Logran resolver un problema de física atmosférica que intrigaba a los investigadores desde hace décadas

La naturaleza tiende al desorden. Es lo que establece la segunda ley de la termodinámica y lo vemos en la experiencia diaria. Como escribe Stephen Hawking en Historia del Tiempo, “¡Uno solo tiene que dejar de reparar cosas en la casa para comprobarlo!” Pero…¿puede suceder lo contrario, que surja orden del caos? 

Esta pregunta atrae la curiosidad de los investigadores que intentan entender procesos atmosféricos desde mediados del siglo pasado. La respuesta, según muestran en un paper que se publica mañana en Science (https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8269), sorprende y permite entender de dónde proviene la energía de las estructuras de tamaño intermedio que vemos en la atmósfera, tanto en la Tierra como en otros planetas. “Por ejemplo, en Júpiter, la ‘gran mancha roja’, o en la Tierra, las tormentas que alcanzan tamaños de cientos de kilómetros –afirma Pablo Mininni, docente de Exactas/UBA, investigador principal del Conicet y uno de los autores del trabajo–. Es un interrogante abierto desde 1950 y en el que se profundizó durante los años 70, cuando empezaron a adquirirse muy buenas mediciones. A mí me inquieta desde hace mucho”. 

Los tres autores principales del trabajo, Mininni, Alexandros Alexakis, del Laboratorio de Física de l’Ecole Normale Supérieure, de la Universidad de la Sorbona, en Paris, Francia, y Raffaele Marino, del Laboratorio de Mecánica de los Fluidos y de Acústica, de la Universidad de Lyon, se conocen desde hace unos 20 años, cuando hicieron su posdoctorado en el mismo grupo del Centro Nacional de Investigación Atmosférica, en Colorado, Estados Unidos. Originalmente graduado en temas de astrofísica, el físico trabaja en problemas de fluidos y turbulencia atmosférica desde hace décadas. “Me fui interesando cada vez más cuando hice mi posdoc –cuenta–. Con Alex, fuimos compañeros de oficina, y el segundo autor, Raffaele, fue posdoc en nuestro grupo cuando Alex y yo ya éramos investigadores permanentes. Esto es algo que venimos hablando desde hace mucho”. 

Pero hete aquí que hace unos tres años, los científicos se dieron cuenta de que por diferentes caminos cada uno había generado las herramientas necesarias para resolver el enigma mediante simulaciones. 

“Justo antes de la pandemia, Alex y yo nos vimos en Niza y nos dimos cuenta de que Raffaele había estado trabajando en observaciones atmosféricas y ya tenía buena experiencia en cómo pensar y analizar los datos –cuenta Mininni–. Yo tengo acá, en Buenos Aires, un código numérico que desarrollamos hace décadas y que validamos con experimentos. Y Alex viene trabajando en un tema de física teórica que, sumado a las otras dos cosas, nos permitieron atacar el problema. Decidimos escribir un proyecto para obtener horas de cómputo. Muchísimas: pedimos 40 millones de horas de cómputo, algo que tiene un costo enorme y  exige atravesar un proceso de selección bastante duro. Competimos con equipos de toda la Unión Europea, ganamos y estuvimos un año haciendo simulaciones en la supercomputadora más grande de Francia, la Joliot-Curie, una Atos Bull Sequana X1000, con 79.488 procesadores”. 

Para hacerse una idea del volumen de datos con el que trabajaron, baste con mencionar que cuando se hacen las simulaciones del pronóstico para mañana o para dentro de tres días, la distancia entre puntos (resolución) en los cuales se obtiene la velocidad del viento y la temperatura es en general de alrededor de tres kilómetros. La simulación que hicieron en este estudio tiene una resolución de 39 metros. “O sea, tenés un punto más o menos cada unos 30 metros –ilustra Mininni–. Cuando uno hace algo tan grande, termina usando casi el total de la supercomputadora. Primero hay una etapa en que hay que adaptarse a la herramienta, porque pueden aparecer obstáculos técnicos que requieren ajustes. Una vez que se supera esa etapa, cada dos o tres días uno tiene que parar porque hay que chequear que la simulación esté funcionando bien, que los resultados sean correctos, porque si uno ‘se quema’ todas las horas y ocho meses después descubre que está todo mal, no hay vuelta atrás. Fue un año muy intenso. Tuvimos que hacerlo a distancia, porque el proyecto lo ganamos justo antes del inicio de la pandemia y la simulación la hicimos en buena medida durante la pandemia”. 

Se necesita una supercomputadora porque hay que trabajar con una miríada de datos. Solo en un instante, los correspondientes al viento y la temperatura son cuatro terabytes [billones de bytes]. En total, generaron más de  medio petabyte de datos [que equivale a 1015 bytes; es decir, un 1 seguido de 15 ceros]. “Cuando uno alcanza esas cantidades, llega un momento en el cual es más fácil mover los datos en avión que por la Internet –bromea Mininni–. Cuando se pudo viajar, un colega me trajo en avión los discos rígidos a Buenos Aires. A veces, es más eficiente el ancho de banda de un avión que el de la fibra óptica…”

Los resultados los validaron de varias formas. Mininni y su equipo desde hace tiempo vienen contrastando el código que se usa para resolver las ecuaciones con observaciones, en experimentos que hacen in situ. “Tenemos un laboratorio en el que generamos flujos turbulentos y comparamos lo que se mide contra los resultados del código –explica–. El año pasado también publiqué un trabajo en el que usamos el mismo código para reproducir la erupción del volcán Hunga Tonga en el Pacífico. Todo eso nos genera confianza en que realmente podemos capturar el fenómeno físico. Otro de los autores principales del trabajo hizo mediciones con globos en la atmósfera que permitieron validar los datos que genera el modelo y verificar si son compatibles con lo que se observa”.

La resolución de este problema no solo ayudará a mejorar los pronósticos, sino que también agrega una pieza crucial al rompecabezas del cambio climático. “En la Tierra, la atmósfera se mueve por la diferencia de temperatura entre el Ecuador y los polos, y entre el suelo y las capas altas. Se podría explicar así: como cuando se calienta el fondo de una pava y después de un rato el agua empieza a moverse, la radiación solar calienta el suelo y eso genera un hervor. Lo que veníamos preguntándonos es si la atmósfera se desordena como cuando revolvemos una taza de café y generamos un remolino grande que a su vez produce otros cada vez más chiquitos, o si todos esos movimientos en escalas chiquititas se van fusionando espontáneamente y generan un orden a partir del desorden. De eso depende cómo se distribuye la energía que llega del Sol, algo que incide en el error del pronóstico. Ya se sabía que el mecanismo de desorden en la atmósfera funciona: la energía que llega por radiación solar genera movimiento en escalas planetarias y luego produce estructuras más chicas. Eso estaba claro. Pero el otro proceso, que la atmósfera también puede ordenarse espontáneamente, estaba planteado como hipótesis, no se sabía si podía ocurrir en la realidad. Y eso es lo que nosotros mostramos: en la atmósfera ocurren los dos fenómenos, se desordena, pero también se ordena. Es como el yin y el yang, porque hay orden en el desorden, y desorden en el orden. La explicación clásica es que en la atmósfera las estructuras más grandes generan otras más chicas. La teoría permitiría también el proceso opuesto: que estructuras más pequeñas se ordenen y generen estructuras más grandes. Pero nunca se había observado este proceso teórico en situaciones realistas en atmósferas planetarias. Lo que hacemos en este trabajo es mostrar que esto también ocurre, que el orden y el desorden se alimentan entre sí”.

De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, los procesos naturales tienden a desordenarse y no a ordenarse. “Cuando miramos la naturaleza, lo que vemos es que tiende al desorden, pero hay situaciones en las cuales sucede lo contrario –explica Mininni–. Hay sistemas físicos que espontáneamente se ordenan. Un ejemplo es el fenómeno de sincronización. Como cuando se pone metrónomos sobre una mesa, todos a destiempo, y poco a poco se van ordenando y se sincronizan. Ese es un ejemplo que ocurre en la naturaleza, en el cual el sistema espontáneamente se organiza. Eso ocurre bajo ciertas condiciones en sistemas caóticos, no lineales. A veces, del caos puede emerger el orden. La atmósfera es un sistema de ese tipo. Se puede desordenar, pero también puede emerger orden en forma espontánea”. 

Así, fenómenos que ocurren en tamaños de diez o 15 km le pueden entregar energía a estructuras que tienen 500 km, que es el tamaño aproximado de una tormenta, un tornado, un huracán. “Esto fue inesperado –concluye el investigador–, porque en meteorología se espera que las escalas planetarias estén ordenadas. Que el fenómeno de organización empiece en una escala tan pequeña es sorprendente. Nuestros resultados muestran que remolinos chiquitos se pueden fusionar y entregarle energía a estructuras mucho más grandes. Cambia bastante la comprensión de lo que ocurre en la atmósfera”. 

Para Mariano Cantero, que cumple su segundo mandato como director del Instituto Balseiro, el trabajo es muy interesante en varios aspectos. "Por un lado, está el impacto que tienen los resultados en la comprensión de la fenomenología atmosférica, y el consecuente  impacto que puede tener en la mejora de los pronósticos climaticos e impacto en sectores productivos, como por ejemplo, en la agricultura. En segundo lugar, está el valor científico de los resultados, que muestran cómo en ciertos casos particulares las transferencias de energía se dan en el sentido opuesto a lo que se conoce, cosas que también hemos observado en nuestros trabajos de flujos multifase estratificados. Finalmente, es muy impresionante la dimensión de los cálculos presentados, claramente en el estado del arte de lo que es la simulación numérica de fluidos. Es un enorme orgullo que un colega argentino, formado en nuestras universidades públicas  y trabajando desde esos lugares tenga una producción científica de este nivel e impacto. Me da mucha alegría".

Nota al pie: este trabajo se realizó en uno de los centros de cómputo más importantes del continente europeo, pero en el futuro podría hacerse en la Argentina. “La nueva supercomputadora que se está poniendo en marcha en el Servicio Meteorológico Nacional, Clementina XXI, pondrá al sistema científico argentino en un nivel de competitividad internacional altísimo –destaca Mininni–. Estamos hablando de una máquina que está entre las 100 más grandes del mundo y eso tendrá un impacto concreto en la calidad del pronóstico, porque hoy se hace un pronóstico con una resolución de cuatro metros y el aumento de la capacidad de cálculo siempre redunda en una mejora del pronóstico. La computadora ya está instalada y tiene una tecnología muy, muy nueva. Hay solo tres máquinas en el mundo con esta tecnología”.