Junio 2010
Junio 2010
¿QUÉ SON Y POR QUÉ SE DAN LOS EVENTOS CATASTRÓFICOS DEL CLIMA?
Walter Ritter Ortíz y Tahimi E. Perez Espino
Centro de Ciencias de la Atmósfera. UNAM,
Circuito Exterior. CU. 04510 México DF. México
INTRODUCCIÓN
Muchas han sido las fuentes de energía que contribuyeron al nacimiento del globo y a sus metamorfosis. Buen número de ellas tuvieron consecuencias catastróficas: en efecto, de la uniformidad no podemos esperar que nazca nada nuevo. Sin esos aportes de energía, sobrevenidos en diferentes momentos nuestro planeta no habría podido evolucionar y hubiera seguido siendo una roca clavada a su órbita en el espacio cósmico.
El comportamiento actual de la materia terrestre, está íntimamente relacionado con sus fuentes de energía. La distancia al sol condicionó el volumen y la composición química de la Tierra, que han sido la base de su evolución posterior. La composición química definió las características de la atmósfera, el suelo y la hidrosfera, así como la posibilidad de desarrollo de vida.
Nuestra situación es fruto de un concurso extraordinario de circunstancias propias de un planeta distinto de los otros. Situación privilegiada que se agrega a una evolución de las condiciones físicas terrestres que conduce al nacimiento de la vida. El factor más importante de la evolución de la Tierra es la presencia de agua de características físicas particulares. Los hielos que se forman en las regiones polares flotan y no se acumulan en el fondo. Si así no sucediera, los hielos llenarían los océanos, que se congelarían; no habría más corrientes marinas y toda la máquina termodinámica de los climas se encontraría bloqueada.
Es de esperarse que durante los tiempos geológicos en que la distribución de los continentes era bastante diferente de la actual, la circulación general de la atmósfera también mostrara diferentes patrones. En adición a la contribución del transporte de energía hacia los polos, la distribución de la temperatura superficial oceánica, también influye en las características de la circulación global de la atmósfera, así como la localización de la corriente de chorro y de la zona de convergencia intertropical (ZCIT). Las anomalías superficiales de temperatura tales como las asociadas con el Niño/Oscilación del Sur (ENSO), han tenido una gran importancia en las últimas décadas a través de interacciones dinámicas complejas con la circulación de gran escala, a menudo con manifestaciones climáticas severas.
Las catástrofes planetarias son principalmente de tipo climático. Las crisis climáticas corresponden a la sequía o a los años demasiado húmedos, a los períodos fríos o a los años demasiado cálidos. Cada perturbación en una región, se compensa por un fenómeno inverso en otro lugar, estableciéndose un fenómeno de compensación entre los continentes así como entre continentes y océanos.
Es posible que fuertes alteraciones sobre grandes áreas tales como las que ocurren en las zonas deforestadas de la amazonia o de los bosques lluviosos de Asia puedan producir respuestas climáticas de teleconección similares a aquellas inducidas por anomalías superficiales de la temperatura oceánica.
La distribución de las áreas cubiertas de hielo nos da también un importante forzamiento para el clima global, donde los incrementos de la cubierta de hielo nos llevan a una mayor reflectividad de la radiación solar y a decrementos en temperatura que a su vez nos llevan a la expansión de las áreas con hielo cerrándose de esta forma un ciclo de retroalimentación. Los forzamientos de gran escala son debidos por lo general a la característica orbital del planeta o la abundancia de constituyentes atmosféricos que regulan la circulación general de la atmósfera.
Las herramientas primarias disponibles hoy en día para la simulación climática nos dan una representación tridimensional de la atmósfera y son conocidos como modelos de circulación general de la atmósfera, donde se resuelven las ecuaciones de conservación, de momentum, masa y energía para una parcela de aire e incluye en formas más o menos complejas los principales procesos físicos de la atmósfera; transferencia radiativa, formación de nubes precipitación, física de la capa frontera y física superficial.
Predicciones de cambio climático requieren representaciones de la retroalimentación entre la atmósfera los océanos y las zonas de hielo.
Aunque los modelos de circulación general de la atmósfera pudieran representar de manera adecuada las principales características de su circulación general, su reproducción climática regional en detalle todavía es bastante pobre. Los movimientos de mesoescala y de gran escala están dados por diferentes grupos de forzamientos donde los forzamientos de gran escala que dirigen la circulación global sobre la tierra son inducidos por interacciones complejas entre la atmósfera, la hidrosfera, la biosfera y la criosfera.
De estos componentes del sistema global de circulación, la atmósfera presenta los tiempos de respuesta más rápidos que varían de unos pocos días a unos pocos meses para diferentes regiones atmosféricas. Para estas escalas de tiempo las propiedades de variación más lenta que se observan es en rangos de años para la superficie oceánica y para los hielos de 10 000 años, que pueden ser vistas como forzamientos de tipo externo pero en general esto no es una interacción en un solo sentido, ya que las variaciones climáticas pueden a su vez afectar los componentes de variación más lenta como la circulación oceánica superficial, la distribución de la vegetación y la extensión de las áreas cubiertas de hielo, llevándonos a posibles e importantes proceso de retroalimentación donde la principal fuente de energía para el mantenimiento de la circulación general terrestre es la entrada de la radiación solar que depende de las emisiones de energía del sol y las características orbitales de la Tierra.
Variaciones en la intensidad y distribución de la radiación solar aun para magnitudes relativamente pequeñas, pueden llevarnos a cambios sustantivos en el clima global de la Tierra y han sido asociados a las ocurrencias de las eras de hielo. Recientes observaciones de satélite sugieren que independientemente del ciclo solar de 11 años las emisiones solares pueden variar entre 0.1 y 0.3 %. en escalas de décadas o aún para tiempos más cortos
Nicolis & Nicolis Observaron que el clima mundial de hace un millón de años estaba restringido a un atractor de dimensión tres. Si esto es correcto deberíamos de ser capaces de simular la atmósfera con ecuaciones cerradas de solamente cuatro variables independientes. Una entropía de Kolgomorov pequeña será la indicación más directa de que el clima es predecible para determinadas escalas de tiempo.
Estas ideas incluyen la noción geométrica de la dimensión de correlación utilizadas para analizar matemáticamente los atractores. Resultados de análisis de observaciones meteorológicas diarias soportan la existencia de tales atractores sugiriéndose que los atractores extraños pueden ser caracterizados por medio de series de tiempo finitos de sistemas dinámicos. La dimensión de correlación obtenidas de una secuencia de espacios dimensionales superiores están directamente relacionados a la geometría del atractor además de que ha sido extensamente utilizada para caracterizar las propiedades de los fractales, así aunque un fluido puede potencialmente tener un número muy grande de grados de libertad los estudios señalan que solo existen unos pocos grados de libertad significativos en tales sistemas complejos. Olvidándonos del hecho de que puede ser difícil identificar estas variables permanece el interés de determinar si un sistema tan complejo como la atmósfera puede ser representado por un atractor de baja dimensión donde este número de dimensión pudiera funcionar como una guía en el desarrollo de nuevas teorías del clima.
MODELOS DE CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA
Los modelos de circulación general de la atmosfera son las principales herramientas con las que contamos hoy en día para estudiar la respuesta de la circulación general sobre la Tierra a forzamientos de escala mayor, sin embargo se ha visto que su resolución es demasiado gruesa para poder darnos los detalles climáticos con exactitud en regiones donde los forzamientos de mesoescala son importantes, y de que los resultados que son lo suficientemente finos dados por estos modelos no son computacionalmente posibles para más de cinco a 10 años.
De todo esto la comunidad científica se confronta con la necesidad de desarrollar herramientas de modelación para obtener resoluciones regionales del clima mucho más exactas por lo que se ha revisado un amplio rango de tales herramientas, las cuales pueden tener bases empíricas o bases físicas presentando varios grados de éxito. Lo que hemos llamado las técnicas empíricas y semiempíricas son más fáciles de implementar pero están limitadas por la disponibilidad de datos de buena calidad y especialmente por su propio empirismo ya que el hecho de que ellos no representan explícitamente los efectos de forzamiento de mesoescala y de que algunos de estos cambiaran las condiciones futuras del clima.
Dichos métodos deben de tener un rápido desarrollo ya que contribuyen en el conocimiento de las respuestas regionales a los cambios climáticos sean estos del pasado o del futuro.
Los forzamientos superficiales juegan un rol crítico en la determinación de la dinámica de la troposfera, de la atmósfera superficial y de sus intercambios de radiación, momentum, calor sensible y vapor de agua, que son importantes en el balance energético y dinámico de la atmósfera, así como para el mantenimiento de los patrones globales de circulación, balanceando estos y transportando dicha energía y momentum de las regiones ecuatoriales hacia los polos.
Se entiende que el Niño es la fase caliente de un ciclo irregular de un modo acoplado del océano-atmósfera y de la variabilidad climática. La fase fría de este modo es la Niña, en un amplio sentido, es el signo inverso de El Niño, con una asimetría probablemente introducida por la no linealidad del sistema. Las características que la identifican son un incremento de las temperaturas superficiales del óceano, contrastado entre las regiones del Este y Oeste con vientos más fuertes que los normales en el Este. La pendiente de la termoclina incrementa, volviéndose somera en el Este y profunda en el Oeste, que trae agua fría a la superficie en el Este y concentra la superficie de agua caliente más lejos al Oeste.
En el hemisferio Norte las grandes complejidades topográficas y la distribución continente-océano afectan fuertemente la localización de los mayores centros semipermanentes en los campos de presión de nivel oceánico y la corriente de chorro. El forzamiento primario asociado con la complejidad costera puede ser de dos tipos, la primera es orográfica y es inducida por las cadenas montañosas que se extienden a través de las costas, el segundo tipo de forzamiento es térmico y es inducido por la diferencia de calentamiento superficial entre continentes y océano; esta diferenciación de calentamiento genera contrastes entre el continente y los océanos y en la estabilidad atmosférica, reforzando procesos de convección, precipitación y nubosidad sobre los continentes en el verano y decrecimiento de la actividad convectiva en el invierno.
MÉTODOS EMPÍRICOS Y SEMIEMPIRICOS DE ANÁLISIS CLIMÁTICO
Escenarios regionales de simulación climática producidos por diferentes métodos varían en su sensibilidad dependiendo de los datos utilizados, observándose consistentemente que los efectos de los cambios globales de temperatura se sienten más fuertemente en latitudes altas y durante la estación de invierno, donde debido a perturbaciones en los patrones de la dinámica de circulación global de la Tierra, los efectos regionales son espacialmente multidireccionales, donde las diferentes regiones pueden tener diferentes respuestas a los cambios globales, mostrando la precipitación los mayores patrones de complejidad.
Otra de las dificultades concernientes al análisis de la información muestran que la distribución espacial de los escenarios climáticos regionales puede depender fuertemente de los periodos de tiempo escogidos para construir dichos escenarios tratando de utilizar aquellos datos en periodos de tiempo en que el clima global no presenta fuertes cambios por lo que si tomamos como indicador la temperatura media superficial y global del aire este no ha cambiado en los últimos 150 años en más de un grado Celcius y dada la naturaleza altamente no lineal de los sistemas climáticos y los diferentes tiempos de respuestas de sus componentes, existen suficientes razones para creer que los resultados regionales del análisis de la información para estos periodos de tiempo no aplican para cambios climáticos globales de mayor magnitud.
En suma parece que el abordaje empírico puede ser de uso limitado para proyecciones de cambio climático regional y debido a su naturaleza no determinística y la no linealidad en el sistema climático, no debemos esperar estimaciones cuantitativas exactas en la estadística de los climas regionales pero pueden revelar importantes efectos y pueden ser usados en las estimaciones cualitativas de la dirección y rangos de la posible variación regional climática.
Es interesante también notar que algunas de las conclusiones alcanzadas a través de los estudios empíricos son consistentes con los correspondientes estudios de simulación de la circulación general de la atmósfera, lo que podemos tomar como una prueba de la validez de los métodos empíricos. Una metodología similar pero más avanzada a sido usada para estimar los cambios en la variabilidad climática donde estadísticamente se simulan las series de tiempo del clima observado, usando parámetros estimados de las observaciones, y luego alterando dichos parámetros para formar nuevas series de tiempo y analizar los efectos de los cambios en los parámetros sobre la frecuencia de la ocurrencia de eventos climáticos, esto se ha usado para simular las series de tiempo como entradas al modelo de simulación climática y para determinar como estos modelos responden a cambios en la variabilidad climática.
Otra técnica más sofisticada consiste en el desarrollo de relaciones de regresión entre las series de tiempo observadas dentro de una región dada y consiste en el cálculo de funciones ortogonales empíricas y correlacionar los coeficientes que expliquen la mayoría de la varianza total sobre la región con el promedio regional. Si esta correlación es buena entonces las direcciones de los promedios regionales pueden ser utilizados como predictores de las funciones ortogonales empíricas las cuales a su vez pueden describir la distribución a escala de mesoescala de las desviaciones de las temperaturas y precipitación mensual.
Las principales limitaciones básicas de esta metodología semiempirica es que los forzamientos de mesoescala y sus interacciones con escalas mayores y sistemas sinópticos no son descritos en términos básicos de la física por lo que no existe la confianza de que estas relaciones predictivas empíricas desarrolladas para el clima del presente, aplicarán bajo diferentes condiciones de forzamiento y la extensión asociada con la incertidumbre asociada con estos problemas en general dependerán de los procesos físicos siendo considerados, las cuales pueden estar sujetas a modificaciones sustanciales debidas a mecanismos de retroalimentación de la atmósfera y la biosfera o de otro tipo de causas externas y son técnicamente solamente válidos para predicciones dentro del rango de los datos utilizados para desarrollarlos y por lo mismo se requieren series de tiempo relativamente largas para construir estadísticas climáticas significativas que muchas veces son contaminadas debido a cambios de instrumental y de localización de las estaciones.
Escoger los predictores adecuados es crítico para la aplicación exitosa de estos métodos donde los predictores deben ser representativos de los procesos que afectan dichas variables.
VORTICE CIRCUMPOLAR
El funcionamiento de la atmósfera también está interconectado y la característica clave a largo plazo de la evolución del clima (décadas o siglos) son las variaciones del vórtice circumpolar.
El vórtice circumpolar ha sido una característica de la Tierra durante la mayor parte de su existencia y parece tener poca influencia por la distribución de continentes y océanos, sin embargo el vórtice circumpolar con sutiles cambios de posición y al dilatarse desde el polo, hace que ciertas zonas climáticas incluyendo el cinturón monzónico queden comprimidas hacia el Ecuador.
Condiciones de bloqueo y una corriente de chorro ondulada pueden llegar a producir en Europa sequías en el Oeste y copiosa precipitaciones en el Este, que cuando se desvanecen vuelven a aparecen en las regiones de Norteamérica por efectos de teleconexión.
Cuando la Tierra tiende a calentarse y la circulación circumpolar se intensifica, las condiciones climáticas tienden a ser más moderadas con menos extremos de temperatura y lluvias más previsibles para los agricultores de latitudes medias.
La posibilidad de que el tercer mundo se vea beneficiado de un aumento del dióxido de carbono, mientras que las del mundo desarrollado sufrirían, es algo que todavía no podemos probar, pero con esto estaríamos
introduciendo una nueva dimensión en la política global e interrelación humana, lo que si sabemos es de que esto dependería en gran parte, de que el efecto del calentamiento en la atmósfera debido al aumento del dióxido de carbono (efecto invernadero) pueda pronto llegar a ejercer una influencia real en el clima, así como la posibilidad de que cualquier tendencia al enfriamiento, pueda ser compensada por la influencia de las actividades humanas sobre el clima, pero la amenaza inmediata seguiría siendo la continuación del retorno hacia las condiciones más frías e irregulares de la pequeña glaciación.
Existen indicios procedentes de largos archivos climáticos, tales como los isótopos de hielo de Groenlandia, de la existencia de un ritmo reiterativo en el clima. Lamb por otra parte aporta pruebas de una circulación global atmosférica debilitada en las últimas décadas. Si el vórtice circumpolar se debilita la Tierra se enfría y se establecen los anticiclones de bloqueo.
Por razones poco conocidas un anticiclón de bloqueo (regiones de aire despejado y en calma) puede quedar estacionario en un lugar por días o semanas, alrededor del cual se mueven los otros sistemas meteorológicos. Una alta de bloqueo que permanece demasiado tiempo en un lugar se convierte rápidamente en un problema ya que puede dar lugar a el inicio de una sequía.
No sabemos exactamente en qué años se producirán sistemas de bloqueo; pero si podemos ver que la mayor frecuencia de sequías y de otros extremos climáticos observados en la actualidad, pudieran señalar que se está retornando a unas condiciones que dominaron el globo durante el pasado milenio. Vivimos en un período interglaciar y el retorno a condiciones normales seria precisamente lo que estas señales nos están dando a entender.
EL VÓRTICE CIRCUMPOLAR Y LA PRESENCIA DE SEQUÍAS
El vórtice circumpolar o corriente general de los vientos del oeste, es el factor o actor principal de cambio de la circulación atmosférica que llega a afectar a todo el hemisferio norte.
Cuando el vórtice circumpolar se presenta con una mayor fuerza, la corriente de chorro también presenta esta misma situación con un mínimo de meandros, con lo que las zonas climáticas del sur pueden extenderse hacia el norte permitiendo que los monzones lleguen con cierta regularidad a sus lugares de origen y las regiones climáticas templadas no presentan situaciones extremas.
Los tiempo climáticos tan variables que vivimos tienen una relación muy estrecha con la dilatación y debilitamiento que presenta este vórtice circumpolar, empujando el monzón hacia el sur y permitiendo que los anticiclones de bloqueo retornen con una mayor frecuencia, haciendo que los sistemas de baja presión cargadas de humedad se muevan a lo largo de los extremos de los meandros, norte o sur de sus trayectorias principales.
La desaparición de las lluvias del Sahel, pueden también explicarse por la dinámica de dilatación del vórtice circumpolar, con una mayor influencia hacia el sur, comprimiendo y empujando las zonas climáticas hacia el Ecuador e impidiendo o limitando la penetración del monzón hacia el norte. Situación clásica de debilitamiento del vórtice circumpolar y por lo tanto de una situación de catástrofe climática. Ambas situaciones son derivados de una circulación general de la atmósfera influenciada a su vez por la distribución de los continentes.
EL FENÓMENO CLIMÁTICO DE EL NIÑO, OSCILACIÓN DEL SUR (ENOS):
FÍSICA Y PRINCIPALES COMPONENTES DE LA CLIMATOLOGÍA DEL ENOS
La corriente del Perú es normalmente una corriente fría, sin embargo, con una periodicidad de 4 a 5 años, aumenta su temperatura y entonces recibe el nombre de El Niño. Estas aguas frías son ricas en nutrientes y fitoplancton por lo que atraen a los peces. Estas corrientes y sus vientos reflejan las interacciones océano-atmósfera, cuyo componente más importante es el anticiclón del Pacífico sur. Periódicamente, el anticiclón deriva hacia el oeste-sudoeste del Pacífico, invirtiendo los regímenes de presiones y provocando los acontecimientos ENSO ( El Niño Southern Oscilation ).
El resultado es una variación del nivel del mar y una inversión del sentido de los alisios y de las corrientes superficiales, impidiendo la surgencia de las aguas frías profundas. Toda la circulación oceánica y atmosférica se modifica: llueve donde el sol debe brillar, y la sequía se instala donde debería llover.
Este fenómeno puede durar desde algunos meses hasta uno o dos años y tiene consecuencias catastróficas para la industria de la pesca. En tierra firme, estos cambios se acompañan de tempestades y lluvias torrenciales, devastando los cultivos, provocando corrimientos de tierras e inundando las regiones litorales. Podemos decir que los mecanismos de estas anomalías son conocidos, lo que desconocemos es porqué el anticiclón se dirige en algunos años hacia el oeste.
Estudios teóricos y de simulación han demostrados que el ENOS es un fenómeno debido al ajuste entre la atmósfera y los océanos y que la interacción crucial entre estos se da en el Pacífico Tropical. Así también estudios observacionales llevaron a la evidencia que relaciona los eventos tropicales del ENOS a anomalías climáticas estacionales en Australia, Sudamérica y el Océano Índico.
A principios de la década de 1980 era claro que el Niño y la Oscilación del Sur (ENOS) estaban íntimamente relacionados con el calentamiento de gran escala y coordinados por un debilitamiento de los vientos alisios en el Océano Pacífico y un desplazamiento de la convección atmosférica al Pacífico Central.
Los impactos destructivos del Super Niño de 1982-83 en el Pacífico fueron sentidos en las costas norteamericanas resultando en zonas de desastre en varios estados de los Estados Unidos, lo que señaló como requerimiento fundamental para todos los estudios futuros del ENOS obtener una mayor capacidad para observar en tiempo real, tanto la superficie así como bajo la superficie del Océano Pacífico Central.
PREDICTABILIDAD ATMOSFÉRICA
Existe un consenso general entre los científicos atmosféricos de que el comportamiento de la atmósfera es caótico; su sensibilidad a las condiciones iniciales es tal que su predictabilidad más allá de cierto rango se pierde. El comportamiento caótico puede ser observado en sistemas conteniendo unas pocas variables relevantes de su dinámica, por lo que recientemente se ha sugerido que unas pocas variables pueden ser suficientes para modelar la dinámica de la atmósfera. Esta hipótesis está basada en estudios cuyos objetivos son las de estimar la dimensionalidad del sistema climático a través del análisis de la información observacional. El espacio de fases puede ser reconstruido de la información por medio del teorema de la envolvente y puede ser usado para estimar la dimensión de correlación, pero aunque estos autores encuentran dimensiones fractales bajas sus resultados son aun controversiales y no está claro si la cantidad de datos es suficiente o el tiempo de muestreo adecuado para sacar conclusiones firmes al respecto.
También se han estimado los primeros exponentes de Lyapunov utilizando algoritmos recientemente desarrollados donde se encuentra que el tiempo estimado para que los pequeños errores se dupliquen es del orden de 20 días. Estos resultados contrastan con los de Lorenz (1982) quien encuentra tiempos de duplicación del orden de 2 días, dicha discrepancia puede ser dividida a los tiempos de la información utilizada.
Malbuzzi (1990) utiliza un modelo cuasi geostrofico con forzamiento térmico y disipación con alta resolución en la dirección meridional que permite una buena descripción de las ondas baroclínicas no lineales de equilibrio. Las propiedades estadísticas y predictivas de este modelo nos permite obtener soluciones no periódicas que presentan flujos zonales y variabilidad en la amplitud de las ondas en los rangos observados de la atmósfera. Experimentos demuestran que la dimensión de Lyapunov que depende fuertemente del nivel de truncación es del orden de la mitad de la dimensión del espacio de fases. La dimensión de correlación en el espacio total de fases con 96 grados de libertad fue al menos de 20. Incrementando el número de puntos a 20000 para los procesos de cómputo se observó que la convergencia no queda bien establecida. Los anteriores resultados nos dan algunas dudas sobre las estimaciones de baja dimensionalidad deducida de los datos reales.
Si bien se ha proclamado que el clima mundial de los millones de años pasados contienen un atractor extraño de baja dimensionalidad. La mayoría de estas especulaciones empiezan con un modelo específico y tratan de verificar predicciones particulares del modelo. Las mejor conocidas y más exitosas aproximaciones generalmente empiezan dando variaciones a la constante solar debida a cambios en la órbita terrestre. Algunos de ellos se preguntan si los datos existentes de cambio climático muestran los signos típicos esperados de un sistema determinístico, si estos signos no se encuentran debe uno concluir ya sea que el sistema ha sido aleatoriamente perturbado por algún ruido estocástico y para el cual no es posible una descripción determinística o de que es un sistema determinístico con muchos grados de libertad. Si en contraste se encontraran estos signos uno debe esperar que el sistema puede ser descrito con un modelo muy simple y con muy pocos grados de libertad.
Recientes desarrollo en la teoría de sistemas dinámicos nos dicen que si un sistema se desarrolla determinísticamente su trayectoria típicamente se queda en una baja dimensionalidad del total disponible de espacio de fases. En adición a esto cada día se encuentran más atractores extraños en el que la trayectoria permanece como fractal caracterizado por una dimensión no entera. Tales sistemas son entonces solamente determinísticos en el sentido formal de ser descritos por ecuaciones diferenciales pero ni son periódicos ni son cuasiperiódicos y tampoco son predecibles a largo plazo.
Un sistema puede ser determinista y aún así ser impredecible y no tener términos aleatorios y sin embargo comportarse aleatoriamente. Ecuaciones sencillas no implican que el comportamiento es sencillo también. No es lo mismo determinismo que pronosticabilidad. Pueden tener soluciones que a todos los efectos resultan fortuitas. El ideal determinista depende de la exactitud en la observación de las condiciones iniciales y de si se utiliza o no la ecuación diferencial adecuada. Si se eligen ecuaciones diferenciales demasiado precisas, se acaba construyendo un modelo para ondas sonoras y no para el tiempo atmosférico; que estallan y acaban por inundar todo lo que puede ser de interés.
Los atractores representan la evolución del sistema a largo plazo. El estado del sistema se expresa mediante un punto de un espacio de fases multidimensional y este punto realiza un movimiento cuando el tiempo varía, proporcionando una imagen cualitativa de lo que sucede para cada condición inicial posible. Con los atractores de ciclo límite, las trayectorias convergen en un bucle cerrado, correspondiente a una oscilación períodica predecible. En los movimientos cuasiperíodicos se superponen muchos movimientos periódicos que tienen períodos diferentes. Topológicamente, podemos juntar los movimientos periódicos y conseguiremos como atractor un toro cuadrimensional; atractores topológicos dentro de espacio de fases.
En la práctica no es posible medir nada exactamente. Hay un límite en la precisión de una medición. En la práctica, las predicciones tienen que tener validez aunque se usen datos ligeramente inexactos en la esperanza de que las predicciones sean también sólo ligeramente inexactas.
El sistema de Lorenz tiene un atractor extraño. Actúa como un péndulo, sin embargo no oscila con regularidad; bamboleándose de forma aleatoria sus pequeños detalles son distintos si se utilizan distintos tipos de ordenador, con lo que se plantea la pregunta de si el atractor de Lorenz es solamente un instrumento de aproximación con precisión finita o si está auténticamente presente en la solución exacta de las ecuaciones originales.
Cuando aparece la turbulencia las ecuaciones de Navier Stokes de la dinámica de fluidos no funcionan en la adecuada descripción de los fluidos; la cual puede aparecer de forma repentina o gradualmente y adoptar distintas formas, repetibles y su naturaleza matemática fundamental sigue siendo una incógnita. Takens y Ruelle sugieren que la turbulencia consiste en la formación de un atractor extraño.
El caos es útil ya que nos ayuda a comprender complicados fenómenos y lo mejor es procurar entender cómo surge, en lugar de librarnos de él. La reconstrucción del espacio de fases están diseñados para tratar el caos, permitiendo realizar predicciones a corto plazo de la señal caótica, eliminando el ruido.
IRREGULARIDAD COMO PROPIEDAD FUNDAMENTAL DE LA ATMÓSFERA
El problema de pronosticar el estado del tiempo es un problema de valores iniciales donde con un conocimiento del estado presente de la atmósfera junto con las ecuaciones que expresan las leyes físicas gobernantes debemos de ser capaces de saber cómo el futuro del sistema será dado. El conflicto entre matemáticas y procedimientos metodológicos ha sido parcialmente resuelto y aunque las ecuaciones pueden ser manipuladas por métodos clásicos y considerando que pueden resolverse por métodos digitales donde las diferencias finitas a menudo reemplazan las derivadas y la misma capacidad de proceso de la computadora deben ser considerados como partes esenciales del modelo, donde a veces las ecuaciones están basadas en relaciones empíricas o suposiciones inteligentes pero sobre todo donde los modelos meteorológicos utilizan ecuaciones que generalmente son simplificaciones de las leyes físicas básicas.
Las simplificaciones más comunes son de todo tipo así en un modelo la atmósfera puede considerarse como un gas ideal con ninguna fase de agua y donde la superficie terrestre puede estar constituida solamente de continentes sin montañas u otro tipo de características orográficas, donde la energía solar de entrada pueda depender solamente de la latitud y no considerar veranos o inviernos o días y noches, la aproximación hidrostática expresa un balance entre los campos de densidad y presión removiendo las ondas de sonido y la aproximación geostrófica y manifestando un balance entre el viento y los campos de presión removiendo así también las oscilaciones inerciales de las ondas gravitatorias.
Algunos de los modelos de pronóstico actuales contiene más de 100 000 variables pero el esfuerzo computacional para manejarlos es simplemente prohibitivo, por lo que muchos investigadores de la atmósfera han cambiado hacia los modelos de bajo orden donde el número de ecuaciones han sido reducidas a menos de 100 o incluso a menos de 10, donde coincidencias con la realidad deben ser esperadas. Estos modelos de bajo orden y otros son considerados como sistemas dinámicos. Los sistemas dinámicos son comúnmente descritos en términos geométricos, donde las variable dependientes son tratadas como coordenadas en un espacio multidimensional y donde un estado particular se transforma en un punto en el espacio conforme el estado varia de acuerdo con las ecuaciones se traza una trayectoria u órbita donde las soluciones periódicas se convierten en curvas cerradas, mientras que las soluciones de estado estacionario se convierten en puntos fijos que son tratados como tipos especiales de órbitas cerradas. A tales sistemas un subconjunto básico de espacios estará dado por un atractor y dada una órbita particular existen ciertos puntos donde la órbita se aproxima de forma repetitiva en intervalos regulares o irregulares por lo que son conocidos como puntos límites o puntos atractores para dicha órbita.
Cuando el sistema dinámico es un modelo atmosférico los puntos sobre el atractor representan aquellos estados que son compatibles con el clima. Aunque todas las escalas de movimiento atmosférico están interconectadas es una práctica común la de investigar la dinámica de un tipo particular de sistema para descartar la presencia de sistemas de escala mayor o más pequeña con lo que se intenta una aproximación que en muchas ocasiones solo dan explicaciones parciales.
PREDICCIÓN EN SISTEMAS CAÓTICOS NO LINEALES CON EL ANÁLISIS DE SERIES DE TIEMPO EN LA EVOLUCIÓN ATMOSFÉRICA
El análisis de series de tiempo es un conjunto de métodos para revelar estructuras en datos aparentemente sin estructura. Cuando analizamos datos de un sistema caótico su estructura del sistema determinístico presenta una geometría de dimensión fraccional en general pero regularmente en el dominio del tiempo apropiado, se dice que esta estructura es un atractor en el sentido de que un grupo grande de condiciones iniciales para el sistema asintóticamente permanece en dicha estructura geométrica y por el hecho de tener una dimensión fraccional la estructura es conocida como un atractor extraño, así también cuando miramos una órbita caótica no observamos irregularidad en la evolución del tiempo y cuando observamos su espectro de Fourier encontramos una colección de frecuencias de banda H, por lo que lo primero que debemos probar es descubrir en que espacio debemos de estar observando las series de tiempo lo que es conocido como la reconstrucción de los espacios de fases.
Al trabajar sobre como el espacio de fases es reconstruido encontraremos varias ideas acerca de los invariantes del movimiento en los atractores extraños. Estos invariantes juegan el mismo papel para los sistemas no lineales así como las frecuencias características de un sistema lineal lo emplea en el análisis lineal de las series de tiempo ya que las órbitas individuales de los sistemas no lineales pueden diferir ampliamente aun en el caso de pequeños cambios en las condiciones iniciales y las órbitas no pueden ser sujetos confiables para nuestro estudio, preguntándonos que podemos hacer una vez que el espacio apropiado para ver la dinámica del sistema ha sido clasificado y hemos clasificado dicho sistema en término de sus invariantes.
Esta generalización de la teoría de predicción lineal al dominio de sistemas no lineales es de alguna manera la más especulativa y por lo mismo se trata de estudiar como hacer modelos parametrizados de la evolución del sistema a través de la reconstrucción del espacio de fases y que información acerca de los invariantes del movimiento puede ser confiable, de tal manera que utilizaremos un plan donde podamos establecer el dominio en el cual visualizar el movimiento y llevar a cabo el análisis de la serie de tiempo caótica, así también la de clasificar el sistema que produce las series de tiempo en términos de las invariantes del movimiento caótico, permitiendo hacer modelos del movimiento en el espacio de visualización que respete las invariantes y permita realizar pronósticos del comportamiento del sistema.
Un estudio detallado de los métodos óptimos y de su estabilidad todavía no ha sido realizado, pero existe la intensión de la aplicación de estas metodologías en asuntos de interés inmediato y de largo plazo y donde dado el presente estado de ignorancia acerca de nuestro clima como atractor extraño podemos decir que estos métodos permitirán progresos en el entendimiento de estos sistemas complejos así como en la predicción de sus comportamientos.
CONCLUSIONES
Los sistemas en coevolución obrando como sistemas complejos adaptatívos, se adaptan solos en el punto de máxima capacidad de procesamiento de información, máxima eficiencia biológica y máxima evolutividad. El sistema alcanza por sí mismo un estado colectivamente beneficioso, donde el control esta dado por medio de sus vastas redes de interacciones. Adaptando sus interacciones las especies están refinando su capacidad para evolucionar.
Los cambios climáticos son necesarios para que haya evolución, pero en estos cambios son las especies llamadas especialistas las que más sufren las consecuencias, así como las poblaciones con una tasa de renovación más lenta, siendo en cambio los generalistas ecológicos los principales supervivientes. De alguna manera adaptación y selección natural han funcionado a un nivel distinto al de las extinciones en masa. Las extinciones son muy importantes para el buen funcionamiento y composición a largo plazo de la biosfera.
Esto implica que debemos entender como interactúa la Tierra sólida con el aire, agua y vida y así considerar a la Tierra actuando como un sistema. Aceptar que sobre una escala global todo está interconectado. Entender cómo se afectan o están interconectadas la deriva continental, los gases atmosféricos, el clima, la evolución biológica y la biogeografía regional. Donde la interconexión entre estas variables pudiera ser muy sutil pero no cabe duda de que los efectos son bastante obvios.
Las estructuras muy complejas tienen una característica general, exhiben complejidad a causa de la intricada organización de un gran número de componentes simples, esa estructura es lo que es y hace lo que hace debido al modo en que están organizadas sus partes constituyentes, no tanto por lo que son. Las estructuras complejas también parecen exhibir umbrales que cuando se los cruza, dan lugar a súbitos saltos en la complejidad, y súbitos saltos en sus propiedades cuando crece el número de vínculos entre sus partes constituyentes.
Los sistemas que son lo bastante complejos como para que se manifiesten ciertas individualidades, exhiben necesariamente una indefinición que no admite su inclusión dentro de los confines de un sistema lógico.
En 1968 las lluvias dejaron de extenderse hacia el Norte porque la Zona de Convergencia Intertropical dejo de moverse hacia el Norte en verano como lo hacía en los sesentas. La pauta climática observada en la década de 1970 muestra una mayor similitud con la pauta climática de la pequeña glaciación. ¿Será que estas están realmente retornando?.
Debemos además considerar a la Tierra en su funcionamiento como un sistema homeostático interconectado con todos los elementos que la constituyen a través de procesos de retroalimentación. Así por ejemplo si el clima tiende a calentarse aumenta la evaporación y con una mayor nubosidad habrá una mayor reflectividad de la luz solar, reduciendo el calentamiento del planeta y retornando a sus condiciones iniciales. Con un ciclo hidrológico fortalecido por efectos de calentamiento del CO2, contaremos también con incrementos en la evaporación, precipitación y los escurrimientos. Al mezclarse la lluvia con el CO2 atmosférico, se producen los efectos de lluvia ácida que al combinarse con silicatos de calcio y magnesio, disminuye el CO2 del aire, como sus efectos de calentamiento, logrando encapsularlo como carbonatos en las rocas sedimentarias y retornando como consecuencia también a las condiciones originales.
Según la hipótesis Gaia la vida actúa como un proceso automático de autocontrol sobre el clima. Si no fuera por la vida, según esta hipótesis tendríamos una atmósfera predominantemente de CO2, con temperaturas 60° más cálidas que las actuales.
El número de especies ha aumentado conforme el planeta se ha ido enfriado y la separación de los continentes ha ido aumentado llegándose en la actualidad al mayor valor jamás observado. Contándose con más variedad climática en las diferentes zonas evolutivas que las que existieron en las primeras eras geológicas.
Los intercambios de CO2 en el Hemisferio Sur es solamente de un tercio de la que se observa en el Hemisferio Norte. Cuando el suelo oceánico tiene razones de separación mayor y volcanismo activo, el nivel del mar sube, incrementa el CO2, el clima es cálido y más húmedo. Estamos viviendo una era interglaciar de 10,000 años climáticamente muy estable.
En Globalización: WALTER Ritter Ortíz y TAHIMÍ E. Pérez Espino
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Marzo 2010 ¿Qué es la realidad?
Agosto 2003 Las Maravillosas Conexiones Ocultas de la Vida: Agroecología versus Biotecnología Tahimí Pérez Espino,
Walter Ritter Ortiz, Alfredo Ramos Vazquez, Juan Suarez, Sánchez
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