Cassini revelou vórtex quente hexagonal de grande altitude no pólo norte. Descoberta pode indicar que hexágono mais baixo pode influenciar atmosfera acima e pode ser uma estrutura de centenas de quilômetros de altura.

Quando a Cassini chegou a Saturno, em 2004, era verão no hemisfério sul do planeta. A espaçonave encontrou um grande vórtex quente de grande altitude no pólo sul – mas não no polo norte.

Agora, um novo estudo de longa duração encontrou os primeiros sinais de um vórtex se formando a grande altitude no pólo norte, que se aproxima do verão. Este vórtex quente está centenas de quilômetros acima das nuvens, na estratosfera.

“As bordas deste vórtex recém-descoberto parecem ser hexagonais, combinando-se precisamente com um padrão de nuvens hexagonal famoso e bizarro que vemos abaixo na atmosfera de Saturno”, disse Leigh Fletcher, da Universidade de Leicester, no Reino Unido, principal autor do estudo.

“Ao passo que esperávamos sim ver um vórtex de algum tipo no pólo norte de Saturno conforme ele se aquecia, sua forma é realmente surpreendente. Ou um hexágono apareceu espontaneamente e de forma idêntica em duas altitudes diferentes, um mais baixo nas nuvens e outro alto na estratosfera, ou o hexágono é na verdade uma estrutura gigantesca abrangendo uma faixa vertical de várias centenas de quilômetros.”

Os níveis de nuvens de Saturno abrigam a maior parte dos fenômenos meteorológicos do planeta, incluindo o hexágono polar norte pré-existente. Ele foi descoberto pela sonda Voyager, da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA), dos Estados Unidos, nos anos 1980, e estudado por décadas. É um fenômeno de longa duração potencialmente ligada à rotação do planeta – fenômeno também visto na Terra em estruturas como a corrente de jato polar.

Suas propriedades foram detalhadas pela Cassini-Huygens, uma missão em conjunto da NASA e as agências espaciais europeia (ESA) e italiana (ASI), que o observou em múltiplos comprimentos de onda, do ultravioleta ao infravermelho, com instrumentos como o Espectrômetro Infravermelho Composto (CIRS). Porém, no início da missão, este instrumento não pôde perscrutar mais a fundo a estratosfera setentrional, que tinha temperaturas próximas a -158 °C – 20 °C mais frio do que o necessário para observações confiáveis em infravermelho pelo CIRS – deixando esta região relativamente inexplorada por muitos anos.

Mapas de brilho do vórtex hexagonal no pólo norte de Saturno feitos com o Composite Infrared Spectrometer (CIRS), da sonda Cassini (NASA/JPL-Caltech/University of Leicester/GSFC/ L.N. Fletcher et al. 2018)

Acima, oito imagens do CIRS mostram o pólo norte de Saturno entre 2013 e 2017, mapeando a evolução de temperaturas na estratosfera. Tons azuis correspondem a temperaturas se -138 °C e vermelhos indicam -123 °C. Os azuis mais escuros mostram áreas com dados faltando e defeitos. Nota-se que um ciclone polar quente foi parcialmente ocultado na imagem de agosto de 2017.

Os dados foram colhidos pelo CIRS durante a missão de solstício da Cassini, a segunda extensão da missão, que começou em setembro de 2010 e foi até maio de 2017. Para observar adequadamente a totalidade do pólo norte, a Cassini o fez de uma grande inclinação orbital. A forma e os limites hexagonais podem ser vistos em todas as imagens, ficando mais clara e quente com o tempo.

“Um ano saturniano abrange cerca de 30 anos terrestres, então os invernos são longos”, comentou Sandrine Guerlet, co-autora do artigo, do Laboratório de Meteorologia Dinâmica, na França. “Saturno só começou a emergir das profundezas do inverno setentrional em 2009 e gradualmente se aqueceu enquanto o hemisfério norte se aproximava do verão.”

Um processo estranho em atuação na atmosfera do planeta acelerou este aquecimento: conforme o ar descia no pólo norte, o hexágono superior aqueceu-se incrivelmente rápido e o transporte de ar para baixo tornou a abundância de várias espécies menores mais concentrada. A temperatura elevada permitiu que Fletcher e seus colegas estudassem o vórtex polar em infravermelho.

“Pudemos utilizar o instrumento CIRS para explorar a estratosfera setentrional pela primeira vez, de 2014 em diante”, disse Guerlet. “Enquanto o vórtex polar se tornava mais e mais visível, notamos que ele tinha bordas hexagonais e percebemos que estávamos vento o hexágono pré-existente em altitudes muito mais altas do que o pensado anteriormente.”

Isto é uma indicação de que os pólos de Saturno se comportam de formas muito diferentes – não havia hexágono no topo das nuvens ou abaixo no pólo sul quando ele foi observado no início da missão durante o verão austral. O vórtex setentrional também está longe de ser tão maduro quanto o austral, sendo mais frio e exibindo dinâmica diferente.

“Isto poderia significar que existe uma assimetria fundamental entre os pólos de Saturno que ainda não entendemos ou poderia significar que o vórtex polar setentrional ainda estava se desenvolvendo e continuou após o fim da Cassini”, acrescentou Fletcher. A missão Cassini acabou com a entrada da sonda na atmosfera do planeta em setembro de 2017.

Compilação de observações do hexágono polar norte de Saturno observado pela Cassini e publicado em 2012, cobrindo até cerca de 70° N e levando em conta a rotação do planeta, colorido para realçar diferenças na composição e na estrutura da atmosfera; vermelhos são dados de infravermelho, verdes são infravermelho próximo e azuis são ultravioleta; a olhos humanos, o hexágono apareceria em tons de dourado e azul; a tempestade próxima ao centro da imagem tem cerca de 3.500km (NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University)

A presença de um hexágono na estratosfera setentrional, centenas de quilômetros acima das nuvens, sugere que há muito mais a aprender sobre a dinâmica em atuação na atmosfera de Saturno.

Uma única estrutura hexagonal gigante que se estende pela atmosfera seria improvável dado o fato que as condições de vento mudam consideravelmente com a altitude. Porém, investigando as propriedades atmosféricas na região setentrional, os pesquisadores também determinaram que fenômenos como o hexágono seriam incapazes de se propagar para cima – deveriam permanecer nos topos das nuvens, como pensado anteriormente.

“Uma forma pela qual ‘informação’ da onda pode vazar para cima é por um processo chamado evanescência, no qual a força de uma onda decai com a altura, mas é forte o bastante para persistir para a estratosfera”, explicou Fletcher. “Simplesmente precisamos saber mais. É bem frustrante que só descobrimos este hexágono estratosférico bem no fim da vida da Cassini.”

Compreender como e por que o vórtex polar setentrional assumiu uma forma hexagonal ajudará a explicar como fenômenos mais baixos na atmosfera podem influenciar o ambiente acima, algo de interesse particular de cientistas tentando entender como a energia é transportada em atmosferas planetárias.

Espera-se que a região polar norte de Saturno continue a se desenvolver nos próximos anos; o hemisfério norte teve o solstício de verão em maio de 2017 e terá o equinócio de outono em 2024.

“O hexágono setentrional de Saturno é uma característica icônica em um dos membros mais carismáticos do Sistema Solar. Estão, descobrir que ele ainda possui grandes mistérios é muito animador”, comentou Nicolas Altobelli, cientista de projeto da missão Cassini-Huygens na ESA.

“A espaçonave Cassini continuou a proporcionar novos insights e descobertas até o final. Sem uma espaçonave capaz como a Cassini, estes mistérios teriam permanecido inexplorados. Demonstra bem o que pode ser realizado por uma equipe internacional enviando um explorador robótico sofisticado a um destino previamente inexplorado – com resultados que continuam aparecendo mesmo quando a missão em sim acabou.”

O artigo A Hexagon in Saturn’s Northern Stratosphere Surrounding the Emerging Summertime Polar Vortex foi publicado na última segunda-feira (03/09/2018) na Nature Communications. O estudo foi parcialmente apoiado pelo Subsídio Consolidador do Conselho Europeu de Pesquisa.