O anão que esconde os movimentos do gigante

Num gigante gasoso, coberto por uma espessa camada de nuvens, as imagens vão mostrar sobretudo a dinâmica das nuvens, não permitindo inferir com exactidão o período de rotação do interior do planeta. Os gigantes gasosos possuem no entanto campos magnéticos relativamente poderosos, e fenómenos relacionados com esses campos magnéticos produzem emissões esporádicas e periódicas de ondas rádio. Em planetas como Júpiter, Úrano e Neptuno a periodicidade dessas emissões é usada como indicador do período de rotação interno desses planetas. Em Saturno as Voyager descobriram nos anos 1980 emissões rádio muito intensas, com comprimentos de onda da ordem do quilómetro, que na altura apresentavam uma modulação de 10 horas, 39 minutos, e 24 ± 7 segundos, valor que passou a ser aceite como o período de rotação de Saturno. Só que as sondas espaciais Ulysses e a Cassini verificaram depois que este período apresentava variações da ordem de 1% em escalas de tempo de alguns anos. Isto levanta um problema, pois a gigantesca inércia do planeta não permitiria variações desta ordem em intervalos de tempo tão curtos. É aí que entra a influência daquela lua pequenina que se pode ver nesta imagem. [... ler mais]

Aquela coisa que parece insignificante face a Saturno, é Encélado, um cliente antigo neste blog, que dedicou já várias contribuições às suas famosas listras de tigre, e aos seus famosos géiseres que expelem gelo e vapor de água em quantidades significativas. Para refrescar a memória aos mais esquecidos, ou para elucidar os novos leitores, as contribuições anteriores podem ser consultadas aqui e aqui.

O inesperado efeito de Encélado nas nossas determinações da duração do dia em Saturno é explicado por Gurnett e colegas num artigo recente na Science (ref1). Numa tradução livre do resumo do artigo de Gurnett e colegas:

Mostramos que o plasma e os campos magnéticos das regiões internas do disco de plasma de Saturno possuem uma rotação em sincronia com o período de modulação da emissão rádio quilométrica de Saturno, que varia no tempo. Esta relação sugere que a modulação no rádio tem as suas origens na região interior do disco de plasma, muito provavelmente a partir de uma instabilidade convectiva gerada centrifugamente e um afluxo de plasma para o exterior que desliza lentamente em fase relativamente ao período de rotação interna de Saturno. A taxa deste deslizamento é determinada pelo acoplamento electrodinâmico do disco de plasma de Saturno e pela força de atrito exercida pela sua interação com o toro de gás neutro de Encélado.

Este resumo pode parecer um pouco confuso, mas o corolário é simples: as modulações da emissão de rádio provêm de um anel exterior de plasma , que orbita em torno de Saturno, e cujo período de rotação é afectado pelo gás emitido por Encélado. Para aqueles que pretendam compreender melhor a coisa, é preciso fazer uma pequena incursão pela física de plasmas. Não se preocupem, vou tentar fazer isto da forma menos dolorosa possível e sem recurso a equações. Se preferirem podem ir logo para a última frase do último parágrafo.

Como referi no início, Saturno tem um campo magnético, que se assume estar perfeitamente alinhado com o eixo de rotação, ou seja os pólos norte e sul definidos pela rotação do planeta são também os pólos magnéticos. Para lá dos famosos anéis, Saturno possui ainda aquilo que se chama um anel interior de plasma. Um plasma é um gás electrificado, ou seja formado por partículas com carga eléctrica não nula, electrões e iões. Na presença de um campo magnético, as partículas electrificadas são obrigadas a espiralar em torno das linhas de de força desse campo magnético, pelo que estão de certa forma confinadas e seguem as movimentações do campo magnético. A velocidade de rotação do plasma é por sua vez suficientemente elevada para que a força centrífuga, seja bastante superior à atracção gravítica do planeta concentrando assim o plasma num disco na região equatorial de Saturno.

Segundo o que Gurnett e colegas discutem no seu artigo, a presença de Encélado baralha bastante as coisas, no que se refere à periodicidade das movimentaçs deste anel de plasma. O material expelido por Encélado é originalmente neutro, ou seja encontra-se sob a forma de átomos e moléculas, e forma um toro (algo com a forma de um donut) correspondente à órbita dessa lua. O material neutro não é afectado pelos campos magnéticos, só que o gás no toro vai sendo lentamente ionizado, e passa então a ficar sob a acção dos campos magnéticos ligados a Saturno. As coisas estão esquematizadas na imagem abaixo, que mostra uma visão para um observador acima do pólo norte de Saturno:

A amarelo mostram-se os trajectos correspondentes ao fluir do plasma. A passagem do fluxo de plasma longo do toro de Encélado significa um progressivo aumento da densidade: o material recém ionizado é "apanhado" e arrastado no fluir do material pré-existente. Como consequência dessa variação de densidade formam-se e mantêm-se duas células convectivas no disco de plasma, com padrões de circulação organizados. O processo em si é algo complicado, e sem fórmulas terei que ficar por aqui. Falo nisso apenas porque a imagem que ilustra o processo é particularmente bonita.

O afluxo contínuo de novo material proveniente de Encélado pesa de tal forma no campo magnético que o atrasa em relação ao movimento de rotação do planeta. Ou seja, a entrada regular de novo plasma no sistema provoca um desfasamento entre as propriedades de rotação do disco de plasma e do planeta. Como a expulsão de material por Encélado não é constante, este modelo explica as irregularidades nos períodos da emissão quilométrica de Saturno. Claro que esta não é necessariamente a palavra final nesta questão, mas é bastante interessante. A moral da história é que o período de rotação do interior de Saturno permanece um mistério.

Ficha técnica
Imagem de Encélado retirada desta página da NASA.

Referências
(ref1) D. A. Gurnett, A. M. Persoon, W. S. Kurth, J. B. Groene, T. F. Averkamp, M. K. Dougherty, and D. J. Southwood (2007). The Variable Rotation Period of the Inner Region of Saturn's Plasma Disk. Science 316, 442. Laço DOI.