Buscan “agujeros negros” en el mar

Según investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zurich)‎ y de la Universidad de Miami (EEUU), algunos de los más grandes remolinos oceánicos de la Tierra son matemáticamente equivalentes a los misteriosos agujeros negros del espacio.

En el norte de Europa se producen inviernos suaves gracias a la Corriente del Golfo, que forma parte de las corrientes oceánicas del mundo con efecto sobre el clima. Sin embargo, el clima también se ve influenciado por enormes remolinos de más de 150 kilómetros de diámetro que giran por el océano y por éste se mueven a la deriva.

El número de estos remolinos se ha incrementado en el Océano Antártico‎, aumentando el transporte de aguas cálidas y saladas hacia el norte. Curiosamente, esto podría moderar el impacto negativo de la fusión del hielo marino en un contexto climático más cálido.

Sin embargo, los científicos no han sido capaces aún de cuantificar dicho impacto debido a que los límites exactos de estos cuerpos acuosos giratorios han resultado hasta ahora indetectables.

George Haller, profesor de Dinámica no lineal de la ETH Zurich, y Francisco Berón-Vera, profesor de investigación oceanográfica de la Universidad de Miami, han llegado a una solución para este problema.

Esfera fotónica y esfera de agua

En un artículo publicado recientemente en el Journal of Fluid Mechanics, describen una nueva técnica matemática para encontrar remolinos transportadores de agua con límites coherentes. El desafío en la búsqueda de estos remolinos es identificar islas de agua definidas, en medio de un océano turbulento. El movimiento rotatorio y sin rumbo del fluido parece caótico para el observador, tanto desde el interior como desde el exterior de los remolinos.

Pero Haller y Beron-Vera fueron capaces de establecer un orden en este caos mediante el aislamiento de estas islas de agua coherentes, a partir de una secuencia de observaciones realizadas por satélites.

Para su sorpresa, dichos remolinos coherentes resultaron ser matemáticamente equivalentes a los agujeros negros del espacio, publica el ETH Zurich. Un agujero negro es una región finita del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada como para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material puede escapar de ella, ni siquiera la luz.

Pero, a una distancia crítica de un agujero negro, cualquier haz de luz dejará de girar hacia el interior del agujero. En lugar de eso, se doblará drásticamente para volver a su posición original, formando una órbita circular. La superficie formada por estas órbitas luminosas situadas alrededor de un agujero negro es denominada esfera fotónica.

Lo que Haller y Beron-Vera han descubierto es que superficies cerradas similares se forman también alrededor de los remolinos oceánicos. En estas barreras, las partículas del fluido se mueven en bucles cerrados, siguiendo una trayectoria similar a la de la luz en una esfera fotónica. Como en un agujero negro, nada puede escapar de estos bucles.

Son precisamente estas barreras lo que ayudan a identificar remolinos oceánicos coherentes entre la gran cantidad de datos observacionales disponibles. Según Haller, el hecho mismo de que existan tales órbitas coherentes de agua en medio de las complejas corrientes oceánicas es sorprendente.

Otras similitudes

Como los remolinos oceánicos parecidos a los agujeros negros son estables, funcionan de la misma manera que un vehículo de transporte, no sólo para los microorganismos como el plancton o para los cuerpos extraños como los residuos plásticos, sino también para el agua con una temperatura y un contenido de sal que puede diferir de los del agua circundante.

Haller y Beron-Vera verificaron sus predicciones en los llamados remolinos de Agulhas, un grupo de remolinos oceánicos que fluyen a lo largo de la costa sureste de África y alrededor del extremo sur de África. y que transportan agua salada y cálida. Los investigadores identificaron siete remolinos de Agulhas del tipo “agujero negro”, portando el mismo agua sin fugas durante casi un año.

Haller señala la existencia de vórtices coherentes similares, en otros flujos complejos no oceánicos. Por ejemplo, muchos torbellinos serían probablemente similares a los agujeros negros.

Incluso la Gran Mancha Roja,‎ el mayor vórtice anticiclónico del planeta Júpiter, podría ser un espectacular ejemplo de esta similitud. "Los matemáticos han estado tratando de entender estos vórtices peculiarmente coherentes en flujos turbulentos desde hace mucho tiempo", explica Haller.

El papel de Edgar Allan Poe en el descubrimiento

Cabe destacar que la primera persona que describió los remolinos oceánicos como islas de agua coherentes fue, no un científico, sino el escritor estadounidense Edgar Allan Poe. En su relato “Un descenso al Maelstrom"‎, el autor se inspiró en el fenómeno del Maelström, un remolino que se produce en las costas de Noruega formado por la conjunción de las fuertes corrientes que atraviesan el estrecho de Moskenstraumen y la gran amplitud de las mareas.

Este cuento sirvió a su vez de inspiración a Haller y Beron-Vera, que vieron en la franja estable de espuma alrededor de un remolino descrita por Pound el equivalente oceánico a las esferas fotónicas, por lo que decidieron analizarla usando matemáticas sofisticadas.

Se espera que estos resultados ayuden a resolver diversos rompecabezas oceánicos relacionados con el clima o con la propagación de los patrones de contaminación del medio ambiente.

Referencia bibliográfica:

G. Haller, F. J. Beron-Vera. Coherent Lagrangian vortices: the black holes of turbulence. Journal of Fluid Mechanics (2013). DOI: 10.1017/jfm.2013.391.