Erosión del Suelo, Tamaño de Partículas, Aerosoles y Clima: ¿Cómo se fractura un Vaso de Vidrio? (Fractales e Invarianza a los Cambios de Escala)

¿Tiene un vaso de vidrio a mano? Por favor tírelo al suelo con fuerza y rómpalo. Seguidamente recoja los pedazos y cuéntelos en función de sus respectivos tamaños. ¿Qué es lo que obtiene? Nada más y nada menos (que no exacta en la magnitud de los trozos, obviamente) que unos datos  equivalentes a la distribución del tamaño de partículas que atesora el polvo atmosférico (aerosoles), eso si, entre otros muchos patrones que son conformes a la misma ley (por ejemplo frecuencia-tamaño de las cuencas de drenaje, magnitud-frecuencia de terremotos, extensión ocupada por los tipos de suelos o edafotaxa en un determinado territorio, etc. etc.). Y de este modo parece habarse dado un paso importante en el estudio del sistema climático, según nos informa la noticia de hoy. ¿De que patrón se trata?. Os he mentado en innumerables ocasiones. Hablamos de la Curva de Willis. ¿Cómo? De patrones invariantes a los cambios de escala, es decir de estructuras fractales o en su defecto de otras multifractales. Tal es el proceso de erosión eólica, que al arrancar los materiales del suelo, los transporta en el aire, condicionando el balance radiativo de la tierra y el régimen de precipitaciones.  De darse otro patrón diferente, el comportamiento del clima también cambiaría. Algo de lo más simple y, por mucho que os pueda extrañar a algunos de vosotros también de lo más obvio, trivial e ubicuo en la naturaleza.  Sobre este tema versa el post de hoy.

Tamaño de partículas en el polvo atmosférico Fuente NCAR & UCAR

La noticia ha sido publicada en el mes de octubre de 2010 y difundida por una buena parte de los noticieros científicos del mundo. Francamente, desconozco el origen de tanto revuelo, ya que era previsible, al menos para mí. Las ciencias de la complejidad muestran que muchos mecanismos de fragmentación dan lugar a distribuciones de frecuencias de esta naturaleza. Así, como ya os explicamos al hablar de la Curva de Willis, en la atmósfera habrá muy pocas partículas de gran tamaño (relativas a la fuerza del viento), incrementando su número conforme se tornan muy diminutas de acuerdo a una ley invariante a los cambios de escala. Hablamos de fractales, multifractales y ciencias de la complejidad.

Varios colegas me han preguntado la razón de mi obsesión por los procesos de fragmentación. El día que podamos investigar como se fragmentan los macro-agregados del suelo en otros de menor tamaño entenderán la razón. No me refiero a los menores de 2 milímetros, como suelen ser estudiados, sino a la ruptura de las grandes estructuras que aparecen al describir un perfil de suelos, hasta alcanzar el tamaño de los agregados más pequeños que, por cierto, dentro de su rango son conformes a la misma ley. Si alguien con el instrumental adecuado me hiciera caso (…). Pero a lo que vamos.

El tema de las repercusiones de los aerosoles (polvo atmosférico) en el comportamiento del clima y eventos atmosféricos ha dado lugar a decenas de artículos con resultados contradictorios.  Y así desde no hace mucho tiempo se comenzó a entender que su efecto variaba más en función del tamaño de las partículas, que de su composición (aunque también puede influir en alguna medida). Sin embargo, al parecer los datos al uso en los modelos de circulación atmosférica no eran correctos. Se partía de que existían muchas más partículas del tamaño de las arcillas respecto a las más gruesas (arena y limo) que las que realmente acaecen, a pasar de que, en cualquier caso, su abundancia aumenta de las más groseras a las más finas. Y por esta razón, los mencionados modelos  climáticos no predecían correctamente la dinámica detectada con procedimientos instrumentalmente. El hecho y sus repercusiones son, más o menos bien explicados,  en la nota de El País Digital, si bien el periodista comete un tremendo error al argumentar que existen más granos gruesos que finos en los aerosoles. No es así, si no todo lo contrario. Lo que ocurría es que la cantidad de las partículas del tamaño de la arcilla se encontraba sobreestimada. Obviamente, os recomiendo leer el resumen del artículo y los noticieros anglosajones, ya que los rotativos españolas no mejoran ni a tiros.

Así jamas se rompe un vaso, la distribución mostrada es demasiado homogénea Fuente: Balkan.com

El valor de las ciencias del caos y de la complejidad queda nuevamente puesto de manifiesto en este estudio. De hecho, si uno escribe en su buscador tipo Google “ broken glass & fractal” constará que la fragmentación de un vaso de vidrio se ha estudiado mediante el uso de fractales durante mucho tiempo. Todo el contenido que describen las noticias que abajo os muestro, ya eran conocidos, como el de la fertilización férrica de los océanos, el derretimiento de las masas de hielo, el efecto de los diferentes tipos de partículas sobre el régimen de precipitaciones locales (los chinos llevaban tiempo dándole vueltas al tema), etc., etc. Lo único que el autor del artículo ha descubierto es que las estimaciones de las que partían los modelos de circulación atmosférica eran erróneos, nada más, aunque tampoco nada menos.  Nos hubiera gustado que hoy por hoy (ya que el clima se calienta, por que de darse el caso contrario…) la abundancia de las partículas más finas fuera mayor de la que realmente parece existir en el aire de las zonas áridas y semiáridas: más enfriamiento, lluvias más abundantes (creo recordar).  Sin  embargo, mucha prudencia al extrapolar estos datos. Aquí se habla de ambientes áridos, en donde la erosión eólica es más significativa. Bajo otros climas, menos secos y con abundante vegetación, la cantidad de limos de los aerosoles será menor, aunque esto no significa que la distribución de partículas por tamaños no sean conformes a la ley comentada. Del mismo modo, en ciudades y áreas industriales, las emisiones antropogénicas de aerosoles posiblemente modifiquen también lo detectado por el autor. Reitero que Sciencedaily y Terradaily han  abordado el tema en reiteradas ocasiones, por lo que allí podréis encontrar más información.

Finalmente, tan solo señalar que, a menudo, los expertos en ciencias de la complejidad trabajan sobre temas complicados utilizando modelos muy simples, como el de la ruptura de un vaso de vidrio. Así por ejemplo, una de las aportaciones más relevantes al descubrimiento y estudio de los sistemas caóticos lo realizaron unos jóvenes estudiantes estadounidenses grabando el sonido del goteo de un grifo que cerraba mal con una vulgar grabadora. Frecuentemente simplificar los modelos funciona mejor que profundizar con la ayuda (o estorbo) de aparatajes conceptuales e instrumentales más sofisticados.

Juan José Ibáñez

Un vaso roto da nuevas pistas sobre el clima Fuente: NCAR & UCAR

El tamaño de las partículas de polvo que hay en suspensión en la atmósfera influye en el clima porque las más pequeñas reflejan la radiación solar hacia el espacio, reduciéndose la cantidad que llega a la superficie terrestre y provocando un efecto de enfriamiento, mientras que las más grandes, del diámetro de un pelo humano, atrapan la radiación del suelo, es decir refuerzan el efecto invernadero.

FUENTE | El País Digital; 29/12/2010

Por ello, esas partículas, llamados aerosoles, juegan un papel clave en los modelos climáticos, y un investigador estadounidense afirma ahora que las estimaciones de partículas que se hacen no son correctas, que debe haber bastantes más de las grandes que de las pequeñas. Su investigación parte de algo aparentemente sin relación alguna con el clima: un vaso de vidrio que cae al suelo y se hace añicos.

«Aunque sean muy pequeños, las partículas de polvo del suelo se comportan en un impacto igual que un vaso que se cae al suelo en la cocina y el conocer este patrón puede ayudarnos a conformar un panorama más claro de cómo puede ser nuestro clima en el futuro«, dice el investigador Jasper Kok, en un comunicado de la National Science Foundation (NSF), institución estadounidense que financia su trabajo. Los resultados de esta investigación también pueden ser útiles para mejorar la predicción meteorológica, sobre todo en regiones polvorientas. Además, hay que tener en cuenta que las partículas afectan a la nubosidad y a las precipitaciones.

«El impacto de los aerosoles minerales en el saldo de radiación de la Tierra se produce a través de sus interacciones con las nubes, los ecosistemas y la radiación misma, y supone un grado de incertidumbre sustancial los cambios climáticos pasados, presentes y futuros», escribe Kok. «una de las causas de esa gran incertidumbre reside en el hecho de que la distribución de los aerosoles de polvo emitido se comprende mal».

Él ha estudiado un tipo de partículas atmosféricas de polvo mineral, que suelen emitirse cuando el viento agita la superficie terrestre y se elevan fragmentos de polvo del suelo al aire. Éstas pueden medir hasta 50 micrones de diámetro (como el grosor de un pelo humano) y permanecen en el aire pocos días, mientras que los más pequeños miden unos dos micrones y pueden permanecer en la atmósfera una semana, desplazándose prácticamente por todo el globo. Los análisis de Kok (del National Centre for Atmospheric Research, NCAR) indican que la proporción de partículas grandes respecto a las pequeñas es entre dos y ocho veces superior del valor que manejan los modelos climáticos. El efecto puede ser especialmente notable en las simulaciones informáticas del clima en regiones desérticas, donde la atmósfera puede ser rica en partículas en suspensión de este tipo, como el norte de África y el suroeste de Estados Unidos, indica la NSF.

Pero hay otro efecto de estas micropartículas, además del enfriamiento o calentamiento, según su tamaño. Los ecosistemas marinos, que absorben dióxido de carbono de la atmósfera, pueden estar recibiendo considerablemente más hierro de las partículas del aire de lo que se ha estimado. El hierro influye en la actividad biológica estimulando la cadena alimenticia de los organismos marinos, incluyendo las plantas, que consumen CO2 e la fotosíntesis, por lo que aumentaría la capacidad de sumidero de los mares. Por último, el científico cita un tercer efecto de las partículas de polvo: al depositarse en las extensiones nevadas de las montañas absorben calor y la nieve se derrite más deprisa.

La investigación de Kok, publicada en la revista Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias (EE.UU.), se centra en los patrones de fractura de las partículas, basándose en los del vidrio (en el vaso que se cae al suelo), rocas otros objetos, lo que le permite calcular el rango de tamaños de los fragmentos, su distribución entre pequeños, medianos y grandes. «La idea de que todos estos objetos se fracturen de la misma manera es bonita, es la naturaleza creando orden en el caos», dice el científico.

Resumen del Artículo Original

A scaling theory for the size distribution of emitted dust aerosols suggests climate models underestimate the size of the global dust cycle

Jasper F. Kok

Author Affiliations; Advanced Study Program, National Center for Atmospheric Research, Boulder, CO 80307; Edited by Inez Y. Fung, University of California, Berkeley, CA, and approved October 27, 2010 (received for review October 4, 2010)

Abstract

Mineral dust aerosols impact Earth’s radiation budget through interactions with clouds, ecosystems, and radiation, which constitutes a substantial uncertainty in understanding past and predicting future climate changes. One of the causes of this large uncertainty is that the size distribution of emitted dust aerosols is poorly understood. The present study shows that regional and global circulation models (GCMs) overestimate the emitted fraction of clay aerosols (< 2 μm diameter) by a factor of 2–8 relative to measurements. This discrepancy is resolved by deriving a simple theoretical expression of the emitted dust size distribution that is in excellent agreement with measurements. This expression is based on the physics of the scale-invariant fragmentation of brittle materials, which is shown to be applicable to dust emission. Because clay aerosols produce a strong radiative cooling, the overestimation of the clay fraction causes GCMs to also overestimate the radiative cooling of a given quantity of emitted dust. On local and regional scales, this affects the magnitude and possibly the sign of the dust radiative forcing, with implications for numerical weather forecasting and regional climate predictions in dusty regions. On a global scale, the dust cycle in most GCMs is tuned to match radiative measurements, such that the overestimation of the radiative cooling of a given quantity of emitted dust has likely caused GCMs to underestimate the global dust emission rate. This implies that the deposition flux of dust and its fertilizing effects on ecosystems may be substantially larger than thought

Información adicional en abierto

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Description

A new study finds that microscopic particles of dust, emitted into the atmosphere when dirt breaks apart, follow similar fragment patterns as broken glass and other brittle objects. The research suggests there are several times more dust particles in the atmosphere than previously believed, since shattered dirt appears to produce an unexpectedly high number of large dust fragments. The finding has implications for understanding future climate change because dust plays a significant role in controlling the amount of solar energy in the atmosphere.

Dust particles in the atmosphere range from about 0.1 microns to 50 microns in diameter (microns are also known as micrometers, abbreviated as µm). The size of dust particles determines how they affect climate and weather, influencing the amount of solar energy in the global atmosphere as well as the formation of clouds and precipitation in more dust-prone regions. The NASA satellite image in this illustration shows a 1992 dust storm over the Red Sea and Saudi Arabia.

Broken Glass Yields Clues to Climate Change

Released: 12/27/2010 3:40 PM EST

Source: National Center for Atmospheric Research (NCAR)

NewWise

Clues to future climate may be found in the way that an ordinary drinking glass shatters.

A study appearing this week in Proceedings of the National Academy of Sciences finds that microscopic particles of dust, emitted into the atmosphere when dirt breaks apart, follow similar fragment patterns as broken glass and other brittle objects. The research, by National Center for Atmospheric Research (NCAR) scientist Jasper Kok, suggests there are several times more dust particles in the atmosphere than previously believed, since shattered dirt appears to produce an unexpectedly high number of large dust fragments.

The finding has implications for understanding future climate change because dust plays a significant role in controlling the amount of solar energy in the atmosphere. Depending on their size and other characteristics, some dust particles reflect solar energy and cool the planet, while others trap energy as heat. “As small as they are, conglomerates of dust particles in soils behave the same way on impact as a glass dropped on a kitchen floor,” Kok says. “Knowing this pattern can help us put together a clearer picture of what our future climate will look like.”

The study may also improve the accuracy of weather forecasting, especially in dust-prone regions. Dust particles affect clouds and precipitation, as well as temperatures. The research was supported by the National Science Foundation, which sponsors NCAR.

Shattered soil

Kok’s research focused on a type of airborne particle known as mineral dust. These particles are usually emitted when grains of sand are blown into soil, shattering dirt and sending fragments into the air. The fragments can be as large as about 50 microns in diameter, or about the thickness of a fine strand of human hair.

The smallest particles, which are classified as clay and are as tiny as 2 microns in diameter, remain in the atmosphere for about a week, circling much of the globe and exerting a cooling influence by reflecting heat from the Sun back into space. Larger particles, classified as silt, fall out of the atmosphere after a few days. The larger the particle, the more it will tend to have a heating effect on the atmosphere.

Kok’s research indicates that the ratio of silt particles to clay particles is two to eight times greater than represented in climate models.

Since climate scientists carefully calibrate the models to simulate the actual number of clay particles in the atmosphere, the paper suggests that models most likely err when it comes to the number of silt particles. Most of these larger particles swirl in the atmosphere within about 1,000 miles of desert regions, so adjusting their quantity in computer models should generate better projections of future climate in desert regions, such as the southwestern United States and northern Africa.

Additional research will be needed to determine whether future temperatures in those regions will increase more or less than currently indicated by computer models. The study results also suggest that marine ecosystems, which draw down carbon dioxide from the atmosphere, may receive substantially more iron from airborne particles than previously estimated. The iron enhances biological activity, benefiting ocean food chains, including plants that take up carbon during photosynthesis. In addition to influencing the amount of solar heat in the atmosphere, dust particles also get deposited on mountain snowpacks, where they absorb heat and accelerate melt.

Glass and dust: Common fracture patterns

Physicists have long known that certain brittle objects, such as glass or rocks, and even atomic nuclei, fracture in predictable patterns. The resulting fragments follow a certain range of sizes, with a predictable distribution of small, medium, and large pieces. Scientists refer to this type of pattern as scale invariance or self-similarity.

Physicists have devised mathematical formulas for the process by which cracks propagate in predictable ways as a brittle object breaks. Kok theorized that it would be possible to use these formulas to estimate the range of dust particle sizes. He turned to a 1983 study by Guillaume d’Almeida and Lothar Schueth from the Institute for Meteorology at the University of Mainz in Germany that measured the particle size distribution of arid soil.

By applying the formulas for fracture patterns of brittle objects to the soil measurements, Kok determined the size distribution of emitted dust particles. To his surprise, the formulas described measurements of dust particle sizes almost exactly.

“The idea that all these objects shatter in the same way is a beautiful thing, actually,” Kok says. “It’s nature’s way of creating order in chaos.”

The University Corporation for Atmospheric Research manages the National Center for Atmospheric Research under sponsorship by the National Science Foundation. Any opinions, findings and conclusions, or recommendations expressed in this publication are those of the author(s) and do not necessarily reflect the views of the National Science Foundation.

Note to journalists

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Muy Buena página para foto y más información