'La matemática aplicada al estudio de los monzones proporciona una nueva perspectiva'

Martes, 20 octubre 2020

Una Investigación, con participación de la Universidad de Alcalá, ha utilizado una innovadora herramienta matemática para estudiar los monzones, vientos que en verano soplan cargados de lluvias, en modelos 3D.

Victor José García Garrido, Profesor Ayudante del Departamento Física y Matemáticas, es la persona de la Universidad de Alcalá que ha participado en esta investigación. En uah.esnoticia, preguntamos a Victor José sobre lo que ha supuesto el estudio de este proyecto y que conclusiones se han desprendido de este estudio.

- ¿En qué consiste el estudio en el que ha colaborado la UAH junto al CSIC?

Este estudio internacional de carácter interdisciplinar, publicado el pasado mes de julio en la revista Scientific Reports de Nature, ha sido el resultado de una colaboración entre matemáticos del Instituto de Ciencias Matemáticas del CSIC, la Universidad de Alcalá y la Universitat Politècnica de Catalunya, y físicos de la atmósfera de la Université Cheikh Anta Diop de Dakar (Senegal) y la Universidad Complutense de Madrid

En este trabajo se han aplicado herramientas matemáticas que nos permitan comprender mejor los mecanismos de transporte y mezcla de polvo y humedad que tienen lugar en los sistemas monzónicos de la atmósfera, y que son cruciales para la formación de nubes, y por tanto para la existencia de lluvia.

En particular, hemos analizado la región del Sahel en África occidental, donde la economía de la región está basada principalmente en la agricultura y la ganadería y, por tanto, ésta depende de manera crítica del desarrollo de estos fenómenos atmosféricos, en este caso del sistema monzónico de África occidental (WAM en inglés). En la temporada del año que va de junio a septiembre, el monzón introduce aire húmedo del Atlántico en el continente africano y éste interacciona con los vientos del interior que arrastran polvo. En esta interacción, las partículas de polvo actúan como núcleos de condensación de la humedad y contribuyen de manera decisiva a la formación de nubes. 

Victor Jose Garcia Garrido interior 1
Victor José García Garrido

- Explícanos brevemente que ha supuesto el empleo de esta innovadora herramienta matemática para estudiar en modelos 3D los monzones. 

Para la elaboración de este estudio, hemos utilizado unos modelos tridimensionales basados en los datos meteorológicos de velocidad horizontal y vertical del viento suministrados por el Centro Europeo de Previsiones Meteorológicas a Plazo Medio (ECMWF, en inglés). A partir de datos diarios promediados durante un periodo de 40 años, hemos obtenido una descripción climatológica promedio de los campos de velocidades del viento durante el mes de agosto, un mes clave para el desarrollo del monzón africano.

Una vez llevada a cabo esta tarea de procesamiento de los datos, hemos analizado la dinámica de las partículas de aire utilizando una herramienta matemática procedente de la teoría de los sistemas dinámicos, conocida como los descriptores lagrangianos, que nos permiten identificar las rutas de transporte de aire y dibujar las estructuras geométricas que subyacen a las corrientes atmosféricas. De esta forma, podemos determinar de una manera más sencilla y sistemática las zonas de la atmósfera que corresponden a partículas de aire que acarrean humedad, ya que proceden del océano, y diferenciarlas de las que traen polvo. Por tanto, podemos trazar un mapa de dónde se produce su mezcla.

Esta herramienta nos permite estudiar el comportamiento dinámico de un sistema físico que evoluciona con el tiempo. Aplicada a la descripción de fluidos, como son la atmósfera y el océano, es capaz de identificar las estructuras geométricas subyacentes que caracterizan las corrientes, proporcionando un esqueleto que determina una red intrincada de rutas de transporte y mezcla que gobierna el destino de las partículas del fluido. Estas estructuras, que pueden visualizarse, por ejemplo, en el laboratorio inyectando tinta en un fluido en movimiento, son reveladas por los descriptores lagrangianos de forma análoga a como las limaduras de hierro dibujan las líneas del campo magnético generado por un imán.

Me gustaría destacar también que esta técnica matemática ha resultado muy fructífera y versátil en otras disciplinas, como en Oceanografía, donde se ha utilizado con éxito para la planificación de misiones transoceánicas de vehículos autónomos no tripulados, y también en la gestión en tiempo real de vertidos de petróleo en el mar. Por otro lado, recientemente también ha encontrado su aplicación en la Teoría del Estado de Transición en Química, para describir aspectos relevantes de la reactividad en los procesos químicos.

La verdad que es una gran satisfacción ver cómo algunas ideas que provienen de un mundo abstracto como es el de las matemáticas encuentran de forma natural su aplicación a la hora de resolver problemas reales, contribuyendo de forma determinante al avance científico. Las Matemáticas nos proporcionan el lenguaje que la Ciencia necesita para describir el mundo que nos rodea.

- ¿Por qué se ha escogido la región del Sahel para la realización del estudio?

El clima de África occidental juega un papel clave en el sistema climático terrestre. En particular, el fenómeno atmosférico que determina las precipitaciones y sequías de esta zona del continente africano es el monzón de África Occidental, un sistema complejo que involucra la interacción de vientos húmedos procedentes del océano, y también corrientes de aire que traen polvo del interior del continente.

En el Sahel, que es una región semiárida en forma de banda que se extiende de este a oeste del continente africano y que separa el desierto del Sahara de la sabana sudanesa, la economía depende de manera crítica de los periodos de sequías y lluvias producidas por el monzón, ya que está basada en la agricultura y la ganadería. Las precipitaciones en esta zona son extremadamente irregulares y varían de manera significativa de estación en estación. La mayor parte de la lluvia del año es ocasionada por el monzón, tiene lugar durante los meses de junio a septiembre, mientras que el resto del año el clima permanece muy seco.

- ¿Qué supone el estudio de los monzones con esta nueva técnica? ¿Qué puede identificar esta nueva herramienta?

La aplicación de esta técnica matemática al estudio de los monzones proporciona una nueva perspectiva para que los investigadores en ciencias de la atmósfera puedan analizar e identificar de una manera más detallada las fuentes de humedad y polvo que dan lugar a estos fenómenos tan complejos. Esta herramienta ayudará a construir una representación geométrica tridimensional de los sistemas monzónicos y de cómo mueven el polvo y la humedad. Nos proporciona pues la oportunidad de obtener una radiografía del esqueleto formado por las corrientes de aire con el cual podemos analizar en detalle los procesos de transporte y mezcla que caracterizan a estos sistemas meteorológicos.

Cabe destacar que la técnica que hemos empleado en este trabajo ha sido utilizada también en los últimos años por miembros de nuestro grupo de investigación en el ámbito de las ciencias de la atmósfera para estudiar la estructura del chorro polar estratosférico del hemisferio sur y los fenómenos de calentamiento estratosférico repentino.

- ¿Qué conclusiones ha abierto este estudio? ¿Prevén el estudio de otros monzones dentro de su grupo de investigación?

Este trabajo, abre un nuevo camino para explorar los mecanismos de formación de nubes en los monzones que tienen lugar en el sistema climático de la Tierra. Una de las conclusiones más relevantes de este estudio ha sido el descubrimiento de rutas de transporte de aire que conectan dos de las corrientes de aire troposférico más importantes del monzón, el chorro del este africano y el chorro tropical del este. Esta interacción entre ambas corrientes ha sido una sorpresa ya que, en la literatura, algunos expertos en ciencias de la atmósfera han considerado que estos dos sistemas eran esencialmente independientes, y que sus interacciones eran mínimas. El mecanismo natural de intercambio de aire que este trabajo ha revelado puede ayudar a mejorar nuestra comprensión acerca de la estructura de los monzones.

Actualmente, en el grupo de investigación estamos trabajando en mejorar las capacidades que puede proporcionar la herramienta matemática de los descriptores lagrangianos para el análisis de la dinámica de este tipo de fenómenos atmosféricos. Una de nuestras prioridades es la de continuar estudiando en profundidad el transporte en el monzón de África occidental, integrando esta metodología con otras herramientas utilizadas en el ámbito de ciencias de la atmósfera y combinar así las fortalezas de ambas disciplinas. Dada la complejidad de este sistema físico y los retos y preguntas tan interesantes que este problema plantea a la comunidad científica, estoy seguro de que tenemos un camino apasionante por delante con esta línea de investigación.

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