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CIENCIA. Cómo los océanos y la atmósfera mueven el calor alrededor de la Tierra y otros cuerpos planetarios

Esta visualización muestra las corrientes y temperaturas de la superficie del mar de la Corriente del Golfo. Crédito: Proyecto MIT / JPL titulado Estimación de la circulación y el clima del océano, Fase II (ECCO2)

Imagine una taza masiva de crema fría y densa con café caliente vertido encima. Ahora colóquelo en una mesa giratoria. Con el tiempo, ambos fluidos se mezclarán lentamente entre sí y el calor del café eventualmente llegará al fondo de la taza. Pero como la mayoría de los bebedores de café sabemos, agitar ambos fluidos es una forma más eficiente de distribuir el calor y disfrutar de una bebida que no esté hirviendo. La clave son los remolinos, o vórtices, que se forman en el líquido turbulento que se forma la "revolver". Si esperáramos a ver si la difusión molecular lo hiciera, llevaría una eternidad y nunca obtendrás tu café con leche templado.

Esta analogía ayuda a explicar una nueva teoría sobre las complejidades del sistema climático en la Tierra, y otros planetas rotacionales con atmósferas y / u océanos, esbozados en un artículo reciente publicado en PNAS. Puede parecer intuitivo que el ecuador solar de la Tierra esté caliente mientras que los polos relativamente privados de sol sean fríos, con un gradiente de temperaturas en latitudes medias. Sin embargo, el lapso real de ese gradiente de temperatura es relativamente pequeño en comparación con lo que de otro modo podría ser debido a la forma en que el sistema de la Tierra transporta físicamente el calor alrededor del globo a regiones más frías, moderando los extremos.

De lo contrario habría temperaturas insoportablemente altas en el ecuador y las latitudes templadas se congelarían. Entonces, el hecho de que el planeta sea habitable, tal como lo conocemos, tiene que ver con el transporte de calor desde el ecuador a los polos. Sin embargo, 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 el trabajo reciente: su investigación presenta 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 climático global.

El trabajo de los investigadores se basa en el de otro profesor del MIT, el meteorólogo Norman Phillips, quien, en 1956, propuso un conjunto de ecuaciones, el "modelo de Phillips", para describir el transporte global de calor. 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 turbulencias y predicen la distribución de temperatura en la Tierra con relativa precisión, siguen siendo muy complejas y deben resolverse con ordenadores. La nueva teoría proporciona soluciones analíticas a las ecuaciones y predice cuantitativamente el flujo de calor local, la energía que alimenta los remolinos y las características de flujo a gran escala. Y su marco teórico es escalable, lo que significa que funciona para remolinos, que son más pequeños y más densos en el océano, así como para los ciclones en la atmósfera que son más grandes.



Poner en marcha el proceso
La física detrás de los vórtices en su taza de café difiere de los de la naturaleza. Los medios fluidos como la atmósfera y el océano se caracterizan por variaciones en la temperatura y de la densidad en un sistema abierto En un planeta con rotación, estas variaciones aceleran fuertes corrientes, mientras que la fricción, en el fondo del océano y la atmósfera, las ralentiza. Este tira y afloja provoca inestabilidades en el flujo de corrientes a gran escala y produce flujos turbulentos irregulares que experimentamos en la forma de un clima cambiante 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 formaciones transitorias y ordenadas, que surgen de forma algo errática y se disipan con el tiempo. A medida que salen de la turbulencia subyacente, también se ven obstaculizados por la fricción, causando su eventual disipación, que completa la transferencia de calor desde el ecuador (la parte superior del café caliente) a los polos (el fondo de la crema).


Corrientes oceánicas planetarias

Acercarse a la imagen más grande
Si bien el sistema de la Tierra es mucho más complejo que dos capas en contacto, analizar el transporte de calor en el modelo simplificado de Phillips ayuda a los científicos a resolver la física fundamental en juego. Los investigadores han descubierto 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. De esta manera, los vórtices practican un trabajo ordenado de mover el calor, no el movimiento desorganizado (turbulencia)".

Sería imposible dar cuenta matemáticamente de 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, en función de los parámetros de latitud (gradiente de temperatura) y fricción. Además, consideraron cada vórtice como una sola partícula en un fluido gaseoso. Cuando incorporaron sus cálculos en los modelos existentes, las simulaciones resultantes predijeron los regímenes de temperatura reales de la Tierra con bastante precisión, y revelaron que tanto la formación como la función de los vórtices en el sistema climático son mucho más sensibles a la fricción de lo previsto.

Todos los algoritmos en los modelos físico-matemáticos requieren simplificaciones y no son representaciones perfectas de los sistemas naturales, como en este caso, con la atmósfera y los océanos representados como sistemas simples de dos capas, donde la esfericidad de la Tierra no se tiene en cuenta.  A medida que la temperatura global promedio ha aumentado más de 1 grado Celsius en los últimos 100 años, y está en camino de superar con creces la del siglo próximo, la necesidad de comprender y predecir el sistema climático de la Tierra se ha vuelto crucial a medida que las comunidades, los gobiernos, y la industria se adaptan al entorno cambiante actual.


Fuente:
- Basile Gallet et al. El régimen de escalado de gases de vórtice de turbulencia baroclínica, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2020). DOI: 10.1073 / pnas.1916272117
http://ferrari.mit.edu/wp-content/uploads/publications/GalletFerrariPNAS19.pdf

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