Imagina una enorme taza de frío crema densa con café caliente vertida encima. Ahora colóquelo sobre una mesa giratoria. Tiempo extraordinario, los fluidos se mezclarán lentamente entre sí, y el calor del café eventualmente llegará al fondo de la taza. Pero como sabemos la mayoría de los bebedores de café impacientes, revolver las capas juntas es una forma más eficiente de distribuir el calor y disfrutar de una bebida que no esté hirviendo ni fría como el hielo. La clave son los remolinos o vórtices, que se formó en el líquido turbulento.

"Si solo esperara para ver si la difusión molecular lo hizo, tomaría una eternidad y nunca conseguirás tu café y leche juntos, "dice Raffaele Ferrari, Cecil e Ida Green, profesora de Oceanografía en el Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS).

Esta analogía ayuda a explicar una nueva teoría sobre las complejidades del sistema climático en la Tierra, y otros planetas en rotación con atmósferas y océanos, descritas en un artículo reciente de PNAS de Ferrari y Basile Gallet, un investigador visitante de la EAPS del Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA Saclay, Francia.

Puede parecer intuitivo que el ecuador de la Tierra, bañado por el sol, esté caliente mientras que los polos relativamente privados de sol estén fríos. con un gradiente de temperaturas en el medio. Sin embargo, el lapso real de ese gradiente de temperatura es relativamente pequeño en comparación con lo que podría ser de otra manera debido a la forma en que el sistema terrestre transporta físicamente el calor alrededor del mundo a regiones más frías, moderando los extremos.

De lo contrario, "tendrías temperaturas insoportablemente calientes en el ecuador y [las latitudes templadas] estarían congeladas, "dice Ferrari". el hecho de que el planeta sea habitable, según lo que sabemos, tiene que ver con el transporte de calor desde el ecuador hasta los polos ".

Todavía, a pesar de la importancia del flujo de calor global para mantener el clima contemporáneo de la Tierra, los mecanismos que impulsan el proceso no se comprenden completamente. Ahí es donde entra en juego el trabajo reciente de Ferrari y Gallet:su investigación establece una descripción matemática de la física que sustenta el papel que juegan los vórtices marinos y atmosféricos en la redistribución de ese calor en el sistema global.

El trabajo de Ferrari y Gallet se basa en el de otro profesor del MIT, el difunto meteorólogo Norman Phillips, OMS, en 1956, propuso un conjunto de ecuaciones, el "modelo Phillips, "para describir el transporte de calor global. El modelo de Phillips representa la atmósfera y el océano como dos capas de diferente densidad una encima de la otra. Si bien estas ecuaciones capturan el desarrollo de la turbulencia y predicen la distribución de la temperatura en la Tierra con relativa precisión, todavía son muy complejos y deben resolverse con computadoras. La nueva teoría de Ferrari y Gallet proporciona soluciones analíticas a las ecuaciones y predice cuantitativamente el flujo de calor local, energía que impulsa los remolinos, y características de flujo a gran escala. Y su marco teórico es escalable, lo que significa que funciona para remolinos, que son más pequeños y densos en el océano, así como ciclones en la atmósfera que son más grandes.

Poniendo el proceso en marcha

La física detrás de los vórtices en su taza de café difiere de la de la naturaleza. Los medios fluidos como la atmósfera y el océano se caracterizan por variaciones de temperatura y densidad. En un planeta giratorio estas variaciones aceleran fuertes corrientes, mientras que la fricción, en el fondo del océano y la atmósfera, los frena. Este tira y afloja da como resultado inestabilidades del flujo de corrientes a gran escala y produce flujos turbulentos irregulares que experimentamos como un clima en constante cambio en la atmósfera.

Los vórtices —flujos circulares cerrados de aire o agua— nacen de esta inestabilidad. En la atmósfera, se llaman ciclones y anticiclones (los patrones climáticos); en el océano se llaman remolinos. En ambos casos, son transitorios, formaciones ordenadas, emergiendo algo erráticamente y disipándose con el tiempo. A medida que salen de la turbulencia subyacente, ellos, también, se ven obstaculizados por la fricción, provocando su eventual disipación, que completa la transferencia de calor desde el ecuador (la parte superior del café caliente) a los polos (la parte inferior de la crema).

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Si bien el sistema de la Tierra es mucho más complejo que dos capas, analizar el transporte de calor en el modelo simplificado de Phillips ayuda a los científicos a resolver la física fundamental en juego. Ferrari y Gallet descubrieron que el transporte de calor debido a los vórtices, aunque direccionalmente caótico, termina moviendo el calor a los polos más rápido de lo que lo haría un sistema de flujo más suave. Según Ferrari, "los vórtices hacen el trabajo del perro de mover el calor, no movimiento desorganizado (turbulencia) ".

Sería imposible explicar matemáticamente cada característica de remolino que se forma y desaparece, por lo que los investigadores desarrollaron cálculos simplificados para determinar los efectos generales del comportamiento del vórtice, basado en la latitud (gradiente de temperatura) y los parámetros de fricción. Adicionalmente, consideraron cada vórtice como una sola partícula en un fluido gaseoso. Cuando incorporaron sus cálculos a los modelos existentes, las simulaciones resultantes predijeron los regímenes de temperatura reales de la Tierra con bastante precisión, y reveló que tanto la formación como la función de los vórtices en el sistema climático son mucho más sensibles a la fricción de lo previsto.

Ferrari enfatiza que todos los esfuerzos de modelado requieren simplificaciones y no son representaciones perfectas de sistemas naturales, como en este caso, con la atmósfera y los océanos representados como sistemas simples de dos capas, y no se tiene en cuenta la esfericidad de la Tierra. Incluso con estos inconvenientes, La teoría de Gallet y Ferrari ha llamado la atención de otros oceanógrafos.

"Desde 1956, meteorólogos y oceanógrafos han intentado, y falló, para entender este modelo de Phillips, "dice Bill Young, profesor de oceanografía física en Scripps Institution of Oceanography, "El artículo de Gallet y Ferrari es la primera predicción deductiva exitosa de cómo varía el flujo de calor en el modelo de Phillips con el gradiente de temperatura".

Ferrari dice que responder a preguntas fundamentales sobre cómo funciona el transporte de calor permitirá a los científicos comprender de manera más general el sistema climático de la Tierra. Por ejemplo, en el pasado profundo de la Tierra, hubo momentos en que nuestro planeta era mucho más cálido, cuando los cocodrilos nadaban en el Ártico y las palmeras se extendían hasta Canadá, y también épocas en las que hacía mucho más frío y las latitudes medias estaban cubiertas de hielo. "Claramente, la transferencia de calor puede cambiar en diferentes climas, por lo que le gustaría poder predecirlo, ", dice." Ha sido una cuestión teórica en la mente de la gente durante mucho tiempo ".

Como la temperatura global promedio ha aumentado más de 1 grado Celsius en los últimos 100 años, y está en camino de superarlo en el próximo siglo, la necesidad de comprender y predecir el sistema climático de la Tierra se ha vuelto crucial como comunidades, gobiernos y la industria se adapta al entorno cambiante actual.

"Me resulta sumamente gratificante aplicar los fundamentos de los flujos turbulentos a un problema tan oportuno, "dice Gallet, "A la larga, este enfoque basado en la física será clave para reducir la incertidumbre en los modelos climáticos ".

Siguiendo los pasos de gigantes de la meteorología como Norman Phillips, Jule Charney, y Peter Stone, que desarrolló teorías climáticas seminales en el MIT, este trabajo también se adhiere a una advertencia de Albert Einstein:"Fuera del desorden, encuentra la sencillez ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.