Premio Nobel de Física 2021: Modelos climáticos y sistemas complejos

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El Premio Nobel de Física de este año parece un poco fuera de lo usual ya que el estudio del clima y los sistemas complejos no parece que fuera algo tan fundamental como suelen ser los descubrimientos de física de partículas, cosmología o ciencia de materiales. Sin embargo, los sistemas complejos como el clima o las propiedades magnéticas de ciertos materiales están sujetos a los factores más difíciles de comprender y aceptar, y que incluso han sido sido utilizados para desprestigiar y desacreditar conclusiones sólidas como el calentamiento global. Estos factores son el caos y la incertidumbre de las predicciones.

La mitad del Premio le fue otorgada a Syukuro Manabe and Klaus Hasselmann «por los modelos físicos del clima de la Tierra, cuantificar la variabilidad y predecir confiablemente el calentamiento global». La otra mitad fue para Giorgio Parisi «por el descubrimiento de las interacciones entre desorden y fluctuaciones en sistemas físicos desde escalas atómicas a planetarias».

En este post vamos a concentrarnos en la parte climática del Premio, que podría ser la más inusual e inesperada.

¿Cómo se estudia el clima utilizando la física?

El clima es el resultado colectivo de la interacción de muchos factores. Entre ellos: la energía solar, la absorción de esa energía en la atmósfera, los diferentes tipos de suelo del planeta (océano, hielo, desierto, selva, etc.), las nubes, la turbulencia, las estaciones del año, el cambio entre día y noche, la mezcla de gases y partículas en la atmósfera; y desde la revolución industrial añadimos un factor más: el consumo de combustible fósil por los humanos.

¿Cómo, tan siquiera, empezamos a analizar y relacionar todos esos factores? Los primeros modelos climáticos desarrollados por Syukuro Manabe y sus colaboradores eran en efecto bastante simples. Consideraban que la atmósfera tenía variaciones verticales, pero que eran exactamente iguales para cualquier punto del planeta. Es una simplificación enorme, pero así es como se empieza a entender algo tan complejo. En física primero simplificamos el problema lo más que se puede y cuando vamos entendiendo lo más simple le vamos agregando complicaciones extra hasta hacer un modelo lo más realista posible.

En este modelo se considera que la atmósfera es una mezcla de gases: nitrógeno, oxígeno, vapor de agua y CO2 son los más importantes. De la física atómica sabemos que las moléculas de ciertos gases pueden absorber radiación electromagnética. Esto es precisamente lo que cuantificaban los primeros modelos: cuánta energía puede absorber el CO2 dependiendo de su concentración en la atmósfera. Manabe llegó a la conclusión de que si la cantidad de CO2 se duplicaba habría un incremento de temperatura de 2ºC.

En este cálculo Manabe tomó en cuenta el movimiento de aire debido a diferencias de temperatura, lo que se conoce como convección. Esto se da cuando el sol calienta la superficie terrestre y por consiguiente también el aire sobre ella. Al calentarse, el aire se vuelve menos denso y asciende por flotación. Eso es convección. La convección mezcla los gases en la atmósfera, transporta el vapor de agua que forma las nubes y que eventualmente se precipita como lluvia, nieve o granizo. En estos procesos se utilizan las leyes de la termodinámica para la transferancia de calor y cambios de fase del agua entre vapor, líquido y sólido (hielo). Todo el movimiento del aire está determinado por las leyes de Newton aplicadas a los gases.

Los modelos climáticos modernos utilizan la mecánica de fluidos para calcular el movimiento de los vientos. Utiliza la termodinámica para calcular la evaporación y condensación del agua. Utilizan el electromagnetismo y la mecánica cuántica para calcular la energía que entrega el sol, y muchos factores más. Cada interacción es una ley o fórmula de la física que se codifica en la computadora para hacer los cálculos que predicen el estado del tiempo a corto plazo y el clima en el largo plazo.

¿Cómo podemos saber el clima futuro si la atmósfera es un sistema tan complejo?

La predicción del estado de la atmósfera en cada punto del planeta es una tarea que demanda de gran poder de cómputo. Pero aún con las computadoras más poderosas no podríamos hacer una predicción perfecta del estado del tiempo. Esto es porque las ecuaciones que describen la atmósfera tienen un comportamiento caótico. Esto significa que errores pequeños en la medición de las propiedades de la atmósfera hacen que el modelo computacional y la atmósfera misma sean ligeramente diferentes. Esas diferencias se amplifican y hacen que los resultados de las simulaciones difieran enormemente después de un tiempo, aunque hayan iniciado de manera muy similar. Esto se puede apreciar en el siguiente video, en donde tres péndulos dobles se sueltan desde posiciones que difieren en menos de un grado. Al inicio se mueven igual, pero después de un tiempo cada quien toma caminos totalmente diferentes.

Esta es la parte de la contribución de Klaus Hasselman, quien se tomó la tarea de analizar la variabilidad del clima. De esa forma descubrió que aunque el estado del tiempo varíe de un día a otro, siempre es posible saber cuál es la tendencia a largo plazo.

La mejor analogía es cuando alguien saca a pasear a su perro. La persona camina en una trayectoria y el perro camina alrededor de esa trayectoria pero de forma variable y caótica. Con los métodos de Hasselman sería posible analizar la trayectoria del perro y deducir el camino tomado por la persona. Así lo demuestra Neil deGrasse Tyson en este video:

Entendiendo las consecuencias de nuestros actos

Los modelos climáticos nos han mostrado que todo lo que sabemos de física, junto con los algoritmos matemáticos y el poder de las computadoras nos dan la capacidad única de predecir el clima en nuestro planeta en los próximos años. Esto no es poca cosa. Es lo más cercano que tenemos a ver el futuro en una bola de cristal. Con los avances de los años la imagen es cada vez más clara. La imagen que vemos nos muestra que somos los humanos los que hemos cambiado el clima del planeta y que debemos tomar acción inmediata si queremos seguir existiendo en el pálido punto azul.

Los descubrimientos científicos nos han traído grandes avances en entendimiento y tecnología. Este año el Premio Nobel de Física honra el conocimiento aplicado al clima. Nos advierte que si no cuidamos nuestro planeta de nada habrá servido tanto descubrimiento científico, pues la vida depende enteramente del clima del planeta.

Diferencia entre el estado del tiempo (azul) y el clima (rojo) explicado en el documental «Cosmos» con Neil deGrasse Tyson.

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