Napoleón, el cometa Halley y cómo llegamos a predecir el tiempo

¿Cómo podemos explicar la lluvia, el frío, las tormentas o las granizadas? ¿podemos predecir si estas condiciones se volverán a repetir? ¿y cuándo? ¿y dónde? ¿cómo es posible que podamos hacer pronósticos bastante acertados para los siguientes cinco a siete días?

Cientos de generaciones en diferentes civilizaciones alrededor del mundo se hicieron preguntas relacionadas con la meteorología. El tiempo atmosférico podía ser el mejor aliado para los agricultores y los cultivos que abastecían una ciudad o también, convertirse en la destructora de la misma. Ser un aliado en la guerra y de un día para otro, apoyar los planes de tu adversario.

A lo largo de miles de años las personas encontraron diferentes formas de explicar los cambios en el tiempo. Ante la imposibilidad de encontrar una explicación racional o incluso por la falta de un método adecuado de observación, muchas culturas llegaron a tener “dioses” del clima. Estas divinidades, muy caprichosas en ocasiones, debían ser constantemente aduladas para que las lluvias llegaran a tiempo, para que no hubiese inundaciones o para calmar una tormenta.

Del miedo a la racionalidad: el éxito de predecir

La mitología en torno a la explicación de los fenómenos naturales quedó impresa por varias generaciones en la Europa medieval e incluso después. La fuerte creencia en astrología, brujería y misticismo fue un gran impedimento para que la ciencia se desarrollara como tal. Hasta 1800, prácticamente todos los fenómenos naturales se explicaban por seres místicos, cambios en las constelaciones e, incluso, la aparición de cometas.

A pesar de esto, se desarrolló fuertemente la observación de las estrellas (la astronomía) y se volvió cada vez más importante: conocer la posición de los cuerpos celestes y las constelaciones permitía determinar con mayor rigurosidad celebraciones religiosas, así como también para navegar de manera más segura en alta mar.

A mediados del siglo XIX, el enfoque determinista de la física había logrado victorias importantes en el mundo de la predicción. Las leyes de Newton (del movimiento de los planetas alrededor del sol por la gravedad) no solo podían explicar y predecir el movimiento de estos cuerpos, sino que también de cometas.

Fue así como Edmund Halley predijo exactamente cuándo volvería a pasar el cometa que atormentaba a los europeos cada cierta cantidad de años. Sus predicciones no estaban basadas en la brujería, las cartas o el misticismo. Halley usó las observaciones, las ecuaciones de Newton y luego postuló una hipótesis. Los cometas tienen una trayectoria definida y, por tanto, predecible. Además, descubrió que varios de esos cometas presentes en los rudimentarios registros eran en realidad uno solo. La trayectoria de rotación de este cometa alrededor del sol lo hacía “volver” cada 76 años y pasar lo suficientemente cerca de la Tierra como para poder ser visto a simple vista. Hoy llamamos a ese cometa en honor al descubridor de su trayectoria; el cometa Halley.

Otro éxito del determinismo fue el descubrimiento de Neptuno. El planeta más alejado del sistema solar no había sido visto por nadie a simple vista debido a la lejanía que tiene con respecto al sol, permaneciendo invisible ante los ojos de los mortales por miles de años… hasta que llegó la ciencia.

Los astrónomos descubrieron que Urano, su vecino más cercano, poseía una órbita elíptica que no concordaba con la del resto de los planetas. Sabiendo que la ley de Newton es inquebrantable, los físicos se dedicaron a pensar sobre las causas de esta extraña órbita de Urano. Leverrier, un astrónomo francés, concluyó que la única causa posible para que la órbita de Urano no concordara con la teoría de la gravedad es que hubiese otro planeta muy cerca de este, que  generaba una desviación de la trayectoria alrededor del Sol de Neptuno debido al empuje gravitacional.

Y no solo eso: la órbita, la trayectoria y la posición exacta del lugar en el cielo donde debía observarse este nuevo y misterioso planeta fueron los resultados de su predicción. Un año después, el astrónomo alemán Johann Galle descubrió el nuevo planeta al apuntar un nuevo y mejor telescopio a las coordenadas establecidas por Leverrier.

Esta es una predicción real: basado en la observación, utilizando las leyes conocidas y exponiendo los resultados a toda la comunidad científica para su evaluación.

Si los fenómenos astronómicos podían ser predichos con tanta exactitud, ¿podríamos hacer lo mismo con las lluvias, las nubes y las tormentas que tantos problemas causan?

El nacimiento de la meteorología

Las observaciones meteorológicas en Europa comenzaron aproximadamente entre 1860 y 1870, y surgieron como necesidad militar. Un intenso temporal que azotó el Mar Negro en 1854 durante la Guerra de Crimea provocó la destrucción de los navíos de guerra anglo-franceses. La necesidad de saber cuándo se estaba en peligro en medio de una batalla comenzó a ser vital.

La idea comenzó a tomar forma: si se puede conocer el estado actual del tiempo, y entendiendo la física detrás del movimiento del aire, se podría predecir la evolución de frentes, tormentas y llegar a predecirlas. Parece simple, ¿no? Si podemos predecir donde estará un planeta con un nivel de exactitud casi perfecto, ¿qué tan difícil deber ser pronosticar el movimiento de una nube?

Napoleón III, emperador de Francia, le pidió al mismísimo descubridor de Neptuno, Leverrier, la creación del servicio meteorológico galo. Gracias a esto y a la red de observaciones ya establecida en otros centros en Europa, Leverrier pudo determinar cómo se desplazó la tormenta de 1854 al construir uno de los primeros mapas sinópticos: la trayectoria y la velocidad de desplazamiento eran relativamente constantes.

Los servicios meteorológicos comenzaron a desarrollar pronósticos basados en esta simple idea al trazar frentes en cartas sinópticas. ¿El resultado? Un desastre: los pronósticos eran un chiste y casi nadie confiaba en ellos.

La atmósfera es un caos

La falencia principal del sistema propuesto es que conocer el estado de la atmósfera actual y extrapolar el desplazamiento de las depresiones considerando velocidades constantes es demasiado simple para la complejidad de la atmósfera.

Además, los sistemas meteorológicos no se mueven todos de igual manera, no tienen las mismas dimensiones y sus efectos son altamente cambiantes dependiendo del lugar de observación.

A diferencia de las leyes de gravitación, las ecuaciones que gobiernan los movimientos en la atmósfera son complejas y muchas de ellas no se conocían en esa época. El método de simple extrapolación no era útil en una atmósfera en constante cambio, con forzantes variados, retroalimentación interna, variaciones diarias naturales por radiación, efectos orográficos de montañas, ríos o lagos. Además de los forzantes de escala planetaria, estacional o incluso interanual.

La dinámica en torno a la formación de las depresiones y los anticiclones, junto a las consecuentes lluvias, vientos o tormentas, prácticamente no se entendían en esa época.

¿Cómo encontrar patrones que nos puedan ayudar a finalmente generar un pronóstico certero?

Del caos al entendimiento

Los investigadores agrupados bajo el alero del físico noruego Vilhelm Bjerknes vieron una oportunidad de introducir nuevas ideas, experimentos y conceptos al naciente campo de la meteorología, estancado bajo conceptos rígidos de análisis y predicción desde mitad del siglo XIX.

Luego de la segunda guerra mundial, Bjerknes volvió a Noruega para conformar un equipo de trabajo y se estableció en Bergen, en el sur del país, atrayendo a jóvenes científicos como Tor Bergeron, Bjordkal, Carl-Gustaf Rossby, Erik Palmén y Sverre Petterssen, entre otros. Todos ellos conformaron la “escuela de Bergen” y fueron parte de uno de los períodos más gloriosos de la meteorología, sentando las bases científicas de la misma y que sigue prácticamente sin cambios hasta el día de hoy.

¿El resultado más importante? La teoría del frente polar (1). De acuerdo a esta teoría, el aire frío del polo y cálido del ecuador tienden a mezclarse entre los 30 y 60° de latitud, provocando la formación de bajas presiones, frentes fríos, cálidos, ocluidos, anticiclones, y muchas otras cosas más. En consecuencia, la lluvia, el viento, las tormentas, las granizadas y todo el hidrometeoro podían explicarse debido a estos fenómenos.

imagen1
Esta es la página inicial del paper escrito por Bjerknes y Solberg en 1922. Por primera vez la meteorología había presentado evidencia científica y descriptiva de las masas de aire de diferente característica que predominan en la circulación de latitudes medias. El frente polar es la línea divisoria entre ambas. Hasta el día de hoy esta teoría es completamente válida.

Bjerknes también sentó las bases para la predicción. En su trabajo “Sobre la estructura de los ciclones en movimiento” de 1918 (2) especificó que para describir de buena manera los movimientos atmosféricos utilizando las ecuaciones de la hidrodinámica, dos condiciones debían ser completamente satisfechas: la primera es que la distancia entre las estaciones en superficie debería ser muy pequeña (o diferencial). La segunda condición es que el espacio temporal entre cada medición debía ser, también, suficientemente pequeño como para poder aplicar diferenciales.

Ni a principios de siglo pasado ni hoy las dos condiciones se cumplen. Sin embargo, en la actualidad tenemos una ayuda extra.

La era de la tecnología

Los avances en materia computacional permitieron a los científicos y meteorólogos aprovechar la red de observaciones, siempre insuficiente, sacando el máximo provecho de estas.

A medida que se comenzaron a desarrollar computadoras que podían hacer cálculos cada vez más rápidos y veloces, comenzaron a desaparecer las barreras de la predicción. A pesar de que las observaciones seguían en aumento en todo el mundo, la mayor parte del planeta está desprovisto de observaciones. Sin embargo, los modelos numéricos que se comenzaron a desarrollar son capaces de recrear los movimientos y posiciones de las masas de aire, los frentes y las nubes obteniendo información no solo de las estaciones en superficie y  radiosondeos, si no que también gracias a observaciones satelitales.

Hoy, los meteorólogos tenemos como principal herramienta de predicción estos modelos numéricos, tanto globales como regionales, que nos permiten conocer el estado del tiempo y el pronóstico prácticamente en cualquier momento. Estos modelos, por supuesto, aún tienen sus limitantes: siguen siendo pésimos mas allá de 5 días de predicción, no son capaces de reproducir bien ciertas variables, valores extremos y al comparar diferentes modelos se obtienen grandes diferencias, especialmente al observar el horizote de tiempo de una o dos semanas.

La meteorología es una ciencia muy joven. Pero en menos de 100 años pasamos de simplemente observar una tormenta hasta llegar a predecirla, con un nivel de exactitud muy alto, permitiendonos además adelantarnos días y horas a potenciales desastres. Si seguimos desarrollando esta ciencia con el mismo impetu de Leverrier, Bjerknes, Solberg, Rossby y muchos otros, se avecinan grandes avances y descubrimieros en meteorología.

Referencias específicas:

(1) Life Cycle of cyclones and polar front theory of atmospheric circulation (J. Bjerknes y H. Solberg, 1922): http://meteora.ucsd.edu/~jnorris/weather_disc/bjerknes.pdf

(2) On the structure of moving cyclones (J. Bjerknes, 1918): Mean Structure and Evolution: http://www.ngfweb.no/docs/NGF_GP_Vol01_no2.pdf 

Referencias generales:

Si deseas saber más sobre este tema, visita las siguiente publicación científica:

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