Una nueva teoría sobre la turbulencia en vuelo

Bjorn Birnir teme que el compañero de asiento en un avión le pregunte a qué se dedica. Esto se debe a que el Dr. Birnir es uno de los principales expertos mundiales en turbulencia, el movimiento caótico de fluidos, como el agua o el aire, en medio de una perturbación. Inevitablemente, el compañero de asiento le hará al Dr. Birnir la pregunta que sabe que vendrá y que detesta responder: ¿Qué tan peligrosa es realmente la turbulencia?

Hoy en día, esa pregunta la hacen con creciente frecuencia los tres millones de personas que vuelan cada día solo en aeropuertos estadounidenses. Lo que antes parecía relegado a una molestia de fondo de la aviación comercial, como la mala comida y el espacio insuficiente para las piernas, la turbulencia severa no hace más que empeorar.

En 2023, investigadores británicos utilizaron datos meteorológicos recopilados durante varias décadas para llegar a la conclusión de que la turbulencia severa sobre el Atlántico Norte había aumentado un 55 por ciento entre 1979 y 2020. (El estudio solo analizó la turbulencia en aire claro, que ocurre cuando un avión no vuela a través de una tormenta ni sobre una cadena montañosa; ese tipo de turbulencia es especialmente difícil de predecir).

“He pensado muchas veces que sería maravilloso si pudiéramos hacer que viajar en avión fuera un poco más agradable”, dijo el Dr. Birnir, quien dirige el Centro de Ciencia Compleja y No Lineal en la Universidad de California, Santa Bárbara, y también preside el departamento de matemáticas allí. Su última contribución a ese esfuerzo es un artículo reciente en la revista científica Physical Review Research que, según él, presenta posiblemente el modelo más avanzado de movimiento turbulento. Este modelo podría, a su vez, ayudar a los ingenieros que se esfuerzan por hacer que el vuelo sea más seguro y menos estresante.

“El diseño de aviones va a beneficiarse”, dijo el Dr. Birnir. “Definitivamente deberíamos ver mejores modelos meteorológicos”.

Thomas Q. Carney, profesor jubilado de tecnología de la aviación en la Universidad de Purdue, quien ha acumulado más de 11.000 horas de vuelo como piloto, dijo: “Cuanto mejor sea el modelo, cuanto más capture del campo turbulento particular, mejor será el pronóstico, que es lo que va a usar el piloto”.

Volar en aerolíneas estadounidenses sigue siendo excepcionalmente seguro, pero accidentes recientes han comenzado a erosionar la confianza en la aviación comercial. Este mes, la Junta Nacional de Seguridad en el Transporte publicó un informe provisional sobre un vuelo de Delta Air Lines que lesionó a varias personas durante un encuentro a finales de julio con aire inesperadamente turbulento sobre Wyoming. Los pilotos habían intentado evitar el mal tiempo, solo para ser sacudidos inesperadamente por flujos turbulentos. (El cambio climático también podría estar influyendo, ya que una atmósfera más cálida afecta la presión del aire y la velocidad del viento).

La turbulencia ha sido durante mucho tiempo un desafío para los científicos, aunque en los últimos años los investigadores han realizado cambios significativos en la comprensión de cómo funciona la turbulencia. Richard P. Feynman, físico ganador del Premio Nobel, la llamó una vez “el problema no resuelto más importante de la física clásica”. Una de las razones es que la turbulencia “se basa en tantas partes móviles, por así decirlo: temperatura, presión, viento, etcétera”, dijo Patrick Smith, quien escribe sobre aviación en su sitio web Ask the Pilot. “Los factores y condiciones que causan aire turbulento pueden cambiar muy rápidamente”.

El sistema es inherentemente caótico, negándose a evolucionar siguiendo un camino predecible. Las partículas que experimentan movimiento turbulento “comienzan a divergir en diferentes direcciones”, dijo Tanner D. Harms, quien estudió la turbulencia como estudiante de doctorado en el Instituto de Tecnología de California. Esas direcciones son excepcionalmente difíciles de modelar con precisión. “La definición de caos está casi entretejida en la propia turbulencia”.

Para intentar dar sentido al caos, el Dr. Birnir trabajó con Luiza Angheluta-Bauer, física teórica de la Universidad de Oslo, para idear un modelo que combina dos métodos diferentes para observar la turbulencia: lo que se conoce como mecánica lagrangiana y euleriana. Los expertos dicen que ninguno de los dos marcos puede explicar por sí solo cómo funciona la turbulencia.

Eso se debe a que estos dos marcos observan aspectos fundamentalmente diferentes de un sistema turbulento. En la mecánica lagrangiana, los investigadores observan una partícula simple, mientras que en el marco euleriano observan un solo punto en el espacio. En términos sencillos, la mecánica lagrangiana es como observar una hoja que fluye río abajo, sujeta a los caprichos de los remolinos en el agua. Por otro lado, la mecánica euleriana es como observar una roca que sobresale de la superficie del río y estudiar cómo la turbulencia del agua se mueve alrededor de ese punto fijo.

La turbulencia lagrangiana es más difícil de modelar porque requiere comprender cómo se comportará una partícula solitaria. Esa partícula solitaria “ejecutará el movimiento más complicado que puedas imaginar”, dijo el Dr. Birnir.

Saber cómo encaja cada tipo de turbulencia en el panorama general es similar a seleccionar la lente adecuada para un microscopio, ya que ambos dependen en gran medida de la perspectiva. “Misma turbulencia, diferentes historias”, dijo Tomek Jaroslawski, investigador posdoctoral en el Centro de Investigación de Turbulencia de Stanford. “Ninguna visión es incorrecta, simplemente son diferentes formas de hacerle una pregunta a la naturaleza”.

Él y la Dra. Angheluta-Bauer utilizaron enfoques tanto teóricos como estadísticos. Anteriormente, los físicos no habían logrado desarrollar un modelo tan completo del movimiento turbulento. “El resultado es novedoso, no hay duda de eso”, dijo Katepalli Sreenivasan, exdecano de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York, reconociendo que algunos expertos no estaban de acuerdo con su valoración.

“La turbulencia completamente desarrollada es cuando las cosas están simplemente locas”, dijo J. Doyne Farmer, profesor de sistemas complejos y caóticos en la Universidad de Oxford. “Esos remolinos se comportan de manera muy caótica y hay muchos grados de libertad”.

El Dr. Birnir dijo que creía que el vuelo de Delta sobre Wyoming “parece ser un ejemplo típico de severa intermitencia en la turbulencia euleriana”, aunque señaló que no podía hacer un análisis definitivo sin acceso a los datos en bruto. Dijo que un modelo más matizado de la turbulencia podría haber permitido a los pilotos tomar medidas preventivas, como reducir la potencia del motor, para contrarrestar la irregularidad euleriana a través de la cual volaban.

El Dr. Carney, de la Universidad de Purdue, confesó que parte del trabajo que realizaron el Dr. Birnir y la Dra. Angheluta-Bauer estaba fuera de su alcance y probablemente también fuera del alcance de cualquier piloto sin experiencia en dinámica de fluidos computacional. Pero eso no disminuía su utilidad potencial. “Me siento seguro de que están contribuyendo al estado del conocimiento”, dijo.

(C) The New York Times.-