Un orden inesperado
Un trabajo publicado en la revista Science responde una pregunta que lleva décadas dando vueltas por el mundo científico. El hallazgo brinda herramientas para mejorar el pronóstico del tiempo y tiene impacto en el entendimiento del cambio climático.
¿El aleteo de una mariposa en Brasil puede generar un tornado en Texas? La pregunta fue formulada en 1972 por el matemático y meteorólogo estadounidense Edward Lorenz, padre de la teoría del caos.
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.
Esa alta “sensibilidad” de la atmósfera a cualquier mínima variación de sus condiciones es la causa de que el pronóstico del tiempo se haga más incierto cuanto más a futuro quiera predecirse lo que ocurrirá en nuestro cielo.
Lorenz utilizó la idea del “efecto mariposa” para ilustrar cómo una pequeña perturbación en la atmósfera puede desencadenar una secuencia interminable de hechos.
“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”, comenta Pablo Mininni, investigador del CONICET y profesor del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA.
Mininni es uno de los autores del paper que se publica hoy en la revista Science, una de las publicaciones más prestigiosas del mundo para la comunidad científica. “Si bien no mostramos que una mariposa va a generar una tormenta, lo que sí demostramos es que un movimiento de 10 kilómetros, que es algo muy muy chiquito para la atmósfera, puede generar estructuras ordenadas -una nube, un tornado, una tormenta- en escalas de los 500 kilómetros, y eso es algo muy inesperado”, consigna Mininni.
Pablo Mininni. Fotografía: Luiza Cavalcante.
En otras palabras, el trabajo publicado muestra cómo los movimientos caóticos que ocurren en la atmósfera se unen (se ordenan, se auto-organizan) para formar patrones más grandes, 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”.
Yin y yang
La atmósfera tiene una circulación global, con movimientos del aire que abarcan escalas de 10 mil kilómetros o más. Hasta ahora, la explicación clásica para describir el caos atmosférico era que ese desplazamiento planetario del aire genera turbulencias que tienden a crear patrones desordenados y de pequeña escala.
“Demostramos que un movimiento de 10 kilómetros, puede generar estructuras ordenadas -una nube, un tornado, una tormenta- en escalas de los 500 kilómetros”.
Es decir, 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, 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: “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”.
Simulación y realidad
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.
“La forma de demostrar que esto podía ocurrir requería de una simulación enorme. Para darte una idea, la resolución espacial de una simulación de un pronóstico meteorológico va entre los dos y los cuatro kilómetros. Y nosotros hicimos una simulación que tiene una distancia entre puntos de unos 30 metros”, explica Mininni, y añade: “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”.
“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”.
Después, para validar la demostración, compararon los resultados de la simulación con datos reales, provenientes de observaciones meteorológicas que fueron registradas desde mediados de los años 80 hasta nuestros días: “Pudimos validar los resultados teóricos con las observaciones de campo”, afirma Mininni.
Pronóstico y cambio climático
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.
“La incertidumbre respecto de lo que sucederá en la atmósfera aumenta a medida que te extendés en el tiempo. 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”, cuenta Mininni.
Según el investigador, el trabajo publicado brinda herramientas para estimar mejor la incertidumbre y mejorar los pronósticos: “El aumento de la incerteza depende crucialmente de procesos como el que estamos demostrando. O sea, 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: “Las ecuaciones que describen el cambio climático, que los físicos llamamos ecuaciones de balance detallado, llevan una contabilidad de la energía de la atmósfera. Es decir, hay una contabilidad de cuánta energía llega de la radiación solar, cómo se distribuye esa energía en diferentes estructuras de diferentes tamaños, cuánta de esa energía es capturada y retenida por la atmósfera, cuánta de esa energía es remitida al espacio. Y conocer cómo la energía se distribuye entre estructuras de diferente tamaño tiene un impacto en esta contabilidad de la energía. Entonces, entender este tipo de fenómenos es importante para la contabilidad energética de la atmósfera”.
