Comprender cómo se comportan las pequeñas gotas de agua mejora nuestra capacidad de describir la evaporación y la condensación del agua a escalas muy diferentes, lo que tiene implicaciones para todo, desde nanodropletas hasta modelos climáticos.
Cuando ve lo difícil que es obtener el pronóstico del tiempo adecuado para la próxima semana, puede imaginar los desafíos que enfrentan los investigadores cuando se trata de predecir el clima dentro de décadas.
Los climatólogos necesitan buenos modelos para predecir el cambio climático con el tiempo, pero para predecir cómo está cambiando el clima de la Tierra, también necesitan comprender cómo se comportan las gotas de agua.
"Ahora, somos capaces de describir la transferencia de calor y masa a través de interfaces de agua planas planas y curvas", dice Øivind Wilhelmsen, científico investigador de SINTEF Energy Research. SINTEF es el instituto de investigación independiente más grande de Escandinavia.
La investigación de Wilhelmsen se relaciona con la termodinámica del no equilibrio y trata con una extensión de las teorías del ganador del Premio Nobel noruego Lars Onsager. La mayoría de nosotros encontraremos su investigación bastante difícil de entender. Sin embargo, es de importancia fundamental, no solo para predecirel clima de mañana, pero también para entender cómo el clima y el clima van a cambiar en los próximos años.
Resulta que el ciclo del agua y la precipitación se encuentran entre las mayores incertidumbres en los modelos climáticos actuales.
Cómo crecen las gotas de agua
"El agua se evapora todo el tiempo de los océanos, ríos y lagos. Luego, se forman nubes en la atmósfera. Se forman pequeñas gotas en las nubes y eventualmente caen como lluvia cuando han crecido lo suficiente. Qué tan rápido ocurren estos procesos, qué tan grandeslas nubes se vuelven y cuando cae la lluvia todo depende de la rapidez con que se transportan la masa y la energía a través de las interfaces de agua ", dice Wilhelmsen.
Parte de la incertidumbre en las predicciones meteorológicas actuales y los modelos climáticos radica en nuestra falta fundamental de comprensión de estos procesos de transporte.
"El crecimiento de las gotas de agua depende de sus coeficientes de transferencia de interfaz, que Wilhelmsen ha calculado", dice el profesor Signe Kjelstrup del Departamento de Química de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología NTNU.
La investigación fue parte de la tesis doctoral de Wilhelmsen, de la cual Kjelstrup era supervisor, junto con el profesor Dick Bedeaux.
Muchos campos científicos pueden beneficiarse de la investigación.
"Esta investigación es muy general, y los resultados nos permiten describir una amplia gama de procesos en muchas escalas, desde la evaporación de grandes lagos hasta el crecimiento de gotas de agua de unos pocos nanómetros", dice Bedeaux.
Los científicos pueden usar los resultados para comprender mejor los procesos naturales, a través de pronósticos meteorológicos y modelos climáticos. Sin embargo, los hallazgos también tienen relevancia industrial y son útiles en procesos industriales que involucran evaporación o condensación de agua. Un ejemplo importante son las turbinas de vapor,cuáles son los equipos más utilizados para generar electricidad a nivel mundial.
"Durante muchos años, esta ha sido una pieza faltante del rompecabezas para varios procesos importantes, tanto en la naturaleza como en la industria", explica Wilhelmsen.
"Los resultados son útiles en una gran cantidad de aplicaciones, y nos gustaría ver los resultados puestos en uso", dice Kjelstrup.
Comenzó con poco
Los investigadores comenzaron con solo fragmentos dispersos de una descripción de cómo se comportan las gotas. Su primera tarea fue conectar las piezas correctas. No había una descripción satisfactoria incluso para interfaces de agua completamente planas.
"Ahora incluso podemos describir interfaces curvas", dice Kjelstrup.
El agua es especial, y sus propiedades peculiares son una de las razones por las cuales la vida pudo evolucionar en la Tierra. Sin embargo, estas mismas propiedades plantearon enormes desafíos.
"Tuvimos que usar todas las herramientas a nuestra disposición: experimentos a bajas temperaturas, simulaciones de dinámica molecular a altas temperaturas y una nueva teoría avanzada para hacer que todo encajara. Esto no hubiera sido posible hace diez años", dice Wilhelmsen.
Parte del desafío reside en el hecho de que los experimentos relevantes solo pueden realizarse a bajas temperaturas. A altas temperaturas, los investigadores pudieron usar simulaciones de dinámica molecular sin equilibrio, donde podían imitar en una computadora cómo interactúan entre sí las moléculas de agua realesen un volumen simulado. Estas simulaciones permiten a los investigadores capturar las propiedades anómalas del agua con bastante precisión.
Sin embargo, a temperaturas más bajas, las simulaciones se hicieron tan exigentes desde el punto de vista informático que eran imposibles de llevar a cabo, incluso en las supercomputadoras más potentes disponibles en la actualidad. Los científicos tuvieron que usar la teoría avanzada para unir las piezas.
Cómo la curvatura de las gotas de agua influye en el clima y el clima
Cuando las gotas de agua se forman por primera vez en la atmósfera, son muy pequeñas. Luego crecen casi un millón de veces antes de caer eventualmente como gotas de lluvia. Si podemos determinar exactamente qué tan rápido crecen las gotas de agua bajo ciertas condiciones, podemos más fácilmentepredecir cuándo y cuánto va a llover.
"Dado que las gotas de agua son muy pequeñas cuando se forman por primera vez, la curvatura de sus interfaces afecta la rapidez con que crecen", dice Wilhelmsen.
Las gotas de agua crecen primero al absorber agua de la atmósfera, y tienen una forma casi esférica durante este proceso. Cuando se han vuelto lo suficientemente grandes, dos gotas de agua también pueden colisionar y fusionarse, o fusionarse, en una gota más grande.
"Ahora, por primera vez, somos capaces de describir cómo se produce el transporte de calor y masa a través de las interfaces de agua a medida que se juntan dos gotas de agua. Aquí, la geometría y la curvatura se vuelven más complicadas", dice el profesor Bedeaux.
"La fusión de gotas de agua es un mecanismo importante en la precipitación como lluvia en los trópicos", dice Wilhelmsen.
Investigación fundamental
Los científicos quieren enfatizar que su trabajo es una investigación fundamental que proporciona una nueva comprensión de los procesos que conocemos desde hace mucho tiempo. Pero al mismo tiempo, las consecuencias de los hallazgos pueden ser sustanciales.
"Ahora hemos descubierto una nueva pieza del rompecabezas. Esta pieza se puede usar en modelos climáticos y pronósticos meteorológicos para mejorar nuestra comprensión, no solo de cómo será el clima mañana, sino también de cómo el clima y el climaevolucionará en el futuro. Es importante reducir la incertidumbre en los modelos climáticos actuales porque esto nos permitirá convencer a más personas de que es muy importante actuar lo más rápido posible para hacer algo sobre el calentamiento global ", dice Wilhelmsen.
La investigación se publicó en Physical Review E y se llevó a cabo en colaboración con el Instituto de Mecánica de Fluidos de la Universidad de Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg en Alemania. Los coautores de Wilhemsen son D Thuat T. Trinh, Anders Lervik y Vijay KumarBadam, junto con Kjestrup y Bedeaux.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por La Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología NTNU . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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