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Los copos de nieve se arremolinan según unas matemáticas sorprendentemente sencillas

Cada copo de nieve es diferente, pero una nueva tecnología revela que todos giran igual

Crédito:

Cepreй Бypбoha/Getty Images

Para todos los copos de nieve variación estructural infinita, sus viajes a la Tierra son notablemente similares, incluso predecibles. Los investigadores que siguieron la caída de más de medio millón de copos han descubierto un patrón matemático amplio que describe con precisión cómo giran en el aire.

Tim Garrett, científico atmosférico de la Universidad de Utah, autor principal de un nuevo estudio en Física de fluidos, ha estudiado los copos de nieve durante casi una década. Aunque el comportamiento de objetos tan diminutos y efímeros puede parecer intrascendente, su velocidad de caída es una variable clave en los pronósticos del tiempo y el clima, incluso en los trópicos; la mayor parte de las precipitaciones, independientemente de dónde terminen, comienzan en forma de nieve.

El movimiento de los copos de nieve normalmente se estudia en laboratorios bajo condiciones controladas que no reflejan la complejidad de la naturaleza. Examinar los copos de nieve que caen en el campo ha sido un desafío para los científicos atmosféricos durante décadas.


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Para un nuevo enfoque, Garrett se asoció con los ingenieros de la Universidad de Utah, Dhiraj Kumar Singh y Eric Pardyjak, para construir una máquina que mide la masa, densidad, área y forma de los copos de nieve individuales que caen sobre una placa calefactora. Al colocar este instrumento debajo de cámaras de video y un plano de luz láser, los investigadores pudieron rastrear cómo se movía cada copo de nieve en respuesta a la turbulencia del aire exterior.

«Pudimos dejar que la atmósfera se expresara, comportarse de una manera que un científico no podía controlar en absoluto», dice Garrett. «Creo que es por eso que terminamos descubriendo una simplicidad extraordinaria, una elegancia».

Los investigadores descubrieron una correlación lineal entre la aceleración promedio de un copo de nieve (que, en este estudio, equivale a cuánto gira) y su número de Stokes, un valor que describe la rapidez con la que un objeto responde a los cambios en la turbulencia del aire. Por ejemplo, un copo ancho y esponjoso gira más que uno aerodinámico.

Utilizando el número de Stokes, los investigadores ahora pueden predecir cuánto se arremolinará un copo de nieve al caer. A una escala más amplia, el equipo se sorprendió al descubrir que la distribución de la agitación promedio de los copos de nieve se ajusta a una única curva exponencial casi perfecta (un patrón matemático fijo) a pesar de la amplia variabilidad de la turbulencia del aire y la variedad de formas y tamaños de los copos de nieve.

La causa de esta regularidad sigue siendo un misterio por ahora. Pero Garrett dice que podría estar relacionado con la forma en que el aire turbulento hace que los copos de nieve fluctúen en forma y tamaño, lo que a su vez puede modificar sus respuestas a esa turbulencia.

Se necesita más investigación para evaluar la universalidad del patrón matemático, dice el ingeniero mecánico de la Universidad de Minnesota, Jiarong Hong. “Analizaremos la aplicabilidad de [this result] a nuestros conjuntos de datos de copos de nieve capturados en diferentes condiciones”, incluidas distintas altitudes y rugosidades del suelo, añade.

Si el patrón se mantiene universalmente, «el hecho de que exista esta simplicidad sugiere que habrá una explicación simple», dice Garrett. «Sólo tenemos que encontrarlo».