Simulaciones atmosféricas 3D ilustran cómo un planeta es habitable

20/10/2017

Los modelos anteriores simularon las condiciones atmosféricas a lo largo de una dimensión, la vertical.

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Una nueva investigación de la NASA, basada en simulaciones 3D, está ayudando a refinar la comprensión de los planetas candidatos más allá de nuestro sistema solar con capacidad para albergar vida.

"Usando un modelo que simula de manera más realista las condiciones atmosféricas, descubrimos un nuevo proceso que controla la habitabilidad de los exoplanetas y nos guiará en la identificación de candidatos para un estudio más profundo", dijo Yuka Fujii del Instituto Goddard de Estudios Espaciales (GISS) de la NASA y el Instituto de Ciencias de la Tierra-Vida del Instituto de Tecnología de Tokio, autor principal de un artículo sobre la investigación publicado en el Astrophysical Journal.

Los modelos anteriores simularon las condiciones atmosféricas a lo largo de una dimensión, la vertical. Al igual que otros estudios de habitabilidad recientes, la nueva investigación utilizó un modelo que calcula las condiciones en las tres dimensiones, lo que permite al equipo simular la circulación de la atmósfera y las características especiales de esa circulación, que los modelos unidimensionales no pueden hacer. El nuevo trabajo ayudará a los astrónomos a asignar el escaso tiempo de observación a los candidatos más prometedores para la habitabilidad.

El agua líquida es necesaria para la vida tal como la conocemos, por lo que la superficie de un mundo extraño (por ejemplo, un exoplaneta) se considera potencialmente habitable si su temperatura permite que el agua líquida esté presente durante un tiempo suficiente (miles de millones de años) para permitir que la vida prospere.

Si el exoplaneta está demasiado lejos de su estrella madre, será demasiado frío y sus océanos se congelarán. Si el exoplaneta está demasiado cerca, la luz de la estrella será demasiado intensa, y sus océanos eventualmente se evaporarán y se perderán en el espacio. Esto sucede cuando el vapor de agua sube a una capa en la atmósfera superior llamada estratosfera y se rompe en sus componentes elementales (hidrógeno y oxígeno) por la luz ultravioleta de la estrella. Los átomos de hidrógeno extremadamente ligeros pueden escapar al espacio. Se dice que los planetas en el proceso de perder sus océanos de esta manera entraron a un estado de "invernadero húmedo" debido a su estratosfera húmeda.

Para que el vapor de agua suba a la estratosfera, los modelos previos predijeron que las temperaturas de la superficie a largo plazo debían ser mayores que las experimentadas en la Tierra, más de 66 grados Celsius. Estas temperaturas alimentarían intensas tormentas convectivas; sin embargo, resulta que estas tormentas no son la razón por la que el agua llega a la estratosfera para que los planetas que giran lentamente entren en un estado de invernadero húmedo.

"Encontramos un papel importante para el tipo de radiación que emite una estrella y el efecto que tiene en la circulación atmosférica de un exoplaneta al hacer el estado de invernadero húmedo", dijo Fujii. Para los exoplanetas que orbitan cerca de sus estrellas principales, la gravedad de una estrella será lo suficientemente fuerte como para frenar la rotación de un planeta. Esto puede hacer que se bloquee, con un lado siempre mirando a la estrella, dándole un día eterno, y el otro hacia fuera, dándole la noche eterna.

Cuando esto sucede, se forman nubes espesas en el lado diurno del planeta y actúan como una sombrilla para proteger la superficie de gran parte de la luz de las estrellas. Si bien esto podría mantener al planeta frío y evitar que el vapor de agua suba, el equipo descubrió que la cantidad de radiación infrarroja cercana (NIR) de una estrella podría proporcionar el calor necesario para hacer que un planeta entre al estado de invernadero húmedo. NIR es un tipo de luz invisible para el ojo humano. El agua como vapor en el aire y las gotitas de agua o los cristales de hielo en las nubes absorben fuertemente la luz NIR, calentando el aire. A medida que el aire se calienta, sube, transportando el agua hacia la estratosfera donde crea el invernadero húmedo.

Este proceso es especialmente relevante para los planetas alrededor de estrellas de baja masa que son más fríos y mucho más tenues que el Sol. Para ser habitable, los planetas deben estar mucho más cerca de estas estrellas que nuestra Tierra para el Sol. En un rango tan cercano, estos planetas probablemente experimenten fuertes mareas desde su estrella, haciendo que giren lentamente. Además, cuanto más fría es una estrella, más NIR emite.

El nuevo modelo demostró que, dado que estas estrellas emiten la mayor parte de su luz a longitudes de onda NIR, un estado de invernadero húmedo resultará incluso en condiciones comparables o algo más cálidas que los trópicos de la Tierra. Para los exoplanetas más cercanos a sus estrellas, el equipo descubrió que el proceso impulsado por NIR aumentaba la humedad en la estratosfera gradualmente. Entonces, es posible, contrariamente a las predicciones del modelo anterior, que un exoplaneta más cercano a su estrella madre pueda seguir siendo habitable.

Esta es una observación importante para los astrónomos que buscan mundos habitables, ya que las estrellas de baja masa son las más comunes en la galaxia. Sus cifras aumentan las probabilidades de que se encuentre un mundo habitable entre ellos, y su pequeño tamaño aumenta la posibilidad de detectar señales planetarias.

El nuevo trabajo ayudará a los astrónomos a seleccionar a los candidatos más prometedores en la búsqueda de planetas que podrían apoyar la vida. "Mientras sepamos la temperatura de la estrella, podemos estimar si los planetas cercanos a sus estrellas tienen el potencial de estar en el estado de invernadero húmedo", dijo Anthony Del Genio de GISS, un coautor del artículo.

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