Logran explicar cómo se puede crear orden partiendo del desorden en una atmósfera turbulenta

¿Cómo puede surgir el orden en una atmósfera intrínsecamente inestable? Sabemos que el sistema atmosférico es altamente caótico, y que cualquier modificación mínima en las condiciones iniciales dan resultados muy diferentes. Es esa alta “sensibilidad” de la atmósfera a cualquier mínima variación de sus condiciones la causa de que el pronóstico del tiempo se haga más incierto cuanto más a futuro quiera predecirse lo que ocurrirá en nuestro cielo. Así simplifica el proceso el informe de Gabriel Stekolschik para Nex Ciencia al indicar parte de un trabajo recientemente dado a conocer.

Se trata de una investigación relacionada con la atmósfera turbulenta publicado el pasado 29 de febrero en la revista Science. Del equipo de científicos comandados por Alexandros Alexakis, de la Universidad de la Sorbona, participó el meteorólogo argentino Pablo Mininni de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales(UBA), e integrante del Departamento de Física, y del CONICET. El hallazgo brinda herramientas para mejorar el pronóstico del tiempo y tiene impacto en el entendimiento del cambio climático.

Lorenz utilizó la idea del “efecto mariposa” para ilustrar cómo, en un sistema caótico como la atmósfera, una pequeña perturbación puede desencadenar una secuencia interminable de hechos que acaban por tener consecuencias completamente impredecibles.

Del desorden se puede crear orden

Pablo Mininni señala a Nex Ciencia que “Lorenz no hablaba en términos literales, no imaginó realmente que algo tan pequeño como una mariposa pudiera provocar un fenómeno tan grande. Por eso, nuestro resultado es bastante sorprendente”. Si bien no mostró que una mariposa vaya a generar una tormenta, lo que sí se demostró es que un movimiento de 10 kilómetros, que es algo muy pequeño para la atmósfera, puede generar estructuras ordenadas como una nube, un tornado, o una tormenta, en escalas de los 500 kilómetros, y eso es algo muy inesperado.

¡Hoy publicamos un paper en @ScienceMagazine! Con Alexandros Alexakis, Raffaele Marino, yo en @Fisica_UBA, y otros colegas del @CNRS, resolvimos un problema de larga data en ciencias atmosféricas y en dinámica de fluidos geofísicos: https://t.co/Ab2BhNADzp pic.twitter.com/tyrjTRGvZB

— Pablo Mininni (@MininniPablo) February 29, 2024

En resumidas cuentas, eventos que ocurren en una pequeña escala en términos atmosféricos, puede desencadenar procesos mayores. El caos inicial puede de esta manera iniciar un camino hacia sistemas más ordenados. Los movimientos caóticos que ocurren en la atmósfera se unen, se ordenan, se auto-organizan, y forman patrones más grandes. Este es un proceso que los científicos han estado tratando de comprender durante décadas.

“Desde hace 70 años se sabe que, en teoría, el proceso es posible. Pero se creía que era muy poco probable que fuera viable en una atmósfera en condiciones realistas y, sobre todo, en escalas tan chicas”, suma Mininni. La atmósfera tiene una circulación global, con movimientos de aire que abarcan escalas de 10.000 kilómetros o más. Hasta ahora, la explicación clásica para describir el caos atmosférico era que este desplazamiento planetario del aire genera turbulencias que tienden a crear patrones desordenados a pequeña escala.

Mucho trabajo hasta para una supercomputadora

Un ejemplo casero sirve para entender lo que ocurre en la atmósfera: de la misma manera que cuando revolvemos un líquido en un recipiente generamos remolinos más pequeños, en la atmósfera las estructuras más grandes generan estructuras más chicas. Pero ahora , lo que muestra el artículo científico publicado en Science es que, bajo ciertas condiciones, puede ocurrir el proceso opuesto. “Mostramos que a partir de un proceso caótico puede surgir una estructura grande y ordenada. O sea que puede emerger orden a partir del desorden”, revela Mininni.

“Lo que sabemos ahora es que hay dos procesos que coexisten: uno en el que las estructuras más grandes se desordenan y otro en el que las estructuras más chiquitas se ordenan”, agrega, y completa el científico argentino. Y remata con una frase que hasta parece tener un costado más allá de la ciencia dura: “podríamos decir que hay un yin y un yang de la atmósfera, porque hay orden en el desorden y desorden en el orden. Y el orden y el desorden se alimentan entre sí”.

Demostrar que un movimiento caótico en una escala muy pequeña puede organizarse y dar lugar a una estructura más grande y ordenada requirió de 40 millones de horas de cómputo en una supercomputadora. Así de compleja es la circulación atmosférica. “La forma de demostrar que esto podía ocurrir requería de una simulación enorme. Para tener una idea más precisa, la resolución espacial de una simulación de un pronóstico meteorológico va entre los dos y los cuatro kilómetros. Y en este trabajo se hizo una simulación que tiene una distancia entre puntos de unos 30 metros.

Mejorías en el manejo de errores en el pronóstico a más plazo

Después, para validar la demostración, se compararon los resultados de la simulación con datos reales de observaciones meteorológicas registradas desde mediados de los años ochenta hasta la actualidad. "Pudimos validar los resultados teóricos con observaciones sobre el terreno", afirma Mininni a Nex Ciencia, para luego añadir que “nuestro modelo es realista en el sentido de que tiene las componentes relevantes y un dominio que tiene 500 kilómetros de lado y 15 kilómetros de altura, que es la relación de aspectos que tiene la atmósfera terrestre”.

Hace 50 años, Lorenz postulaba que una variación mínima inicial en un sistema caótico como la atmósfera puede provocar alteraciones a corto y medio plazo. El estadounidense sostenía que, por lo tanto, es imposible pronosticar el tiempo con certeza y que solo es posible hablar de probabilidades a la hora de predecir qué ocurrirá en la atmósfera en los próximos días. De hecho, Lorenz descubrió que hay una ventana máxima para el pronóstico del tiempo que es de 14 días. Y eso tiene que ver con la acumulación de errores al integrar las ecuaciones del sistema.

Según el investigador, el trabajo publicado brinda herramientas para estimar mejor la incertidumbre y mejorar los pronósticos. No es lo mismo si la atmósfera se desordena, o si la atmósfera se ordena, o si en la atmósfera coexisten ambos procesos y en qué proporción. Entonces, conocer en forma precisa cuánta de la energía de la atmósfera se desordena y cuánta se ordena, tiene un impacto en la estimación de los errores y eso tiene un impacto en el pronóstico. De igual manera, el hallazgo también impacta en el cálculo del cambio climático porque mejora las ecuaciones que permiten estimar el comportamiento global de la atmósfera a mayores escala de tiempo.