¿Por qué Júpiter está tan definido?

Question

En fotografías de Júpiter, la extremidad parece extremadamente definida . Al ser un gigante gaseoso, mi ingenuo yo piensa que la atmósfera debería tener un corte más gradual, creando un efecto de bruma similar al de Titán. Soy consciente del inmenso tamaño de Júpiter, por lo que cada píxel de la fotografía enlazada es probablemente de decenas o cientos de kilómetros. Aun así, ¿no habría alguna pequeña mancha? ¿Acaso la tremenda gravedad de Júpiter tiene algún efecto sobre el borde aparente de su atmósfera?

Answer 1

Su primera inclinación es correcta. Es una cuestión de escala. Júpiter es ENORME. Me resisto a citar a Douglas Adams, pero el cerebro humano no está preparado para lidiar con ese tipo de dimensiones. Añade a eso la distancia desde la que se tomó esa fotografía. En realidad, en esa foto se está más allá de la órbita de la luna Io, por lo que la escala estará aún más desviada de lo habitual.

Al observar la fotografía concreta que has colgado, es posible que también haya habido algunos efectos de posprocesamiento en cuanto al color y la claridad (debido a algunos efectos de pixelación en el limbo), aunque en este caso quizá tenga que alegar cierta ignorancia. Sin embargo, se han realizado experimentos en los que la sonda Galileo observó realmente una estrella al pasar por el limbo de Júpiter, y midió la extensión atmosférica. No puedo encontrar ese experimento exacto, pero aquí hay una toma de UV que de nuevo parece bastante definida, hasta que te das cuenta de las distancias con las que estás tratando .

Fuente de la imagen: NASA

Las imágenes, que muestran el limbo entre los 60,6 grados y 62,2 grados de latitud norte (planetaria) y cerca de los 295 grados de longitud oeste, se obtuvieron el 20 de diciembre de 1996, hora universal. La nave se encontraba a unos 1.561.000 km (21,8 radios jovianos) del limbo de Júpiter y la resolución es de unos 16 kilómetros por elemento de imagen.

Esta imagen muestra algunos aparentemente neblina, pero sólo tengo algunos detalles sobre ella (es decir, la imagen de New Horizon, cortesía de la NASA, publicada en el Boston Globe). No tengo ni idea de la longitud de onda ni de otros parámetros.

Así que, de nuevo, nuestra escala de perspectiva se desvía debido al enorme tamaño del planeta.

Answer 2

[Gran respuesta, Larian. Sólo quería añadir un poco].

Algunos gráficos que no pasaron el corte para este documento muestran la densidad de una esfera autogravitatoria en equilibrio hidrostático en función del radio. Un rasgo definitorio de las ecuaciones que determinan la estructura de una esfera fluida como Júpiter (o las estrellas, enanas blancas, estrellas de neutrones, etc.) es que la presión y la densidad se mantienen relativamente estables durante un tiempo y luego exhiben este choque a cero.

Con la advertencia de que hay que estar preparado para evaluar palabras como "grueso", "fino", "rápido" y "choque" en escalas no humanas, como mencionó Larian, el choque con la presión y la densidad cero es bastante rápido en el sentido de que ocurre dentro de una capa superior muy fina de la esfera.

EDIT: ¡Ahá! Pero uno de ellos lo hizo en este papel . Véase la figura 8, línea en negrita.

Answer 3

Independientemente de cuestiones como el procesamiento de la imagen, etc., es de esperar que el limbo de Júpiter se vea nítido porque su mayor radio, su alta gravedad y su baja temperatura hacen que tenga una altura de escala atmosférica muy pequeña en comparación con su radio.

Podemos hacer la aproximación muy aproximada de una atmósfera isotérmica, en la que la altura de escala exponencial de la atmósfera sería $$ h \sim \frac{k_B T}{\mu g}\, ,$$ donde $g$ es el campo gravitatorio, $\mu$ es la masa media de una partícula y $T$ es la temperatura (en Kelvin).

Es decir, la presión/densidad de la atmósfera cae exponencialmente, con una altura de plegado e dada por la expresión anterior.

Supongo que lo que importa cuando se mira una foto, es cómo se compara esta altura con el radio del planeta. $$ \frac{h}{R} \sim \frac{k_B T}{\mu g R}$$

La atmósfera de Júpiter tiene aproximadamente la mitad de temperatura que la de la Tierra, tiene 11 veces el radio y 3 veces la gravedad "superficial". Sin embargo, $\mu$ es unas diez veces menor (hidrógeno frente a nitrógeno/oxígeno). En general, esto significa que $h/R$ para Júpiter es del orden de 5 veces menor que para la Tierra, por lo que aparecerá más "nítido" que el limbo de la Tierra en imágenes equivalentes.

Poniendo algunos números: $T \sim 130$ K, $g\sim 25$ m/s $^2$ , $R\sim 7\times 10^7$ m y $\mu\sim 2m_u$ obtenemos $h/R \sim 3\times 10^{-4}$ .

Así, si la imagen de todo el planeta tiene unos 2.000 píxeles de ancho, la altura de la escala atmosférica es inferior a un píxel.