Fuerzas de marea y transferencia de calor en satélites jovianos

Los satélites jovianos

Imagínese parado en una cabaña de troncos en medio de la nada, en pleno invierno. En la cabaña de troncos hay una fuente de calor: una lámpara de calor. Sabes que cuanto más cerca estés de esta lámpara de calor, más cálido estarás. Cuanto más lejos esté de esta lámpara de calor, más frío estará. Lógicamente, pensarías que las lunas que están más lejos del sol (la lámpara de calor) deben ser mundos fríos, muertos y aburridos. Pero la lógica a veces debe dejarse de lado en los complejos mundos de la fisiología y la astronomía. Es posible que tenga más frío cuanto más lejos esté de una lámpara de calor, pero no está muerto, por lo que en realidad produce calor internamente y, por lo tanto, está al menos algo caliente.

Lo mismo ocurre con los cuerpos celestes, como las lunas, que están lejos del sol. Pueden estar fríos, pero no están muertos, y algunos de ellos están al menos algo calientes debido a su propio tipo de procesos fisiológicos. Esta lección explorará los satélites jovianos, las lunas de los cuatro planetas exteriores, y explicará las fuerzas que afectan el calentamiento de los satélites, incluidos los procesos internos y factores externos como los planetas.

Calentamiento de mareas

Una de las fuerzas que afecta el calentamiento de un satélite se conoce como calentamiento de las mareas , el calentamiento de un cuerpo celeste, como un satélite, cuando la forma del cuerpo cambia gracias a las fuerzas de las mareas. Una de las lunas de Júpiter, Io, es un buen ejemplo de lo que realmente significa esa definición. Simplemente mire las imágenes en la pantalla para ver qué sucede (vea el video que comienza a las 01:29).

La forma de una luna se desviará debido a las fuerzas de marea de su planeta. La fuerza de las mareas aumentará a medida que la luna se acerque a su planeta y disminuirá a medida que se aleje de su planeta. Esto significa que cuando Io está más cerca del planeta, su forma estará más distorsionada. Cuando Io está más lejos del planeta, su forma estará menos distorsionada. Esta forma en constante cambio hace que se produzca una fricción interna en la luna. Esta fricción interna calienta la luna.

Sé que esto puede resultar confuso, pero aquí hay un ejemplo más familiar. Si tuviera que salir y sacar una pelota de baloncesto de su garaje, que representa una luna, al principio estará fría al tacto. Ahora, haz rebotar la pelota de baloncesto un poco. Al hacer rebotar la pelota de baloncesto contra el suelo, su forma, como la de Io, se distorsionará. Esta distorsión provoca la compresión de la bola, que calentará el aire dentro de ella.

Debido a que el calentamiento de las mareas depende de la fuerza de las mareas, el tamaño de la luna y la masa del planeta que orbita influirán en la tasa de calentamiento de las mareas. Eso y la distancia orbital. Cuanto más lejos está una luna de su planeta, menor es la fuerza de la marea. Lo que esto dice básicamente es que el calentamiento de las mareas solo es realmente importante para las grandes lunas que orbitan lo suficientemente cerca de planetas masivos.

Resonancia orbital

Ahora, aquí hay algo bastante interesante. Las interacciones de las mareas que ocurren entre una luna y su planeta en realidad minimizarán la excentricidad de la órbita de esa luna. Esto básicamente significa que una luna que orbita un planeta por sí sola eventualmente logrará una órbita circular debido a estas interacciones de mareas. Cuando se logre tal órbita, la luna no cambiará de forma, ¡y el calentamiento de las mareas cesará como resultado! La clave para entender por qué el calentamiento de las mareas puede continuar en algunos de los satélites jovianos a pesar de esto es la resonancia orbital, períodos orbitales de los objetos celestes relacionados de tal manera que se afectan gravitacionalmente entre sí.

Esto significa que si bien una sola luna puede pasar de una órbita elíptica a una circular, cuando está orbitando junto a otras lunas, las atracciones gravitacionales entre ella y esas otras lunas harán que permanezca en una órbita excéntrica. Eso es practicamente todo. Como ejemplo, Io, Europa y Ganímedes (tres de las lunas de Júpiter) orbitan de tal manera que todos influyen entre sí para mantenerse en órbitas elípticas.

Transferencia de calor

Ahora, volvamos a nuestro ejemplo de cabaña donde comparamos el cuerpo de una luna con el cuerpo de una persona. Usted sabe que la velocidad y la cantidad a la que se calienta no solo depende de la generación interna de calor a través del metabolismo (que es como nuestro calentamiento por marea), sino también de la rapidez con la que puede dejar escapar el calor. Por lo tanto, si usa muchas capas de ropa, evitando el escape de demasiado calor, se calentará más rápido que si hubiera estado parado en el frío en ropa interior.

Por lo tanto, la transferencia de calor es igualmente aplicable cuando se habla de cuán caliente puede llegar a ser una luna. No se trata solo de calentamiento por mareas. Los dos procesos de transferencia de calor más importantes que intervienen en la influencia de la temperatura de un satélite son la convección y la conducción .

La conducción es lo que experimenta cuando el calor se transfiere de una taza de café caliente al mango de una cuchara previamente fría colocada en ella. La convección es como mezclar las regiones más frías y calientes de un líquido, como con una cuchara, cuando se cocina un poco de sopa. Por lo tanto, es la conducción y la convección, junto con el calentamiento de las mareas, las que determinan qué tan caliente puede llegar a ser un satélite.

Resumen de la lección

El calor de un satélite joviano está determinado en gran medida por la conducción y la convección, así como por el calentamiento de las mareas , el calentamiento de un cuerpo celeste, como un satélite, cuando la forma del cuerpo cambia gracias a las fuerzas de las mareas. El calentamiento de las mareas depende de que una luna lo suficientemente grande mantenga una órbita elíptica lo suficientemente cerca de un planeta lo suficientemente masivo.

La órbita elíptica necesaria para ello desaparecería si no fuera por la resonancia orbital, períodos orbitales de objetos celestes relacionados de tal manera que se afectan gravitacionalmente entre sí. Es decir, si las lunas no distorsionaran las órbitas de las demás alrededor de un planeta, el calentamiento de las mareas no ocurriría.

Pero no olvide que la temperatura de un satélite joviano no está influenciada únicamente por el calentamiento de las mareas. La forma en que el calor fluye hacia la superficie y escapa es importante para regular la temperatura del satélite. Los dos procesos de transferencia de calor más importantes que intervienen en la influencia de la temperatura de un satélite son la convección y la conducción .

Los resultados del aprendizaje

Si ha estudiado la lección en video a fondo, posteriormente podría:

• Explicar cómo ocurre el calentamiento de las mareas y cuáles son sus efectos.
• Transmitir comprensión de la relación entre la resonancia orbital y el calentamiento de las mareas
• Identificar los dos procesos de transferencia de calor más importantes involucrados en la temperatura del satélite.