7 Mar / 2015

Urano: Un gigante anómalo

Introducción: Todo parecía normal…

Urano, un planeta gigante (junto con Júpiter, Saturno y Neptuno), séptimo en distancia al Sol y tercero en tamaño del Sistema Solar. Sin embargo, Urano, detrás de su imagen de cuerpo sin detalles relevantes, constituye una auténtica excepción. Se trata del primer planeta “moderno” (entendido desde el punto de vista de no ser conocido en la antigüedad) y fue descubierto en 1781 por el astrónomo William Herschel. Inicialmente Herschel propuso como nombre Georgium Sidus en honor a su Rey Jorge III, aunque se impuso finalmente el criterio (propuesto por Bode) más acertado de llamarle Urano, padre de Saturno. Se trata de un cuerpo fácil de observar incluso con prismáticos, al tener una magnitud inferior a la +6,0, sin embargo constituye uno de los misterios de nuestro Sistema Solar.

Características orbitales: La cosa se complica

Urano, que se encuentra a una distancia media de 19 UA (Unidades Astronómicas), presenta una característica que le hace especial: su eje polar está inclinado unos 90º, de modo que su eje de rotación está prácticamente contenido en el plano de su órbita alrededor del Sol. Aún no se sabe la causa de semejante irregularidad, pero algunas teorías apuntan a una colisión de Urano contra un gran cuerpo hace miles de millones de años.

La órbita, cuya distancia media al Sol es de 19,18 UA, presenta una muy baja excentricidad, de tan solo 0,047, siendo prácticamente circular. Durante el perihelio llega a ser de 18,30 UA mientras que en el afelio es de 20,10 UA. Tiene un periodo de revolución alrededor del Sol de 84,01 años y un periodo de rotación de 17 horas y 14 minutos.

Estructura de Urano: Gigante de hielo

Si bien Urano es un planeta gigante como Júpiter, Saturno y Neptuno, no se puede decir que sea un gigante gaseoso. Júpiter y Saturno son denominados gigantes gaseosos. Sin embargo, Urano y Neptuno son denominados gigantes de hielo. Veamos el motivo mediante el análisis de la estructura de Urano como planeta.

Urano es un planeta con un diámetro de 52.700 kilómetros y una densidad de 1,15 veces la del agua. En la parte más interna se encuentra un núcleo de roca, que se extiende cerca de un 20% del radio del planeta. El núcleo tiene una densidad de 9 g/cm3, a una presión de 8.000.000 bares y a 5000K de temperatura. Inmediatamente después se encuentra un manto de hielos que se extiende un 60% del radio del planeta. Este manto, es un fluido denso y caliente, de agua y amoniaco en forma de hielo. Dada la gran extensión de este manto de hielo, Urano es denominado gigante de hielo. Finalmente, por encima del manto está una atmósfera principalmente compuesta de hidrógeno y helio.

El problema de la radiación del calor interno: ¿Donde está?

Otro dolor de cabeza para los astrónomos es explicar el motivo por el cual, Urano irradia menos calor desde su interior al exterior de lo que recibe del Sol, y esto es diferente a lo que hace el resto de planetas gigantes. Una primera teoría que trata de explicarlo indica que pudo emitir dicho calor mucho antes que otros cuerpos como por ejemplo Júpiter (aunque se desconoce cómo). Una segunda teoría apunta a que el calor está confinado en una capa atmosférica que bloquea el transporte del calor de dentro hacia el exterior.

Las estaciones en Urano: ¡Que invierno más largo!

A diferencia de la Tierra, donde sus estaciones ocurren debido a la luz solar recibida y a la inclinación del eje de rotación, en Urano las estaciones vuelven a ser una sorpresa. Urano recibe poca luz, su eje de rotación esta “tumbado” y además tarda 84 años en completar una órbita alrededor de Sol. Todo esto crea un sistema de estaciones poco deseable para aquel que eligiese este planeta como residencia permanente. Cada estación dura 21 años, de modo que:
– En 1986 ocurrió el solsticio de verano en el hemisferio sur y el solsticio de invierno en el norte.
– En 2007 ocurrió el equinoccio de otoño.
– En 2028 ocurrirá el solsticio de invierno en el hemisferio sur y el solsticio de verano en el verano.
– En 2049 ocurrirá el equinoccio de primavera.

Por este motivo, actualmente las regiones ecuatoriales están a recibir luz en una cantidad similar a la recibida por el hemisferio sur hasta ahora, y el hemisferio norte por primera vez en décadas comienza a recibir la luz solar directamente. Esto es de gran importancia observacional. Actualmente se están prestando grandes esfuerzos para ver como sucede en la atmósfera esta transición. Los primeros resultado muestran que entre ambos hemisferios hay gran diferencia en las nubes formadas en al atmósfera alta, la aparición en el hemisferio norte de bandas y nubes brillantes en el infrarrojo, mientras que el hemisferio sur aparece brillante en longitudes de onda de radio.

La atmósfera: No te confíes, no tiene nada de tranquila…

La atmósfera de Urano está compuesta en un 80% de hidrógeno, un 15% de helio y un 3% de metano (el resto está constituido por trazas de hidrocarburos y otros elementos). Hasta aquí todo parece normal. Incluso aburrido a la vista de las imágenes que envío la Voyager desde tan lejos. Parece tener una atmósfera homogenea, “lisa”, carente de rasgos interesantes. Pero esto no es así, y aquí comienza otro quebradero de cabeza para aquellos que han decidido investigar este cuerpo.
La atmósfera muestra un color verde-azulado debido al metano, que absorbe la luz roja y refleja estos tonos. Sin embargo la primera sorpresa vino en los años sesenta cuando se comenzó a observar el planeta con radiotelescopios. Mediante radiotelescopios podemos observar capas atmosféricas más profundas que en longitudes de onda visible, y aquí surgió una gran sorpresa. La aparente calma superficial no era tal en capas más profundas: presentaba cambios muy rápidos, de año en año, o incluso en periodos menores.

Se pensó que podrían ser cambios estacionales, pero presenta dos problemas graves aceptar tal idea (¡y no podemos aceptar crear dos problemas nuevos para solucionar otro!). El primer problema que presenta es que a tal distancia del Sol, la luz que llega al planeta es muy poca y tiene poca penetración a través de la atmósfera. El segundo problema es que una estación en Urano dura 21 años.
La atmósfera de Urano está compuesta de tres capas: troposfera, estratosfera y termosfera. La troposfera es la capa más interior y su vez la más densa, compuesta principalmente de amoniaco, metano y diversos sulfuros. Tiene un espesor de 350 kilómetros y en ella varía la temperatura de 320K a 60K. Esta atmósfera es muy dinámica y con vientos muy fuertes, como que no se puede sospechar en base a las observaciones de la atmósfera superior (a contra de como muestran otros planetas como Júpiter). La región superior de la troposfera, denominada tropopausa, es la responsable de la emisión en infrarrojo lejano detectada.

La capa intermedia de denomina estratosfera. Tiene un espesor de unos 4000 kilómetros y sufre una variación de temperatura de 60K en su zona más profunda a los 850K en la zona más externa. Este aumento de temperatura se debe principalmente a la absorción por parte de metano de la radiación solar en ultravioleta e infrarrojo. Y esta capa es justamente la “culpable” de la imagen apacible del planeta. De los hidrocarburos existentes en esta capa, el etano y el acetileno se condensan en la zona más fría (zona más interna) creando una bruma que confiere al planeta un aspecto exterior de “paz y calma” al ocultarnos la verdadera actividad que ocurre en la troposfera.

Finalmente, la capa más externa, llamada termosfera, la temperatura es de 850K y esta compuesta por hidrógeno molecular (principalmente) e hidrógeno atómico. Y aquí aparece otro misterio. No se sabe como es posible dicha temperatura con la baja radiación ultravioleta que recibe el planeta desde el Sol. Dentro de la termosfera, y en la parte más externa de la estratosfera, se encuentra la ionosfera de Urano.

En la alta atmósfera se distinguen dos tipos de regiones. Por un lado la región polar y por otro bandas ecuatoriales oscuras. No obstante, nuevamente presenta grandes irregularidades. Hasta 2007 los rasgos más destacados eran una región polar muy brillante y una banda ecuatorial llamada collar meridional, situada entre -45º y -50º. Ambos rasgos situados en el hemisferio sur. Sin embargo la situación comenzó a cambiar en 2007 al llegar el equinoccio, momento en el cual comenzó a desaparecer el collar meridional y a surgir uno en el hemisferio norte, a una latitud de +45º.
También los vientos tienen su peculiaridad. En el ecuador los vientos son retrógrados (en dirección contraria a la rotación planetaria) con velocidades entre 50 y 100 m/s. En la latitud (tanto norte como sur) se anulan, y a partir de dicha latitud hacia los polos son vientos progrados y comienza a crecer su velocidad, alcanzando un máximo a 60º de latitud, con velocidades superiores a los 200 m/s. Finalmente en los polos se anulan nuevamente.

Anillos: De tal palo, tal astilla…

En la mitología, Urano es el padre de Saturno. Y Saturno como hijo de Urano, ha heredado los anillos.
Efectivamente, Urano también tiene anillos al igual que Saturno. Si bien no solamente Urano y Saturno tienen anillos (también los tienen Júpiter y Neptuno), los de Urano fueron los segundos en ser descubiertos (En 1977). Se trata de un sistema de 13 anillos de muy poco espesor (algunos de tan solo unos pocos kilómetros) compuestos de partículas muy oscuras con tamaños hasta 20 metros. Probablemente sean los restos de un satélite.

Campo magnético: No uses brújulas en Urano

Otra anomalía de este gran planeta: su campo magnético. Alguien pensará que está inclinado 90º como el eje del planeta. ¡Pues no! Está inclinado 59º con respecto al eje de rotación. Usar una brújula en este planeta sería una garantía de perdernos. Además la magnetosfera es muy asimétrica, con una intensidad muy variable según el punto elegido. Así por ejemplo en el sur es de 0,1 Gauss, en el norte 1,1 Gauss y a nivel de superficie 0,23 Gauss. En la Tierra el valor medio es 0,5 Gauss. La magnetopausa se sitúa a una distancia de 18 radios del planeta. Visto todo esto, alguien pensaría que la magnetocola sería también anómala. ¡Pues ha vuelto a fallar! La magnetocola es tal y como se esperaba que fuese.

Satélites: Shakespeare en los confines del Sistema Solar

Urano tiene 27 satélites, de los cuales 22 son pequeños cuerpos. Sin embargo cinco de ellos son importantes: Oberón y Titania descubiertos por Herschel en 1787, Ariel y Umbriel descubiertos por Lasell en 1851, y Miranda descubierta en 1948. Estos satélites reciben nombre de personajes de obras de Shakespeare y de A. Pope.
Como no, orbitando Urano, alguna “rareza” tenían que tener. Todos ellos con coplanares al ecuador de Urano. Dicho con otras palabras, orbitan perpendiculares al plano de revolución del planeta alrededor del Sol.
Conclusión
Desde luego, y es opinión personal, un cuerpo en apariencia, tan aburrido como Urano, resulta ser uno de los cuerpos más sorprendentes del Sistema Solar (aunque cada poco tiempo, las sondas planetarias nos dan una nueva sorpresa en algún nuevo mundo estudiado). Puede ser que su aparentemente apacible atmósfera, nos enseñe muchas más cosas sobre la dinámica atmosférica de lo que esperábamos.

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