800x823-pixel 212K JPG. Fuente: NASA/Marshall. " width="200"> Imagen de Júpiter tomada por el telescopio espacial Hubble con posibles patrones de convección perfilados en blanco. La línea de puntos representa el emplazamiento aproximado de la zona teórica de transición entre el hidrógeno neutral y el metálico en Júpiter. Enlace a 800x823-pixel 212K JPG. Fuente: NASA/Marshall.

¿Qué tienen en común los rápidos vientos de Júpiter con la circulación a paso de caracol de la roca líquida del interior de la Tierra? Que ambos son fluidos cuyos movimientos fueron simulados en el experimento “planetas en un tubo de ensayo” a bordo del Space Shuttle en 1985 y 1995.

Desde comienzos del siglo XX los científicos han utilizado recipientes giratorios llenos de líquido para simular el flujo de la atmósfera terrestre. En las últimas décadas los investigadores han venido utilizando de forma creciente avanzados ordenadores para simular atmósferas y núcleos de estrellas y planetas. Pero incluso estos modelos informáticos se han visto limitados por la complejidad de las ecuaciones que describen el movimiento de los fluidos en estos cuerpos.

Para complementar las simulaciones informáticas un grupo de científicos incorporó un modelo físico de laboratorio de estrellas y planetas al espacio, donde reinan las condiciones de ingravidez, y después le dio una gravedad radial artificial (que supone una atracción hacia el centro de la célula esférica) igual a la existente en estos cuerpos. |

Un importante descubrimiento indica que la circulación existente en el manto de la Tierra podría no ser la única que se originó cuando éste fue creado. Pequeñas variaciones en las condiciones iniciales de un experimento que simula el manto pueden llevar a diferentes ámbitos finales que parecen resistir ulteriores cambios.

343x187-pixel, 47K JPG. Fuente: Universidad de Colorado, Boulder." width="170"> Imagen de 16mm ampliada procedente del primer vuelo de la GFFC, que muestra patrones de flujo tal como se revelan a partir de los cambios en la densidad del aceite. Los números a cada lado dan cuenta de las condiciones del experimento. Enlaces a 343x187-pixel, 47K JPG. Fuente: Universidad de Colorado, Boulder.

'Un interesante descubrimiento es que se pueden obtener múltiples sistemas de flujo partiendo de las mismas condiciones externas tales como rotación y calor”, dice el Dr. John Hart de la Universidad de Colorado en Boulder. Él es el principal investigador de la GFFC, denominada por la NASA 'planetas en un tubo de ensayo', que ha volado un par de veces a bordo del Space Shuttle. Fue diseñada para imitar el clima y el interior de la Tierra, la atmósfera del Sol y las atmósferas de los planetas gaseosos gigantes. Los resultados fueron recientemente publicados en un Memorandum Técnico de la NASA .

La GFFC fue financiada a través del Marshall Space Flight Center (Centro de Vuelo Espacial Marshall) de la NASA como parte del Microgravity Research Program (Programa de Investigación de Microgravedad).

El primer vuelo de la GFFC en la misión Spacelab 3 (STS 51-B; 29 de Abril - 6 de Mayo, 1985) fue todo un éxito. Se realizaron más de 100 horas de experimentos y fueron grabadas 50.000 imágenes en 16mm. Éstas mostraban los ejemplos de estructuras de convección, inestabilidades y turbulencias que se esperaban en una coraza esférica giratoria llena de fluido sujeta a gravedad radial, a una serie de diferentes calentamientos y a condiciones de rotación.

Antes del vuelo 'había un interrogante acerca de si se podrían conseguir patrones de convección y distribuciones de viento que se asemejaran a las de un planeta gaseoso gigante”, recuerda Hart. La pregunta fue contestada con varias observaciones nuevas que incluían las “banana cells” (“células banana”), rápidas columnas giratorias formadas a medida que aumentaba el diferencial de calor.

Fred Leslie en su trabajo a bordo del USML-2. Fuente: NASA/Marshall

Algunos científicos creen que las 'banana cells' subterráneas son un rasgo clave en la estructura atmosférica de Júpiter. Muchos de estos fenómenos no fueron investigados de forma completa durante la misión Spacelab 3 a causa del tiempo limitado de los experimentos. Además, los científicos no podían observar los fenómenos mientras se desarrollaban – la GFFC utilizaba película de de 16mm en su primer vuelo- y por eso, no interactuaban con los experimentos.

'El primer vuelo del GFFC fue en cierto modo como llevar a cabo un experimento en un laboratorio con las luces apagadas” dice el Dr. Fred Leslie, un GFFC co-investigador que trabaja en el Science Directorate (Directorado de Ciencia) en NASA/Marshall. 'No teníamos pistas de cómo estaba respondiendo el fluido a los inputs. En el segundo vuelo, no sólo contamos con una cámara de video en tiempo real para observar los flujos, sino que también tuvimos una interfaz a través de la cual la tripulación pudo interactuar con el experimento”.

Los resultados del primer vuelo fueron lo bastante significativos como para justificar otro en el U.S. Microgravity Laboratory-2 (STS-73; Oct. 20-Nov. 5 1995). También aparecieron en la portada de la revista Science a finales de 1985.

Equipado ya con una cámara de TV para que los científicos pudieran observar y modificar los experimentos en tiempo real, la GFFC llevó a cabo 29 ejecuciones de 6 horas. Muchos de ellos fueron dirigidos por Leslie, que viajó como especialista de carga.
Enlaces en la web

Uno de los descubrimientos de la segunda misión fue que a largo plazo la evolución de flujos de convección de los caparazones esféricos que giran lentamente (quizás asemejándose a las condiciones del manto terrestre) depende de las condiciones iniciales.

'Incluso bajo las mismas circunstancias externas, como rotación y calentamiento, pequeñas variaciones en las condiciones iniciales al comienzo de un experimento pueden resultar en estados finales diferentes”, explica Hart. Las variaciones iniciales están causadas por factores aparentemente poco importantes como el inicio del experimento con un protocolo ligeramente diferente al de una ejecución anterior.

El descubrimiento confirmó una predicción realizada por el Dr. Tim Miller, un científico atmosférico del Global Hydrology and Climate Center (Instituto de Hidrología y Clima Global) de Huntsville y co-investigador de la GFFC.
'Diseñamos el experimento para estados de multi-equilibrio que descubrí por accidente en mis modelos informáticos”, explicó Miller. Un experimento de equilibrio único termina con patrones de flujo similares independientemente de cómo se comience. Un experimento con multi-equilibrio finaliza con diferentes estados dependiendo de cómo se dirige el experimento.

'En nuestro caso, conseguimos diferentes patrones de flujo dependiendo de si comenzábamos con una “gravedad” débil (el empuje electrostático en el aceite) y la aumentábamos”, dijo Miller, “o de si empezábamos con una fuerte y la hacíamos disminuir”. En algunos casos terminaban con los mismos patrones de flujo independientemente de dónde habían partido.

Un modelo informático posterior al vuelo y basado en los resultados de la GFFC, muestra un flujo con forma de herradura en una latitud alta – área alejada del ecuador-. De hecho, se trata de una discontinuidad en las “downwelling” (sumergencias o hundimientos) en latitudes medias donde las “upwelling” (corrientes surgentes o afloramientos) en latitudes inferiores y superiores se comunican.

Ambos patrones de flujo, tal como aparecen en el modelo de campos de temperatura procedentes de GEOSIM y definidos por medio de colores, son flujos de condiciones estables para los mismos parámetros experimentales. Fueron obtenidos utilizando diferentes condiciones iniciales en el modelo. Enlaces a 651x651-pixel, 217K GIF (izquierda) y 145K GIF (derecha). Fuente: Dr. Tim Miller, NASA/Marshall & GHCC.

'Una extrapolación de los resultados de la GFFC es que condiciones iniciales diferentes podrían haber llevado a una distribución distinta de los continentes”, prosigue Hart. 'Es especular, pero una investigación en más profundidad acerca de esta sensibilidad de los patrones convectivos de baja rotación a los cambios en las condiciones iniciales está justificada”.

'Uno puede preguntarse acerca de la relevancia de perturbaciones como estas en la formación de los continentes en el planeta Tierra”, dice Miller. “Las perturbaciones iniciales se intensifican por la inestabilidad natural asociada a estos sistemas de convección” continúa Hart. 'Los resultados son interesantes, porque suponen que la distribución de los rasgos de la superfície asociada a la convección podría no ser única” Se cree que en la Tierra, los continentes se mueven como respuesta a la continua presión del manto viscoso que existe bajo las placas continentales.

Otros resultados de la segunda misión incluyen:

· Estructuras agrupadas en atmósferas planetarias como las de Júpiter y Saturno no fueron vistas en la GFFC. 'Parece que para conseguir tantos flujos se precisarían condiciones experimentales muy por encima de las posibilidades de la GFCC, o quizás diferentes propiedades físicas de los fluidos”, sugiere Hart.

· Varios experimentos fueron realizados utilizando diferentes tasas de rotación y calor para clasificar los regímenes de convección global esperados de planetas y estrellas. Estas ejecuciones incluían la transición de la “banana convection” (“convección en forma de banana”) –orientada de norte a sur- a la convección no alineada.

· Los experimentos evidenciaron para ondas baroclínicas, una inestabilidad donde había frío, y densas masas de fluido que se deslizaban bajo el fluido caliente. Las ondas de la GFFC son interesantes porque combinan propiedades tanto de convección térmica ordinaria como de convección de rotación inclinada. La inestabilidad de esta última es primordial para la circulación de la atmósfera de la Tierra. Este suceso de inestabilidad combinada respalda recientes modelos informáticos.

· Otros experimentos con calor latitudinal mostraron cómo la onda espiral de convección se transformaba en turbulencia por las ramificaciones secundarias.

La cara experimental del proyecto GFFC ha terminado a medida que los científicos se han ido dedicando a otras tareas. Pero la historia podría no haber acabado.
'Puede obtenerse mucho más conocimiento científico a través de los datos y los modelos”, dice Miller. Esto incluye el Geophysical Fluid Flow Simulator (Simulador de Flujo de Fluidos Geofísicos), GEOSIM, que proporciona al usuario simulaciones tridimensionales y no-lineales del flujo de un fluido en dominios cilíndricos y esféricos. Aplicaciones potenciales incluyen dinámica atmosférica tanto de la Tierra como de otros planetas y transformaciones físicas.

Un planeta en un tubo de ensayo

La construcción de modelos físicos de la atmósfera data de comienzos del siglo XX. Los científicos llenaban recipientes con agua y con una sustancia visible cuyo movimiento podía ser rastreado y después los hacían girar para simular el flujo del aire alrededor de la Tierra. A pesar de que estos modelos daban una idea de los aspectos básicos de los flujos atmosféricos, tenían los mismos problemas que los mapas de la Tierra: transformaban un mundo esférico tridimensional en una distorsionada perspectiva rectangular.

Los superordenadores y después las estaciones de trabajo, ayudaron a paliar el problema en los sesenta y los setenta, pero también tenían límites. Esto fue lo que llevó a Hart a proponer un modelo a escala, la GFFC, en la que se podían simular determinadas partes de la circulación global del espacio, sin que la gravedad hiciese que los fluidos fríos se instalasen en el fondo, y los calientes se elevaran.

El corazón de la GFFC es de acero inoxidable recubierto de níquel, del tamaño de una bola de Navidad y está colocado bajo una cúpula sintética de zafiro. Entre ambos, el aceite de silicona desempeña el papel de la atmósfera de Júpiter o del Sol, o de la astenosfera – zona fundida del manto- de la Tierra, dependiendo de las condiciones experimentales.

El resto de la GFFC consistía en una plataforma giratoria con control de temperatura que volteaba el domo, y un complejo sistema óptico que tomaba imágenes de los patrones de flujo de los fluidos.

Finalmente, la GFFC utilizaba una carga eléctrica entre la esfera y el domo que actuaba como gravedad artificial y que atraía el aceite hacia el centro de tal forma que el fluido caliente y el frío circulasen desde la esfera metálica hacia el domo de zafiro y de regreso a aquélla. A medida que el domo rotaba, el equipo científico esperaba el establecimiento de patrones de circulación como los del interior de Júpiter, el Sol y la Tierra.

Dos técnicas ópticas permitieron a los científicos ver esos patrones de flujo. Las diferentes densidades entre el fluido caliente y el frío hicieron que éste actuara como una lente productora de sombras o brillos. Por otro lado, los fogonazos de una lámpara de rayos ultravioleta colocada tras un pequeño agujero oculto, provocaban el oscurecimiento de un pigmento fotosensible en el fluido. Las manchas resultantes acompañaban al flujo.

Los datos se tomaron con cámaras de 16mm que se transportaron en ambas misiones y con una cámara de estado sólido que se agregó en la segunda.