¿Qué puede ser más sencillo que la física de una bolsa arrastrada por el viento? ¿O de un grano de polen sumergido en agua en reposo? Como aprendieron Robert Brown, Albert Einstein y Marian Smoluchowski a mediados del siglo XIX y principios del siglo XX, a veces hay tanta belleza en el mundo que no puede explicarse en forma sencilla.

La física de partículas sumergidas en fluidos, aunque a primera impresión puede parecer sencilla, ha jugado un papel central en el desarrollo de la mecánica estadística y en nuestra comprensión actual de sistemas en equilibrio termodinámico (y también de sistemas que están fuera de equilibrio). El movimiento browniano fue descrito por primera vez por Robert Brown en 1827, mientras observaba un grano de polen sumergido en agua en el microscopio. Brown notó que el grano de polen parecía moverse y sacudirse al azar, sin ninguna razón aparente.

A principios del siglo XX, Einstein y Smoluchowski explicaron este fenómeno asumiendo que el choque de las moléculas de agua con el grano de polen producían el movimiento de la partícula observado en el microscopio. Esto permitió verificar en forma indirecta la existencia de átomos y moléculas en experimentos. Pero el movimiento browniano, y las teorías de Einstein y Smoluchowski, marcaron también el camino para el estudio de procesos de difusión y de los procesos aleatorios. Y las partículas sumergidas en fluidos siguen dando sorpresas aún hoy. Muy recientemente, experimentos usaron partículas coloidales sumergidas en líquidos para verificar una relación para las fluctuaciones en sistemas fuera del equilibrio termodinámico conocida como la igualdad de Jarzynski (una igualdad que nos dice que en sistemas fuera del equilibrio la entropía puede disminuir, pero que la probabilidad de que esto ocurra es mucho menor que la probabilidad de que la entropía aumente; más adelante vamos a volver sobre este tema en otro posteo). Y un sistema similar se usó para verificar una predicción de Landauer de 1961, que dice que borrar información tiene un costo termodinámico: cada vez que se borra información debe realizarse una cantidad mínima de trabajo, aumentando inevitablemente la entropía del sistema (otro tema sobre el que volveremos más adelante).

En otras palabras, un tema que parece sencillo, como el estudio de una partícula sumergida en un líquido macroscópicamente en reposo, es mucho más complicado de lo que parece. Y para describirlo se han construido modelos físicos y matemáticos con diferente grado de complejidad.

El modelo de camino al azar unidimensional discreto es un modelo muy simplificado para el fenómeno del movimiento browniano. En este modelo, en cada paso una partícula solo puede moverse  con alguna probabilidad a la derecha o a la izquierda, con pasos discretos en el espacio y el tiempo. El límite continuo, en múltiples dimensiones espaciales, se encuentra más cerca del movimiento browniano. Pero dada la ubicuidad en la física del fenómeno del movimiento browniano, aún los modelos de camino al azar más sencillos encuentran múltiples aplicaciones, a veces en lugares tan inesperados como el estudio del crecimiento aleatorio de interfaces, el estudio de procesos de difusión en el océano (pueden encontrar en este link una aplicación a este tipo de problemas realizada por nuestro grupo de investigación), o en epidemiología (como veremos en un próximo posteo). En matemática el camino al azar también juega un rol importante a la hora de estudiar procesos estocásticos (Pablo Groisman, @pgroisma, en el Departamento de Matemática trabaja, entre otras cosas, en estos temas).

En física, un resultado importante de los modelos de camino al azar, y de la teoría de Einstein y Smoluchowski para el movimiento browniano, es la predicción de que el desplazamiento cuadrático medio de las partículas crece como la raíz del número de pasos (o del tiempo). El siguiente gráfico muestra 100 caminos al azar simétricos, y la predicción para el desplazamiento cuadrático medio:

Este resultado permite calcular el coeficiente de difusión para el sistema. Pero aunque parezca sencillo, este tampoco es un resultado trivial. Un coeficiente de difusión es una magnitud macroscópica (como la viscosidad de un líquido, o la conductividad eléctrica de un conductor), pero en este ejemplo el coeficiente macroscópico emerge como resultado de promediar sobre la trayectoria de muchas partículas individuales (y microscópicas). A lo largo de la materia veremos formas sistemáticas para calcular coeficientes efectivos de esta forma.

El título de este post (además de hacer referencia a una mala película con buena música), hace referencia a dos temas que discutimos en clase: energía libre y formación de nubes (pero de gotas de agua, no de albóndigas).

El concepto de energía libre juega un rol muy importante en física atmosférica. Y quién estableció su importancia fue Edward Lorenz (¡el del atractor de Lorenz y la teoría del caos!). Lorenz es conocido por su atractor caótico. Es menos sabido que derivó sus ecuaciones a partir de las ecuaciones físicas que describen la convección en la atmósfera, es decir, el movimiento del aire que transfiere calor desde el suelo más caliente hacia las capas más altas (y más frías) de la atmósfera. Una de las propiedades de los sistemas caóticos es que tienen sensibilidad a las condiciones iniciales: pequeños cambios en el estado del sistema son amplificados rápidamente, resultando en grandes cambios un corto tiempo después. La pregunta “¿Puede el aleteo de una mariposa en Brasil desencadenar un tornado en Texas?” es de uno de los trabajos de Lorenz sobre predictibilidad atmosférica. Lorenz puso límites estrictos a la cantidad de días en los que podemos predecir el estado del tiempo. Pero Lorenz hizo más contribuciones a la física atmosférica y a las ciencias de la atmósfera, y ciertamente una no fue la de construir una máquina para que lluevan hamburguesas.

La contribución de Lorenz que nos interesa por su vínculo con los temas que vimos en clase es el uso de la termodinámica para establecer el ciclo energético de la circulación global de la atmósfera, definir la “energía potencial disponible”, y explicar por qué solo el 2% de la energía que llega del sol se convierte en movimiento del aire en forma de vientos medios. La “energía potencial disponible” de Lorenz es una aplicación muy elegante y importante de la termodinámica: permite calcular cuanta energía almacenada en la atmósfera puede usarse para hacer trabajo, y generar vientos o tormentas.

La región más baja de la atmósfera, llamada la tropósfera y donde ocurren los fenómenos del tiempo que afectan nuestras vidas todos los días, muestra una circulación global (un “viento medio”) persistente en el tiempo:

Como pueden ver, los vientos en la superficie de la Tierra cerca del ecuador apuntan preferencialmente en la dirección este-oeste, mientras que en las latitudes donde se encuentra Buenos Aires y en la región patagónica apuntan usualmente en la dirección opuesta (aunque en el caso particular de la región de Buenos Aires, los vientos medios suelen estar afectados por un conjunto de centros de alta y baja presión que cambian ligeramente con las estaciones; los interesados en estos detalles, y en cómo la física describe estos procesos pueden ver este link).

El movimiento medio de la atmósfera causado por esta circulación tiene asociada una energía cinética (de la misma forma que una tormenta involucra también una cantidad importante de energía cinética asociada al movimiento de la masa de aire). ¿Pero cuál es la fuente de esa energía?

La fuente de energía es la radiación solar, que es absorbida por el suelo, y reemitida en forma de calor. El ciclo completo (tomado de un paper de Edward Lorenz que cito más abajo) es el siguiente:

La energía (en forma de calor) liberada por el suelo se convierte en energía potencial (gravitatoria, asociada a la estratificación del aire) y energía interna (o energía térmica del gas). Luego, mediante una conversión adiabática, esa energía potencial se convierte en movimiento (por ejemplo, por diferencias de temperatura y presión en diferentes lugares, que resultan en la aparición del viento que intenta reestablecer el balance de presión). Esa energía se disipa por fricción, y una parte vuelve a calentar el suelo, lo que junto con nueva radiación solar incidente reinicia el ciclo.

Sin embargo, solo una fracción muy pequeña de la energía incidente (como mencioné anteriormente, cerca del 0.02 de la energía total en la radiación solar) se puede convertir en trabajo y sostener la circulación global de la atmósfera contra la disipación. Lorenz se dio cuenta que era incorrecto asumir que toda la energía disponible podía convertirse en trabajo, y que una estimación termodinámicamente correcta debía involucrar a una energía libre (porque bajo las condiciones correctas, la energía libre acota la máxima energía que puede convertirse en trabajo, según el segundo principio de la termodinámica). Así, Lorenz definió la “energía potencial disponible“, que es la forma moderna de cuantificar la energía disponible para hacer trabajo en la atmósfera.

Para los que quieran leer un poco más sobre estos temas, les dejo tres links:

• Un link a un coloquio de Edward Lorenz, donde explica el uso del concepto de energía libre para estimar cuán intensa puede ser la circulación global en la atmósfera. No es el objetivo que entiendan los detalles, solo que (si están interesados) miren la introducción para ver cómo usa conceptos termodinámicos y ciclos energéticos para definir la energía potencial disponible para hacer trabajo.
• Un link a un artículo sobre un laboratorio que estudia formación de gotas en nubes, y su suspensión por la convexión en la nube (¡con un video promocional!). Entre otras cosas, el artículo menciona el rol de partículas pequeñas suspendidas en el aire (aerosoles) para que se generen las gotas, algo que yo mencioné brevemente en clase.
• Los interesados en nubes y gotas de lluvia también pueden ver este trabajo que nuestro grupo de investigación publicó en Physical Review Letters sobre por qué las gotas caen más rápido que lo que deberían.