Lo que vemos todos los días en las noticias del tiempo. Premio Nobel de Física 2021

El objetivo de este artículo es explicar lo que aparece cada día en “el tiempo” de los telediarios. No se asuste el lector por los dos primeros párrafos de los que se podría prescindir. Se han incluido por ser riguroso con la fuente, y se han transcrito las razones que ha dado la Academia Sueca para dar el Premio Nobel de Física 2021. Este año ha sido concedido a Syukuro Manabe, de la universidad de Princeton. “For groundbreaking contributions for our understanding of complex physical systems”. Klaus Hasselmann del Max Planc Institute for Meteorology de Alemania, “for the physical modelling of Earth´s climate, quantifying variability and reliably predicting global warning y Giorgio Parisi. De la Universidad de la Sapientia. Roma “for discovery of the interplay of disorder and fluctuations in physical systems from atomic to planetary scales”.

Se me presenta por delante la tarea de intentar divulgar lo anterior. En español sería. “Por contribuciones innovadoras para nuestra comprensión de sistemas físicos complejos”; “por la modelización física del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo de manera fiable el calentamiento global” y “por el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria”.

Los dos primeros, especialistas en Física de Fluidos, (meterología), y el tercero en Física Estadística.

¿Va el Premio Nobel contra los negacionistas?

Parece que sí, porque demuestran de modo riguroso la conexión entre el cambio climático, el calentamiento global, incendios, desiertos…y la influencia de los gases generados por la acción humana. La Academia Sueca da fiabilidad a las predicciones que se hacen con sus modelos. (aunque va a costar mucho eliminar el pistón).

¿Qué son las contribuciones innovadoras para nuestra comprensión del sistema físico complejo?

Syukuro Manabe introdujo las computadoras para establecer un modelo del movimiento de fluidos en 1967, primero en una dimensión, como si se aplicara solo a una columna finísima, hacia arriba, con vapor de agua, y después en tres dimensiones para toda la atmosfera. El contexto de computadoras de 1967 no es el que vemos hoy en los telediarios.

Estamos inundados de complejidad a todas las escalas. Escalas se refiere al valor numérico que da el tamaño de las cosas. Una escala sería la del tamaño de las partículas subatómicas, su descripción es muy compleja. Otra escala sería la de los átomos y moléculas, otra los sistemas planetarios y galaxias. Se le ha dado por un modelo matemático, que sirve para todas las escalas.

En el modelo, que es una idealización, y lo vemos en la televisión cada día aparecen flechas tangentes a curvas, circunferencias, elipses, espirales… que representan vectores y una detrás de otra dan las líneas de los vientos. 

Todas se relacionan y dan lugar a fórmulas que se llaman algoritmo. Pero, aunque el de Syukuro Manabe no es exacto, la Academia Sueca lo da como fiable. Como ya se indicó en otro artículo de este periódico existe un premio de un millón de dólares para quien solucione  las ecuaciones de Navier Stokes

¿Qué es el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo de manera fiable el calentamiento global?

Desde que en 1834 se detectó y puso nombre al efecto invernadero la atmosfera ha cambiado mucho. A la tierra, llegan desde el sol radiaciones electromagnéticas vulgarmente llamadas luz que inciden en la superficie de la tierra. Parte calienta la superficie, pero parte se refleja. Esta última es radiación infrarroja que pasa a la atmosfera y calienta los gases. 

Los científicos dirían que existe en la atmosfera lo que se llama convección y se produce por diferencia de presión, temperatura o concentración entre dos puntos. Lo llaman gradientes, y dan lugar a movimientos de gases que producen los vientos, huracanes etc. 

Klaus Hasselmann demostró que es fiable la afirmación de que se puede atribuir el cambio climático a la acción humana pues los gases de efecto invernadero (vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxido nítrico ozono y compuestos de Flúor) están relacionados con ella.

¿Qué es la variabilidad?

Se ha medido la evolución del cambio de temperatura en cada década. Cada vez el aumento es mayor.

El aumento de temperatura en el último siglo ha sido de 0,9 grados en Europa. El aumento de la temperatura global en la superficie de la tierra ha sido de dos grados y el dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, ha aumentado el doble. 

¿Qué es el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria?

Esta tarea la realizó Georgio Parisi y es propia de la Física Estadística.

Como en medicina, existen distintos tratamientos para afrontar un problema, en este caso se trata estadísticamente. Se aplica la estadística a los fluidos atmosféricos. Aunque hay que tener cuidado, esta afirmación no es la teoría del caos. 

Vamos a explicarlo con un ejemplo práctico. El movimiento de las partículas de la leche y del polen en agua se llama movimiento browniano. Imágenes de él se pueden encontrar con cualquier buscador. Quien lo observara podría decir que aquello es un caos y no hay quien lo entienda. No es cierto, hay algo que hay que descubrir y que cumple ese movimiento.

Supongamos que, a cada partícula, que aparentemente se mueve de una forma caótica le atamos una goma que se estira y contrae por donde va, con todas las longitudes y todos los ángulos. Es verdaderamente un caos, pero dentro del caos hay algo ordenado, constante, que no cambia por lejos que se mueva. Esto es, una fórmula: “el valor medio de todas las distancias y todos los ángulos es cero”. 

Lo que acabamos de decir funciona escala molecular en el movimiento Browniano y el algoritmo lo formuló Einstein. Pero también funciona con las moléculas de aire en la atmosfera y con bandadas de pájaros. De alguna manera las aves migratorias notan que los puntos donde se encuentran las obliga a moverse como lo hacen, y el aparente caos no es tal. No existe caos, se ha puesto orden en la migración y se pueden hacer predicciones.

¿Qué es el spin glass y cómo se relaciona con el cambio climático?

Las publicaciones de estos premios Nobel se realizan en inglés, por este motivo puede resultar extraño el nombre spin glass. En realidad, se trata de átomos o moléculas de la atmosfera que se comportan como pequeños imanes y la Física Estadística deja de ser una ciencia inexacta con ellos. 

Imaginemos que lanzamos un numero impar de imanes muy débiles, para que no se influyan, en la atmosfera quieta, sin viento (¡atención!, estamos haciendo una idealización en las condiciones iniciales, “para que no se influyan en la atmosfera quieta”), se orientan en todas las direcciones, caóticamente, pero si ponemos cerca un gran imán, algunos se alinean con él. Muchos con el Norte mirando al gran imán y menos con el Sur opuesto al gran imán. El porcentaje de los que se ponen en línea y los que se ponen en contra, lo da una formula exacta. Esto parece contradictorio con la palabra estadística, que nos hace pensar en probabilidades y no en exactitud.

Si los imanes son de un gas de la atmosfera, y lo enfriamos muy rápidamente, solidifica, y pueden aparecer trozos de vidrio. Esto es debido a que la alineación que dijimos se ha frustrado, si el numero de imanes es impar. En la exposición de la Academia, el ponente, usa un triángulo para resaltar lo impar. Esto hace que algunos no se hayan visto influenciados por el campo magnético y el cálculo del porcentaje de los que se alinean y no se alinean, ha fracasado, pero, incluso así, el caos sigue reglas. Esto se debe a que el gas formado por los átomos o moléculas imanadas, de alguna forma se ha contaminado anormalmente por los gases de efecto invernadero respecto a una atmósfera más pura, y reaccionan así dando vidrios y no sólidos puros como lo haría el vapor de agua que se enfriara mas lentamente y pasara a hielo.

Fuente: Anuncio por el presidente de la Academia Sueca del Premio Nobel de Física con la exposición de motivos y explicación.

En el apartado de comentarios se pondrán más detalles para aclarar lo explicado anteriormente. 

Nicolás Moreno Díaz fue catedrático de instituto de Física y Química. Actualmente intenta divulgar lo relacionado con ambas asignaturas.