VLA Finds Megastorms on Saturn Disrupt Gas Giant’s Deep Atmosphere in Surprising Ways

• Study of Saturn’s deep troposphere reveals major storm-centric atmospheric disruptions.

A study of rare megastorms on Saturn using data from the National Science Foundation’s Karl G. Jansky Very Large Array has revealed disruptions in the distribution of ammonia gas in the planet’s deep atmosphere. The findings raise questions about just how different gas giants can be from each other, and challenge scientists’ understanding of how megastorms may form on planets other than Earth. The results of the study appear in Science Advances. 

• It takes radio eyes to see what these storms are doing to Saturn.

Megastorms occur approximately every 20-30 years and are similar to hurricanes on Earth, although significantly larger. But there is one major difference: on Earth hurricanes draw their energy from the underlying warm ocean. On Saturn hurricanes form without oceanic assistance. That led the team to wonder how weather patterns form on the gas giant, what energy is sustaining them, and what other unique mechanisms or outcomes result from them. To find out more about these giant storms, the team had to probe layers in the atmosphere below the clouds, which are invisible to the human eye. That’s why the team turned to the VLA. 

Imke de Pater, an astronomer at UC-Berkeley, and a co-author on the study, has been studying gas giants with the VLA for over four decades to better understand their composition and what makes them unique. “At radio wavelengths, we probe below the visible cloud layers on giant planets. Since chemical reactions and dynamics will alter the composition of a planet’s atmosphere, observations below these cloud layers are required to constrain the planet’s true atmospheric composition, a key parameter for planet formation models,” she said. “Radio observations help characterize dynamical, physical, and chemical processes including heat transport, cloud formation, and convection in the atmospheres of giant planets on both global and local scales.”

• Megastorms have put ammonia on the move.

With the power of radio to look beyond the clouds in the troposphere, the team found something surprising: anomalies in the concentration of ammonia gas in Saturn’s atmosphere, which they connected to the past occurrences of megastorms in the planet’s northern hemisphere. According to the team, the concentration of ammonia is lower at mid-altitudes in the atmosphere but has become enriched at lower altitudes. They believe that the ammonia is being transported from the upper to the lower atmosphere via the processes of precipitation and re-evaporation. What’s more, that effect can last for hundreds of years.

• Saturn is really nothing like Jupiter after all and that could have implications for future research.

The study further revealed that although both Saturn and Jupiter are both made of hydrogen gas, the two gas giants are remarkably dissimilar. While Jupiter does have tropospheric anomalies, they have been tied to its zones— whitish bands— and belts— darkish bands, and are not caused by storms like they are on Saturn. This considerable difference between these neighboring gas giants is challenging what scientists know about the formation of megastorms on gas giants and other planets and may inform how they’re found and studied on exoplanets in the future. 

Cheng Li, an astronomer at the University of Michigan-Ann Arbor, and the lead author of the study said, “Understanding the mechanisms of the largest storms in the Solar System puts the theory of hurricanes into a broader cosmic context, challenging our current knowledge and pushing the boundaries of terrestrial meteorology.” 

Resources

“Long lasting, deep effect of Saturn’s giant storms,” Li, C. et al, 2023. Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adg9419

About NRAO

The National Radio Astronomy Observatory (NRAO) is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

SPANISH TRANSLATION

FICHA DE ANUNCIOS/ALERTAS DE INVESTIGACIÓN

Datos de VLA revelan que megatormentas en Saturno provocan sorprendentes perturbaciones en atmósfera profunda de gigante gaseoso

1. Estudio de troposfera profunda revela grandes perturbaciones atmosféricas en tormenta.

Un estudio sobre megatormentas raras en Saturno realizado a partir de datos del Karl G. Jansky Very Large Array de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos reveló irregularidades en la distribución del gas de amoníaco en la atmósfera profunda del planeta. El hallazgo plantea nuevos interrogantes sobre cuán diferentes pueden ser los gigantes gaseosos y pone en tela de juicio los conocimientos de la comunidad científica sobre la manera en que se forman las megatormentas en planetas distintos de la Tierra. Los resultados de este estudio se publicaron en la revista Science Advances.

2. Se necesitan ojos de radio para ver lo que estas tormentas le hacen a Saturno.

Las megatormentas se producen cada 20 a 30 años, aproximadamente, y son similares a los huracanes observados en la Tierra, aunque mucho más grandes. No obstante, hay una gran diferencia: la energía de los huracanes terrestres proviene de aguas tibias de los océanos, mientras que en Saturno los huracanes se forman sin que medie el factor oceánico. Esto llevó al equipo de investigación a preguntarse cómo se producen los fenómenos climáticos en el gigante gaseoso, qué energía usan y qué otros mecanismos únicos o resultados generan. Para entender mejor estas enormes tormentas, el equipo usó el VLA para estudiar las capas atmosféricas que se encuentran debajo de las nubes, puesto que son invisibles para el ojo humano.

Imke de Pater, astrónoma de UC-Berkeley y coautora del estudio, lleva más de cuatro decenios estudiando gigantes gaseosos con el VLA para entender mejor su comprensión y sus características únicas. “En longitudes de onda de radio, podemos observar las capas subyacentes a las nubes visibles de los planetas gigantes. Como las reacciones químicas y las dinámicas alteran la composición atmosférica de los planetas, las observaciones realizadas debajo de esas capas son necesarias para determinar la verdadera composición atmosférica, que constituye un parámetro clave en los modelos de formación planetaria”, explica. “Las radioobservaciones ayudan a determinar las características dinámicas y físicas y los procesos químicos, incluida la transferencia de calor, la formación de nubes y la convección en las atmósferas de los planetas gigantes tanto a escala global como local”.

3. Las megatormentas han puesto el amoníaco en movimiento.

Gracias a la capacidad de las observaciones de radio para atravesar las nubes de la troposfera, el equipo hizo un hallazgo sorprendente, tras detectar anomalías en la concentración del gas de amoníaco en la atmósfera de Saturno, que parecen estar relacionadas con megatormentas ocurridas en el pasado en el hemisferio norte del planeta. Según las observaciones, la concentración de amoníaco es más baja en altitudes medias en la atmósfera, pero aumenta a medida que disminuye la altitud. Según el equipo científico, el amoníaco está siendo desplazado de la parte superior a las capas inferiores de la atmósfera mediante fenómenos de precipitación y reevaporación. Y el proceso puede durar cientos de años.

4. Saturno es muy diferente de Júpiter al fin y al cabo, y podría haber consecuencias para las investigaciones futuras.

El estudio reveló que, si bien tanto Saturno como Júpiter están hechos de gas de hidrógeno, los dos gigantes gaseosos son considerablemente disímiles. Mientras Júpiter presenta anomalías troposféricas, dichas anomalías parecen estar relacionadas con sus zonas (franjas claras) y cinturones (franjas oscuras), en vez de ser causadas por tormentas, como sucede en Saturno. Esta gran diferencia entre estos vecinos gaseosos pone en entredicho lo que la comunidad científica sabe acerca de la formación de megatormentas en gigantes gaseosos, entre otros tipos de planetas, y podrían incidir en la forma en que estos fenómenos se detectan y estudian en el futuro.

Cheng Li, astrónomo de la Universidad de Michigan-Ann Arbor y autor principal del estudio, señala: “Entender los mecanismos de las tormentas más grandes del Sistema Solar permite situar la teoría de los huracanes en un contexto cósmico más amplio. Esto pone en tela de juicio nuestros conocimientos actuales y amplía las fronteras de la meteorología terrestre”.

Recursos

“Long lasting, deep effect of Saturn’s giant storms” (‘Efecto duradero de las tormentas gigantes en las profundidades de Saturno’) Li, C. et al., 2.023. Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adg9419

Acerca de NRAO

El Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO) es un establecimiento de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos operado por Associated Universities Inc. en virtud de un acuerdo de cooperación.

Leyendas y créditos

Título: Saturno en luz de radio

Leyenda: En las observaciones ópticas, la atmósfera rayada de Saturno parece cambiar sutilmente de un color a otro. Sin embargo, en la ondas de radio, la naturaleza discreta de estas franjas sale a la luz. Gracias a los datos del VLA, el equipo de investigación entendió mejor la distribución del amoníaco en la atmósfera del gigante gaseoso y llegó a la conclusión de que las megatormentas desplazan el amoníaco de la parte superior a la parte inferior de la atmósfera.

Créditos: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF), I. de Pater et al. (Berkeley)

Título: Imagen compuesta de Saturno con datos de Cassini y del VLA

Leyenda: Esta imagen compuesta superpone datos del VLA a una imagen de Saturno obtenida por Cassini para proporcionar un panorama exhaustivo del amoníaco que se desplaza por la atmósfera del gigante gaseoso.

Créditos: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF), I. de Pater et al. (Berkeley)

Título: Acercamiento de Saturno en luz óptica y de radio

Esta imagen compuesta de Saturno muestra datos del VLA superpuestos a un acercamiento de Saturno obtenido por Cassini. En ella se aprecia la atmósfera del planeta con gran nivel de detalle.

Créditos: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF), I. de Pater et al. (Berkeley)