Muros de agua en el océano
El concepto de “muros de agua”, se utiliza en arquitectura bioclimática como una estrategia para amortiguar las variaciones de temperatura de un determinado, reducido, lugar. Se trata de simples sistemas que absorben calor, produciendo una bajada de temperatura. Pero existe otro significado para el titular del artículo, relacionado con la dinámica de fluidos en los océanos.
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En 2010, en el Golfo de Méjico tuvo lugar un vertido de petróleo desde la plataforma Deepwater Horizon. El turismo comenzó a desaparecer creyendo que la marea negra invadiría las playas. Sin embargo… el problema no evolucionó así. Algo sucedió que evitó la total contaminación de las playas...
Durante el tiempo que duró el derrame sucedió que un “muro invisible” impidió el avance del crudo de petróleo. No se trataba de un obstáculo sólido sino de un muro de agua que se desplazaba poco a poco según las corrientes oceánicas. Esta estructura acuática se mostró tan efectiva como cualquier sistema de contención.
El nombre de este fenómeno es “barreras de transporte”. Realizan un proceso de separación entre el agua que avanza en un sentido y en el opuesto. Su presencia informa sobre el movimiento de las aguas, como si se tratara de un mundo ordenado dentro del caos oceánico.
Se pudo comprobar que el petróleo del vertido de Méjico desapareció antes de lo esperado y, además, no se extendió hacia el Atlántico, por Florida. Conocer el fundamento de este mecanismo, permitiría una optimización de las tareas de limpieza en vertidos.
En otros sistemas con régimen turbulento, como el torrente sanguíneo, podría ayudar a aclarar cómo se forman las placas en las arterias, ateromas, predecir el transporte de esporas alérgenas en corrientes atmosféricas.
Todo esto se rige por la llamada Teoría del Caos.
Desde hace tiempo se habla del “efecto mariposa” que trata de explicar que la más mínima perturbación podría desencadenar cambios dramáticos: las infinitesimales perturbaciones provocadas por el aleteo de una mariposa podría acumularse y generar, tiempo después, un tornado en otro lugar del planeta.
Los fluidos son lo que se llama un sistema caótico. La dinámica de fluidos trata de explicar situaciones de todo tipo: corrientes oceánicas, trayectoria de un balón de fútbol al ser golpeado, el movimiento del aire en torno al ala de un avión o el álabe de un molino generador eólico. El comportamiento de estos sistemas se explica mediante las ecuaciones de Navier-Stokes. Sin embargo, la tremenda dificultad radica en la resolución de estas ecuaciones diferenciales complejas.
Tratando de explicar el fenómeno observado en Méjico, colocaron 4 boyas en la zona. Colocaron dos en cada parte de la barrera de transporte, observando que las de un lado seguían el flujo de las aguas que recirculaban hacia el interior de la bahía, las otras por las corrientes hacia el sur, paralelas a la costa.
Sin embargo, una de las boyas, permaneció en la zona durante 16 días. Según los investigadores, esto demostraba la la existencia y persistencia de una barrera, como un muro de agua, creado en el interior del océano.
Matemáticamente se aplican las estructuras coherentes lagrangianas para explicar estos comportamientos.
El agua cálida del Golfo de Méjico es rica en microorganismos que degradan los hidrocarburos. Si el aporte de hidrocarburos es excesivo, le población de bacterias crece. Pero se pudo comprobar que los microorganismos acabaron acumulándose en determinas zonas, determinadas por las barreras de transporte. Esta acumulación facilitó la degradación de los hidrocarburos.
Se ha observado que algunos fluidos desarrollan en su seno configuraciones relativamente estables, denominadas estructuras coherentes lagrangianas, o barreras de transporte: líneas invisibles que separan los regímenes de circulación de un fluido.
“En principio, una solución exacta de las ecuaciones de Navier-Stokes permitiría describir con todo detalle la evolución de un fluido. Sin embargo, el grado de precisión con el que podrá determinarse su comportamiento futuro dependerá de la minuciosidad con la que conozcamos su estado presente, lo que los matemáticos denominan «condiciones iniciales». Pero, dado que es imposible saber hacia dónde se dirige cada molécula de agua en el océano, y que en un sistema caótico toda incertidumbre —como el batir de las alas de una mariposa— aumenta exponencialmente con el tiempo, cualquier solución de las ecuaciones de Navier-Stokes se tornará rápidamente inservible”
No obstante, «caótico» no significa «aleatorio». Las estructuras que se forman en el seno delagua oceánica forma lo que llaman «el esqueleto de la turbulencia». Una vez localizadas, y aun a falta de una solución exacta de las ecuaciones de Navier-Stokes, resulta posible predecir a corto y medio plazo hacia dónde se verá arrastrado un objeto.
¿Qué aspecto presentan dichas estructuras? Podemos verlas cada vez que observamos un anillo de humo: una curva hacia la que fluyen las partículas, como si estuvieran atraídas por un imán. Por regla general, tales estructuras suelen ser invisibles, pero, al exhalar el humo, las partículas que lo componen se concentran a su alrededor y delatan su presencia.
También existen las estructuras coherentes lagrangianas repulsivas; aquellas que, en caso de ser visibles, se observarían como una curva que ahuyenta las partículas.
Además de las corrientes oceánicas, el estudio de las barreras de transporte ha permitido entender otros fenómenos. Se ha investigado el efecto de las barreras de transporte atmosféricas en la distribución de patógenos en el aire. Emplearon un pequeño avión teledirigido para tomar muestras a diferentes altitudes. Al atravesar una estructura atractiva o al cruzar dos configuraciones repulsivas contiguas, los investigadores detectaron un pico en el número de esporas del hongo Fusarium. Ross cree que, en el primer caso, las esporas experimentaron un tirón hacia las estructuras coherentes; en el segundo, habrían quedado atrapadas entre dos barreras repulsivas.
La aplicación de estos conceptos al estudio del torrente sanguíneo, permitió delimitar la frontera entre la sangre bombeada en un latido de corazón y la expulsada en el siguiente. Se demostró que, en un ventrículo de tamaño normal, la mayor parte de la sangre permanece allí durante dos latidos como máximo. Sin embargo, en un ensayo clínico se observó que, en seis sujetos que padecían hipertrofia cardíaca, parte de la sangre recirculaba durante más tiempo, circunstancia «ampliamente reconocida como factor de riesgo de trombosis»
Pero predecir el comportamiento de un fluido no agota sus posibilidades de estudio. Las técnicas de simulación retrospectiva podrían ayudar a determinar la procedencia de las manchas de petróleo que en ocasiones aparecen en las playas, sin ser conocido su origen. Con frecuencia proceden de barcos hundidos.
Lo mismo ocurre con los restos de un naufragio o un accidente aéreo. Dado que con los modelos oceánicos resulta imposible dar marcha atrás en el tiempo, los equipos de rescate no pueden extrapolar retrospectivamente la trayectoria de los restos observados y dar con su procedencia. Cualquier avance en este campo, permitiría un ahorro de tiempo en la búsqueda dramática de supervivientes en caso de accidentes.
Actualmente, los matemáticos intentan ampliar estas investigaciones a otras clases de estructuras organizadas en fluidos turbulentos, como remolinos y chorros. Una comprensión más profunda de su comportamiento permitirá abordar preguntas aún inexplicadas.
Ismael Camarero.
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Para saber más:
https://freelancescience.wordpress.com/2010/09/17/sistemas-hamiltonianos-y-caos/
http://rincondelaciencia.educa.madrid.org/Curiosid/Rc-49/Rc-49.html
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