atmósfera temprana de la Tierra, pero las condiciones de temperatura siempre han sido muy diferentes.