estás leyendo...
Papers recientes

Historias para no dormir en la noche de Reyes: perder la atmósfera de la Tierra

  • Título del artículo original: Atmospheric Erosion by Giant Impacts on to Terrestrial Planets: A Scaling Law for any Speed, Angle, Mass, and Density
  • Autor@s: J. A. Kegerreis, V. R. Eke, D. C. Catling, R. J. Massey, L. F. A. Teodoro y K. J. Zahnle
  • Institución del/a primer/a autor/a: Institute for Computational Cosmology, Durham University, UK
  • Estado de la publicación: publicado en The Astrophysical Journal Letters, acceso abierto en arXiv

Reconoce que cuando eras un poco más joven, alguna víspera de Reyes o Navidad te asaltó la duda: “¿Y si no me he portado lo suficientemente bien? ¿Y si este año no tengo ningún regalo?”. Desde luego, quedarse sin regalos en navidad puede ser un terror infantil recurrente, pero algunos regalos causarían pesadillas aún peores. Por ejemplo: imagina que te regalan un objeto astronómico tan grande, que elimina por completo la atmósfera de la Tierra. Terrorífico, ¿verdad? ¡Adéntrate conmigo en este artículo para saber más detalles!

Planetas en riesgo
Se sabe que los planetas, durante su periodo de formación, pueden sufrir múltiples impactos. Esto no tiene por qué ser preocupante si los objetos que colisionan son pequeños, pero… ¿qué pasaría si un escombro, digamos, del tamaño de la Luna, se aproxima? Si fueses un planeta terrestre con una atmósfera nuevecita ¿tendrías que empezar a preocuparte?

La respuesta rápida, como para tantas otras cosas en la vida, es: “depende”. De entrada, ya sabemos que depende de la masa del planeta víctima y la del objeto que va a colisionar (que llamaremos “impactador”). También depende del ángulo con que viene el impactador: no es lo mismo un choque frontal que un “uyyyyyy por los pelos”. Pero también depende de otros factores menos obvios, como por ejemplo, cuán grande es la atmósfera del planeta víctima.

¿Cómo saber si debo preocuparme?
En el artículo del que vamos a hablar hoy se presentan los resultados de un estudio sobre las consecuencias que tendría para la atmósfera de un planeta, sufrir una colisión con un objeto grande (otro planeta, por ejemplo). Es un estudio teórico, en el que se realizaron 259 simulaciones 3D de colisiones, variando los valores de los parámetros relevantes (mira la Figura 1).

Figura 1: Parámetros que caracterizan cada colisión. Mt y Mi son las masas del planeta (t) y del impactador (i); y vc y 𝛽, la velocidad y el ángulo en el momento de la colisión, respectivamente. Nota: el ángulo puede expresarse como “parámetro de impacto” haciendo b=sin(𝛽), lo cual permite trabajar con ángulos sin preocuparse de las unidades.

Es importante recordar que cuando decimos “simulaciones” nos referimos a códigos informáticos en los que puedes poner a prueba una teoría introduciendo las ecuaciones que te interesa estudiar, y unas ciertas condiciones iniciales. En este caso, tanto el impactador como el planeta víctima se simulan como un grupo de millones de partículas en equilibrio hidrostático (es decir, en forma de bola, más o menos) e imitando las densidades reales (puedes ver un ejemplo en la Figura 2). Así, hay un cierto número de partículas simulando el planeta, otras la atmósfera, y otras el impactador, y cuando se produce el choque se pueden estudiar las trayectorias que siguen las partículas “atmósfera” para averiguar la magnitud del desastre. En general, en la mayoría de simulaciones el equipo utilizó planetas de tipo terrestre, con un manto rocoso que acapara el 70% de la masa, y un núcleo de hierro, con el restante 30%. La atmósfera (de hidrógeno y helio) se añadió de forma que su masa fuese el 1% de la masa total (manto+núcleo).

Figura 2: Ejemplo de una simulación del choque entre dos cuerpos, donde cada uno de ellos está formado por un gran número de partículas. Crédito: http://universesandbox.com/blog/2019/12/sph-devlog-1/

Una vez que están preparados el planeta víctima y el impactador, lo siguiente es hacer que colisionen en distintas condiciones (distintas masas, ángulos y velocidades) para averiguar el “grado de erosión atmosférica”, es decir, la cantidad de atmósfera que pierde el planeta. En concreto, se estudiaron 3 casos: 

  • Colisiones cambiando las masas de impactador y planeta, para dos ángulos y dos velocidades concretas: frontal, rasante, rápida y lenta. Incluyendo casos en los que el impactador tiene atmósfera.
  • Colisiones cambiando el ángulo de choque y la velocidad del impactador, para seis combinaciones de masas planeta-impactador concretas.
  • Colisiones con víctimas e impactadores con composiciones y densidades extremas (por ejemplo, un planeta que fuese sólo núcleo).

No, en serio: ¿me preocupo, o no?
Algunos ejemplos de lo que ocurre en distintos tipos de colisiones pueden verse en la Figura 3. En primer lugar, se observa cómo un choque rápido frontal viene a significar que puedes ir olvidándote de la atmósfera, ya que se erosionaría por completo. Sin embargo, si el choque es rasante (en un ángulo mayor) podrías escapar sin apenas pérdidas atmosféricas. Por otro lado, si dos objetos de masas parecidas sufren una colisión lenta y en ángulo pequeño, el planeta se altera, pero no tanto como para que pierda toda su atmósfera. Finalmente, una colisión con ángulo medio eliminaría la mitad de la atmósfera y del impactador.

Figura 3. Cuatro ejemplos de las colisiones simuladas (cada fila es una simulación). Cada gráfica es un fotograma, con el tiempo avanzando hacia la derecha. Las partículas en color violeta representan las que se perderán tras la colisión; las grises y naranjas son el núcleo y manto del planeta, mientras que las marrones y amarillas son el núcleo y manto del impactador. El azul representa la atmósfera del planeta víctima. Puedes encontrar animaciones de colisiones parecidas en: icc.dur.ac.uk/giant_impacts. Figura 2 en el artículo original.

Pero lo más interesante de este artículo es que encuentran una “ley de escala”, una relación empírica que permite calcular el grado de erosión atmosférica (X) en base a los parámetros del sistema: masas, densidades, velocidades y ángulo de colisión (este último incluído en un parámetro que podríamos traducir por “fracción de masa que interacciona”, fM). En concreto, esta fórmula devuelve un valor entre 0 (no hay erosión) y 1 (olvídate de la atmósfera). 

Expresión 1: Ley de escala que describe la erosión atmosférica (X) sufrida por el planeta, como función de la velocidad de escape (vesc), la velocidad en el momento de la colisión (vc), la fracción de masa que interacciona (fM), la masa del impactador y del sistema (Mi y Mtot) y sus densidades (𝜌i,  y 𝜌t).

De acuerdo con esta expresión, lo que más influye en la erosión atmosférica (al menos, para los casos estudiados) son el ángulo y la velocidad, así como las masas de los objetos y, en menor medida, su densidad. Curiosamente, esta erosión es independiente de la masa del sistema, siempre que el cociente entre las masas del planeta y del impactador sea constante. Es decir: si la masa del planeta es, por ejemplo, tres veces la del impactador, da igual cuánto sea el valor de la masa total (planeta+impactador), la erosión atmosférica será la misma. Por otro lado, observan que esta expresión apenas cambia si el impactador también tiene atmósfera, si bien en algunos casos, parte de ella podría quedar incluida en la atmósfera del planeta.

Figura 4: Fracción de masa atmosférica perdida, en función de los parámetros de escala. vesc es la velocidad de escape del planeta, y 𝜌 las densidades.

Hay que tener en cuenta que esta expresión no es universal, pues sólo se realizaron simulaciones de colisiones para objetos con masas de entre el 5 y el 30% la masa terrestre y densidades entre el 50% y el 200% la terrestre, para cualquier ángulo y velocidad. En cualquier caso, es interesante destacar que existen algunos escenarios de formación de la Luna que podrían corresponderse con una de estas colisiones simuladas, en las que la Tierra habría perdido un 10-60% de su atmósfera.

En resumen: si eres un planeta terrestre y ves un objeto venir, lo importante es fijarse bien en la velocidad que lleva y el ángulo con el que impactaría. Si es rasante ¡igual escapas! Pero, sobre todo, si los Reyes Magos o Papá Noel te preguntan, diles que se piensen si regalar un impactador en choque frontal es lo más adecuado… ¡porque puede que alguien se desmaye del susto!

Acerca de Guayente Panizo

Nací y crecí en la isla de Lanzarote (Canarias, España), y tras completar mis estudios de Física y Astrofísica me embarqué en la aventura del doctorado en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Haciendo mi Trabajo Final de Grado conocí las estrellas binarias y fue un flechazo, así que ahora dedico mi tesis a investigar binarias de rayos X poco masivas, principalmente analizando espectros ópticos. Me gusta leer (especialmente ciencia ficción), jugar a rugby y la divulgación.

Comentarios

Aún no hay comentarios.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *