Atmósfera de Plutón

La atmósfera de Plutón es la capa de gases que rodea al planeta enano Plutón. Está compuesta principalmente de nitrógeno (N₂), con pequeñas cantidades de metano (CH₄) y monóxido de carbono (CO), todos ellos vaporizados por el hielo superficial de Plutón. Contiene una neblina estratificada, probablemente compuesta por compuestos más pesados que se forman a partir de estos gases debido a la radiación de alta energía. La atmósfera de Plutón se caracteriza por sus fuertes y aún no completamente comprendidos cambios estacionales, causados por las peculiaridades de su rotación orbital y axial.La presión superficial de la atmósfera de Plutón, medida por la sonda New Horizons en 2015, es de aproximadamente 1 Pa (10 μbar), aproximadamente 1/100.000 de la presión atmosférica terrestre. La temperatura en la superficie oscila entre 40 y 60 K (−230 y −210 °C), pero aumenta rápidamente con la altitud debido al efecto invernadero generado por el metano. Cerca de los 30 km de altitud alcanza los 110 K (−163 °C), donde luego disminuye lentamente con la altura.Plutón es el único objeto transneptuniano con atmósfera conocida. Su análogo más cercano es la atmósfera de Tritón, aunque en algunos aspectos se asemeja incluso a la de Marte.La atmósfera de Plutón se ha estudiado desde la década de 1980 mediante la observación terrestre de las ocultaciones de estrellas y la espectroscopia. En 2015, la sonda espacial New Horizons la estudió de cerca.

El principal componente de la atmósfera de Plutón es el nitrógeno. El contenido de metano, según las mediciones de la sonda New Horizons, es del 0,25 %. En cuanto al monóxido de carbono, se estima que ronda el 0,0515 %. Bajo la influencia de la radiación cósmica de alta energía, estos gases reaccionan para formar compuestos más complejos (no volátiles a las temperaturas superficiales de Plutón), como el etano (C₂H₆), el etileno (C₂H₄), el acetileno (C₂H₂), hidrocarburos más pesados y nitrilos, y cianuro de hidrógeno (HCN) (la cantidad de etileno es de aproximadamente el 0,0001 % y la de acetileno, del 0,0003 %). Estos compuestos se precipitan lentamente en la superficie. Probablemente también incluyan tolinas, responsables del color marrón de Plutón (como el de otros cuerpos del sistema solar exterior).El compuesto más volátil de la atmósfera de Plutón es el nitrógeno, el segundo es el monóxido de carbono y el tercero es el metano. El indicador de volatilidad es la presión de vapor saturado (presión de sublimación). A una temperatura de 40 K (cerca del valor mínimo para la superficie de Plutón), es de aproximadamente 10 Pa para el nitrógeno, 1 Pa para el monóxido de carbono y 0,001 Pa para el metano. Aumenta rápidamente con la temperatura, y a 60 K (cerca del valor máximo) se acerca a 10 000 Pa, 3000 Pa y 10 Pa, respectivamente. Para hidrocarburos más pesados que el metano, como el agua, el amoníaco, el dióxido de carbono y el cianuro de hidrógeno, esta presión permanece insignificantemente baja (aproximadamente 10−5 Pa o incluso menor), lo que indica ausencia de volatilidad en las condiciones de Plutón (al menos en la fría atmósfera inferior).Debido a su menor abundancia y volatilidad, cabría esperar que el metano y el monóxido de carbono presentaran mayores desviaciones del equilibrio de presión con el hielo superficial y mayores variaciones temporales y espaciales de concentración. Sin embargo, la concentración de, al menos, el metano, no depende significativamente de la altura (al menos en los 20-30 km inferiores), la longitud ni el tiempo. Sin embargo, la dependencia de la temperatura en las volatilidades del metano y el nitrógeno sugiere que la concentración de metano disminuirá a medida que Plutón se aleja del Sol. Cabe destacar que la concentración observada de metano es dos órdenes de magnitud mayor que la esperada según la ley de Raoult, basándose en su concentración en el hielo superficial y la relación entre las presiones de sublimación del metano y el nitrógeno. Se desconocen las razones de esta discrepancia. Podría deberse a la existencia de placas separadas de hielo de metano relativamente limpio, o a un mayor contenido de metano en la capa superior de hielo mixto habitual.Los cambios estacionales y orbitales de la insolación provocan la migración de los hielos superficiales: se subliman en algunos lugares y se condensan en otros. Según algunas estimaciones, esto provoca cambios de tamaño métrico en su espesor. Esto, junto con los cambios en la geometría de observación, resulta en cambios apreciables en el brillo y el color de Plutón.El metano y el monóxido de carbono, a pesar de su baja abundancia, son importantes para la estructura térmica de la atmósfera: el metano es un potente agente de calentamiento y el monóxido de carbono es un agente de enfriamiento (aunque el grado de enfriamiento aportado por el monóxido de carbono no está completamente claro).

New Horizons descubrió en la atmósfera de Plutón una neblina multicapa que cubre la totalidad del planeta enano y alcanza altitudes superiores a los 200 km. Las mejores imágenes muestran unas 20 capas de neblina. La extensión horizontal de las capas no es inferior a 1000 km. El grosor de las capas varía de 1 a 10 km, y la distancia vertical entre ellas es de unos 10 km. En las regiones septentrionales, la neblina es de 2 a 3 veces más densa que cerca del ecuador.

A pesar de la baja densidad de la atmósfera, la escobilla es bastante apreciable: incluso dispersa suficiente luz para permitir fotografiar algunos detalles del lado nocturno de Plutón. Las sombras largas de las montañas se ven en la escobilla. Su profundidad óptica normal se estima como 0.004 o 0.013 (por lo tanto, disminuye la intensidad de un rayo vertical de luz por ${\displaystyle 1-e^{-0.004}\approx 0.4\%}$ o ${\displaystyle 1-e^{-0.013}\approx 1.3\%}$; para la luz de pastoreo el efecto es mucho más fuerte). Altura de la escoba es 45 a 55 km; aproximadamente coincide con la altura de la escala de presión en la atmósfera media. A las alturas de 100 a 200 km disminuye a 30 km.

El tamaño de las partículas de neblina no está claro. Su color azul indica un radio de partícula cercano a los 10 nm, pero la relación de brillos en diferentes ángulos de fase indica un radio superior a 100 nm. Esto se puede explicar por la agregación de partículas pequeñas (decenas de nm) en grupos más grandes (cientos de nm).La neblina probablemente consiste en partículas de compuestos no volátiles, sintetizados a partir de gases atmosféricos bajo la influencia de la radiación cósmica de alta energía. Las capas muestran la presencia de ondas atmosféricas (cuya presencia también se sugiere mediante observaciones de ocultaciones), y dichas ondas pueden ser creadas por el viento que sopla sobre la superficie rugosa de Plutón.La neblina es la causa más probable de una distorsión en la curva de intensidad de la luz en función del tiempo, obtenida por la sonda New Horizons durante su vuelo a través de la sombra de Plutón (véase la imagen a la derecha). Por debajo de los 150 km de altitud, la atmósfera atenúa la luz con mucha más intensidad que por encima. Una distorsión similar se observó durante la ocultación estelar de 1988. Inicialmente, también se interpretó como un debilitamiento de la luz debido a la neblina, pero ahora se cree que se debe principalmente a un fuerte gradiente inverso de temperatura en la atmósfera inferior. Durante ocultaciones posteriores (cuando la atmósfera de Plutón ya era ≥2 veces más densa), esta distorsión no existía.En 2002, se obtuvo más evidencia de la neblina gracias a una nueva ocultación. La luz estelar que logró alcanzar la Tierra durante la ocultación (debido a la refracción en la atmósfera de Plutón) mostró un aumento de intensidad con la longitud de onda. Esto se interpretó como una evidencia fiable de dispersión de la luz por aerosoles (similar al enrojecimiento del Sol naciente). Sin embargo, esta característica no se observó en ocultaciones posteriores (incluida la del 29 de junio de 2015), y el 14 de julio de 2015, la sonda New Horizons detectó que la neblina era azul.

En el último lote de imágenes recibidas de New Horizons, se observaron varias nubes potenciales.Plutón no tiene troposfera o casi no la tiene; las observaciones de New Horizons sugieren solo una delgada capa límite troposférica. Su espesor en el lugar de la medición era de 4 km y la temperatura, de 37 ± 3 K. Esta capa no es continua.Sobre ella se encuentra una capa cuya temperatura aumenta rápidamente con la altura: la estratosfera. Se estima que el gradiente de temperatura es de 2,2, 3–15 o 5,5 grados por km. Esto es resultado del efecto invernadero, causado por el metano. La temperatura media de la superficie es de 42 ± 4 K (medida en 2005), y el valor medio para toda la atmósfera es de 90⁺²⁵
₋₁₈ K (2008).

A una altitud de 20–40 km, la temperatura alcanza su máximo (100–110 K; estratopausa) y luego disminuye lentamente (aproximadamente 0,2 K/km; mesosfera). Las causas de esta disminución no están claras; podría estar relacionada con el efecto de enfriamiento del monóxido de carbono, el cianuro de hidrógeno u otras razones. Por encima de los 200 km, la temperatura alcanza aproximadamente los 80 K y luego se mantiene constante.La temperatura de las capas superiores de la atmósfera no presenta cambios temporales apreciables. En 1988, 2002 y 2006 se mantuvo aproximadamente constante e igual a 100 K (con incertidumbre sobre 10 K), a pesar de un aumento de la presión al doble. Tampoco existe dependencia de la latitud ni de las condiciones matutinas/vespertinas: la temperatura es la misma en toda la superficie. Esto concuerda con los datos teóricos, que predicen una rápida mezcla de la atmósfera. Sin embargo, existe evidencia de pequeñas heterogeneidades verticales en la temperatura. Estas se manifiestan en picos de brillo agudos y breves durante las ocultaciones estelares. Se estima que la amplitud de estas heterogeneidades es de 0,5–0,8 K en una escala de unos pocos kilómetros. Pueden ser causadas por ondas de gravedad atmosféricas o turbulencia, que pueden estar relacionadas con la convección o el viento.La interacción con la atmósfera influye significativamente en la temperatura de la superficie. Los cálculos muestran que la atmósfera, a pesar de su muy baja presión, puede reducir significativamente las variaciones diurnas de temperatura. Sin embargo, aún persisten variaciones de temperatura de aproximadamente 20 K, en parte debido al enfriamiento de la superficie por la sublimación de los hielos.La presión atmosférica de Plutón es muy baja y fuertemente dependiente del tiempo. Las observaciones de ocultaciones estelares de Plutón muestran que aumentó aproximadamente tres veces entre 1988 y 2015, a pesar de que Plutón se ha estado alejando del Sol desde 1989. Esto probablemente se deba a que el polo norte de Plutón entró en contacto con la luz solar en 1987, lo que intensificó la evaporación de nitrógeno del hemisferio norte, mientras que su polo sur aún está demasiado cálido para la condensación de nitrógeno. Es difícil obtener valores absolutos de la presión superficial a partir de datos de ocultación, ya que estos no suelen alcanzar las capas más bajas de la atmósfera. Por lo tanto, la presión superficial debe extrapolarse, lo cual resulta algo ambiguo debido a que la temperatura depende de la altura y, en consecuencia, la presión no está completamente clara. El radio de Plutón también debe conocerse, pero su precisión antes de 2015 era deficiente. Por lo tanto, antes era imposible calcular valores precisos de la presión superficial de Plutón. Para algunas ocultaciones desde 1988, se calculó la presión para un nivel de referencia de 1275 km desde el centro de Plutón (que posteriormente resultó estar a 88 ± 4 km de la superficie).

Las curvas de presión en función de la distancia desde el centro, obtenidas a partir de ocultaciones en 1988 y 2002, en combinación con el radio ahora conocido de Plutón (1187 ± 4 km) dan valores de aproximadamente 0,4 Pa para 1988 y 1,0 Pa para 2002. Los datos espectrales proporcionaron valores de 0,94 Pa en 2008 y 1,23 Pa en 2012 para la distancia desde el centro 1188 km (1 ± 4 km desde la superficie). Una ocultación el 4 de mayo de 2013 proporcionó datos casi exactos para el nivel de la superficie (a 1190 km del centro, o a 3±4 km de la superficie): 1,13±0,007 Pa. Una ocultación el 29/30 de junio de 2015, tan solo dos semanas antes del encuentro con la New Horizons, proporcionó una presión superficial de 1,3±0,1 Pa.Los primeros datos directos y fiables sobre las capas más bajas de la atmósfera de Plutón fueron obtenidos por la sonda New Horizons el 14 de julio de 2015 a partir de mediciones de radioocultación. La presión superficial se estimó en 1 Pa (1,1 ± 0,1 a la entrada de la sonda tras Plutón y 1,0 ± 0,1 a la salida). Esto concuerda con los datos de ocultación de años anteriores, aunque algunos cálculos previos basados en estos datos arrojaron resultados aproximadamente el doble.La ocultación estelar del 17 de julio de 2019 mostró que la presión atmosférica de Plutón disminuyó aproximadamente un 30 % desde sus valores máximos de 2015, alcanzando los 0,967 Pa. El 6 de junio de 2020, la presión disminuyó aún más hasta los 0,91 Pa. style="margin-left:0.225em;margin-right:0.225em;">Se midió ±0,03 Pa.

La altura de escala de presión en la atmósfera de Plutón varía significativamente con la altura (en otras palabras, la dependencia de la presión con la altura se desvía de la exponencial). Esto se debe a las fuertes variaciones de temperatura con la altura. Para la capa más baja de la atmósfera, la altura de escala es de aproximadamente 17-19 km, y para alturas de 30-100 km, de 50-70 km.

Debido a la excentricidad orbital, en el afelio Plutón recibe 2,8 veces menos calor que en el perihelio. Esto debería provocar fuertes cambios en su atmósfera, aunque los detalles de estos procesos no están claros. Inicialmente se pensaba que en el afelio la atmósfera debía congelarse en gran medida y depositarse sobre la superficie (esto se sugiere por la fuerte dependencia de la temperatura con la presión de sublimación de sus compuestos), pero modelos más elaborados predicen que Plutón tiene una atmósfera significativa durante todo el año.El último paso de Plutón por su perihelio tuvo lugar el 5 de septiembre de 1989. Desde 2015, se está alejando del Sol y su iluminación superficial general está disminuyendo. Sin embargo, la situación se complica por su gran inclinación axial (122,5°), que provoca largos días y noches polares en gran parte de su superficie. Poco antes del perihelio, el 16 de diciembre de 1987, Plutón experimentó un equinoccio, y su polo norte salió de la noche polar, que había durado 124 años terrestres.Los datos, existentes en 2014, permitieron a los científicos construir un modelo de los cambios estacionales en la atmósfera de Plutón. Durante el afelio anterior (1865), existía una cantidad significativa de hielos volátiles tanto en el hemisferio norte como en el sur. Aproximadamente al mismo tiempo, se produjo el equinoccio, y el hemisferio sur se inclinó hacia el Sol. Los hielos locales comenzaron a migrar hacia el hemisferio norte, y alrededor de 1900, el hemisferio sur quedó prácticamente desprovisto de hielo. Tras el siguiente equinoccio (1987), el hemisferio sur se alejó del Sol. Sin embargo, su superficie ya estaba considerablemente caliente, y su gran inercia térmica (proporcionada por el hielo de agua no volátil) ralentizó considerablemente su enfriamiento. Por ello, los gases, que ahora se evaporan intensamente en el hemisferio norte, no pueden condensarse rápidamente en el hemisferio sur y continúan acumulándose en la atmósfera, aumentando su presión. Alrededor de 2035-2050, el hemisferio sur se enfriará lo suficiente como para permitir una condensación intensa de los gases, que migrarán allí desde el hemisferio norte, donde se observa el día polar. Esto durará hasta el equinoccio cerca del afelio (alrededor de 2113). El hemisferio norte no perderá completamente sus hielos volátiles, y su evaporación alimentará la atmósfera incluso en el afelio. El cambio total de la presión atmosférica en este modelo es de aproximadamente cuatro veces; el mínimo se alcanzó cerca de 1970-1980, y el máximo se alcanzará cerca de 2030. El rango completo de temperatura es de solo unos pocos grados.En julio de 2019, una ocultación de Plutón mostró que su presión atmosférica, contrariamente a lo esperado, había disminuido un 20 % desde 2016. En 2021, astrónomos del Southwest Research Institute confirmaron el resultado utilizando datos de una ocultación de 2018, que mostraron que la luz aparecía de forma menos gradual detrás del disco de Plutón, lo que indica un adelgazamiento de la atmósfera.

Los primeros datos sugerían que la atmósfera de Plutón pierde entre 10 y 10 moléculas de nitrógeno (50 y 500 kg) por segundo, una cantidad equivalente a la pérdida de una capa superficial de hielo volátil de varios cientos de metros o kilómetros de espesor durante la vida del Sistema Solar. Sin embargo, datos posteriores de la sonda New Horizons revelaron que esta cifra estaba sobreestimada en al menos cuatro órdenes de magnitud; actualmente, la atmósfera de Plutón pierde solo 1 x 10 moléculas de nitrógeno y 5 x 10 moléculas de metano por segundo. Esto supone una pérdida de varios centímetros de hielo de nitrógeno y varias decenas de metros de hielo de metano durante la vida del Sistema Solar.Las moléculas con velocidad suficiente, que escapan al espacio exterior, son ionizadas por la radiación ultravioleta solar. Al encontrar el obstáculo formado por los iones, el viento solar se ralentiza y se desvía, posiblemente formando una onda de choque aguas arriba de Plutón. Los iones son "recogidos" por el viento solar y transportados en su flujo más allá del planeta enano para formar una cola de iones o plasma. El instrumento Viento Solar alrededor de Plutón (SWAP), a bordo de la sonda New Horizons, realizó las primeras mediciones de esta región de iones atmosféricos de baja energía poco después de su aproximación más cercana el 14 de julio de 2015. Estas mediciones permitirán al equipo de SWAP determinar la velocidad a la que Plutón pierde su atmósfera y, a su vez, proporcionarán información sobre la evolución de su atmósfera y superficie.La capa marrón rojiza del polo norte de Caronte, la mayor de las lunas de Plutón (Mácula de Mordor), podría estar compuesta de tolinas, macromoléculas orgánicas producidas a partir de metano, nitrógeno y otros gases liberados de la atmósfera de Plutón y transferidas a lo largo de unos 19 000 km (12 000 mi) hasta la luna en órbita. Los modelos muestran que Caronte puede recibir alrededor del 2,5 % de los gases que pierde Plutón.Ya en la década de 1940, Gerard Kuiper buscó evidencia de la atmósfera en el espectro de Plutón, sin éxito. En la década de 1970, algunos astrónomos propusieron la hipótesis de una atmósfera densa e incluso océanos de neón: según algunas visiones de la época, todos los demás gases abundantes en el Sistema Solar se congelarían o escaparían. Sin embargo, esta hipótesis se basaba en una masa de Plutón muy sobreestimada. En ese momento no existían datos observacionales sobre su atmósfera ni su composición química.La primera evidencia sólida, aunque indirecta, de la atmósfera apareció en 1976. La fotometría infrarroja del telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros reveló hielo de metano en la superficie de Plutón, que debe sublimarse significativamente a temperaturas plutonianas.La existencia de la atmósfera de Plutón se demostró mediante ocultación estelar. Si una estrella es ocultada por un cuerpo sin atmósfera, su luz desaparece bruscamente, pero las ocultaciones de Plutón muestran una disminución gradual. Esto se debe principalmente a la refracción atmosférica (no a la absorción ni a la dispersión). Las primeras observaciones de este tipo fueron realizadas el 19 de agosto de 1985 por Noah Brosch y Haim Mendelson, del Observatorio Wise de Israel. Sin embargo, la calidad de los datos fue bastante baja debido a las condiciones de observación desfavorables (además, la descripción detallada se publicó solo diez años después). El 9 de junio de 1988, la existencia de la atmósfera se demostró de forma convincente mediante observaciones de ocultación realizadas desde ocho lugares (los mejores datos se obtuvieron en el Observatorio Aerotransportado Kuiper). Se midió la altura de escala de la atmósfera, lo que permitió calcular la relación entre la temperatura y la masa molecular media. La temperatura y la presión eran imposibles de calcular en ese momento debido a la ausencia de datos sobre la composición química de la atmósfera y a una gran incertidumbre en el radio y la masa de Plutón.La cuestión de su composición se resolvió en 1992 mediante los espectros infrarrojos de Plutón, obtenidos por el Telescopio Infrarrojo del Reino Unido de 3,8 metros. La superficie de Plutón resultó estar cubierta principalmente por hielo de nitrógeno. Dado que el nitrógeno es, además, más volátil que el metano, esta observación implicó una prevalencia de nitrógeno también en la atmósfera (aunque no se observó nitrógeno gaseoso en el espectro). Además, se descubrió una pequeña mezcla de monóxido de carbono congelado. Ese mismo año, las observaciones realizadas por el Telescopio Infrarrojo de la NASA de 3,0 metros revelaron la primera evidencia concluyente de metano gaseoso.Comprender el estado de la atmósfera requiere conocer la temperatura superficial. Las mejores estimaciones se derivan de las mediciones de la emisión térmica de Plutón. Los primeros valores, calculados en 1987 a partir de observaciones de IRAS, fueron de aproximadamente 55–60 K, y estudios posteriores sugirieron 30–40 K. En 2005, las observaciones del Conjunto Submilimétrico lograron distinguir las emisiones de Plutón y Caronte, y la temperatura media de la superficie de Plutón se midió en 42 ± 4 K (−231 ± 4 °C). Fue aproximadamente 10 K más fría de lo esperado; la diferencia podría deberse al enfriamiento por sublimación del hielo de nitrógeno. Investigaciones posteriores revelaron que la temperatura varía considerablemente según la región: de 40 a 55–60 K.Alrededor del año 2000, Plutón entró en los campos estelares de la Vía Láctea, donde permanecerá hasta la década de 2020. Las primeras ocultaciones estelares después de 1988 tuvieron lugar el 20 de julio y el 21 de agosto de 2002, por equipos dirigidos por Bruno Sicardy, del Observatorio de París, y James L. Elliot, del MIT. La presión atmosférica resultó ser aproximadamente el doble que en 1988. La siguiente ocultación observada tuvo lugar el 12 de junio de 2006, y las posteriores se produjeron con mayor frecuencia. El procesamiento de estos datos muestra que la presión continúa aumentando. La ocultación de una estrella excepcionalmente brillante, aproximadamente diez veces más brillante que el Sol, se observó el 29 y 30 de junio de 2015 desde el Observatorio Beverly-Begg en Dunedin y la estación BOOTES-3 en la Estación de Investigación Lauder de NIWA, tan solo dos semanas antes del encuentro con New Horizons.El 14 de julio de 2015, la sonda New Horizons realizó las primeras exploraciones de la atmósfera de Plutón a corta distancia, incluyendo mediciones de radioocultación y observaciones del debilitamiento de la radiación solar durante el vuelo a través de la sombra de Plutón. Proporcionó las primeras mediciones directas de los parámetros de la atmósfera inferior. La presión superficial resultó ser de 1,0–1,1 Pa.

• Zonas climáticas en Pluto
• Atmósfera de Tritón

• Algunas publicaciones en el Sistema de Datos Astrofísicos
• Video (00:17) de la ocultación de Alice (la atmósfera de Plutón pasa delante del sol) (NASA; Nuevos Horizontes, 14 de julio de 2015).
• "Pluto's Haze". Diario de la NASA10 de septiembre de 2015.
• "Una visión completa del Stunning Crescent de Plutón". Diario de la NASA. 29 de octubre de 2015.
• Algunas imágenes crudas Nuevos Horizontes mostrando la atmósfera iluminada por el sol: 1, 2, 3, 4.