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Cómo ayudan las matemáticas a entender el cambio climático

Estos días se está celebrando en Madrid la conferencia número 25 del Convenio de Cambio Climático de la ONU.

Los indicadores, basados en modelos matemáticos, nos dicen que debemos actuar si queremos que el planeta sea viable.

Debemos observar la naturaleza, trasladar nuestras observaciones a lenguaje matemático y formular hipótesis. Cuando hagamos esto tendremos un modelo de la naturaleza. Por ejemplo, si queremos estudiar el movimiento de un proyectil, podemos formular un modelo en el que la trayectoria descrita es una parábola:

El modelo nos sirve para cualquier objeto que deseemos lanzar.

Ahora nos interesan especialmente  las ecuaciones que describen el movimiento de las masas de aire y que dan lugar a los modelos de predicción meteorológica: las ecuaciones de Navier Stokes.

En el caso de los modelos climáticos la cuestión se complica bastante: por una parte, debemos decidir con qué escala de tiempo trabajamos.

Lo que sí podemos hacer es observar y, en ese sentido, tenemos datos para preocuparnos. Cuando observamos un aumento sustancial de la temperatura del planeta deberían encenderse las alarmas.

El gráfico de la imagen superior demuestra observa que en en los últimos 80 años la temperatura global ha subido un grado. Eso conlleva el aumento del nivel de los océanos, con la inundación de zonas costeras, pero también el acceso a materia vegetal que hasta ahora era inaccesible por estar congelado.

Los datos se estudian, se ajustan y se proponen ecuaciones que los reflejen. Se comprueba que las mediciones anteriores funcionan para el modelo que hemos realizado y con eso se supone que también van a predecir bien el comportamiento futuro. Esto se hace con ciertas cautelas: se piensa que la plantación de árboles ayuda a capturar CO2, pero ahora se está comprobando que los árboles no están capturando tanto dióxido de carbono como se esperaba.

En la década de 1960 Syukuro Manabe, investigador en la agencia estadounidense de la Atmósfera y el Océano (NOAA), elaboró un modelo informático según el cual, si se duplicaba la concentración de CO2 en la atmósfera, la temperatura global subiría dos grados (ya ha aumentado uno). Ese era el inicio de los modelos que predicen el cambio climático y en 2017 obtuvo el premio BBVA Fronteras del Conocimiento, junto a James Hansen, otro investigador que predijo el calentamiento global.

En un modelo climático se suele considerar la esfera terrestre rodeada de una malla en la que las celdas se constituyen por latitud y longitud, añadiendo además factores como la presión atmosférica y la altitud.

Los modelos, como tales no son únicos, pero sus hipótesis se basan en leyes de conservación. En el caso de modelos atmosféricos necesitamos imponer ecuaciones de conservación del momento, conservación de la masa, conservación del agua y una ecuación de estado. Con los modelos climáticos oceánicos ocurre algo similar, pero también hay que considerar, por ejemplo, la conservación de la salinidad.

Los condicionantes matemáticos conducen a modelos diferentes. Además de cambiar la resolución con la que se trabaja también podemos cambiar ligeramente las hipótesis de partida con las que establecemos las condiciones de contorno de las ecuaciones que intervienen en el modelo.

Leer más:

https://www.abc.es/ciencia/abci-como-ayudan-matematicas-entender-cambio-climatico-201912020059_noticia.html

Un nuevo modelo matemático predice dónde podría atacar el Ébola

Un nuevo modelo matemático podría facilitar la predicción de los brotes de Ébola, que pueden llegar a ser hasta un 60% más propenso para 2070, si el mundo continúa en un camino hacia un clima más cálido.

El modelo podría emplearse para determinar dónde vacunar a las personas antes de que un brote se establezca, o permitir que un gobierno tome medidas en las fronteras donde los viajeros enfermos pudiesen propagar la enfermedad.

Las personas pueden contraer el Ébola al entrar en contacto cercano con la sangre o los fluidos corporales de una persona o animal infectado. Un murciélago de la fruta pudo haber estado detrás de los brotes en el África occidental en 2014. Los efectos del cambio climático podrían cambiar el lugar donde viven los murciélagos y las personas, poniéndolos en contacto más próximo entre sí.

Para determinar las perspectivas del Ébola en 2070, los investigadores que elaboraron el nuevo modelo consideraron diversos escenarios sobre cómo el mundo podría trabajar para reducir la desigualdad, frenar el crecimiento de la población y disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero. Se han identificado con precisión los lugares donde ya habido epidemias, como la República Democrática del Congo y Gabón, y se han señalado otros, particularmente en Nigeria, que aún no la han visto.

Fuente:

https://www.fayerwayer.com/2019/10/computadora-puede-predecir-brotes-ebola/

Los datos matemáticos del cambio climático

Aunque la mayoría de los científicos ven evidencias sólidas del cambio climático, no existe un acuerdo total sobre su importancia o su impacto en el futuro. Las matemáticas pueden ayudarnos a tratar ciertos puntos cruciales del debate, y el primer paso es analizar los datos disponibles.

Las tres últimas décadas han sido las más cálidas y la temperatura media registrada de la Tierra ha aumentado un grado centígrado, desde que comenzaron los registros (con la creación de la Oficina Meteorológica del Reino Unido en 1850). Esta variación aumenta significativamente la probabilidad de temperaturas extremas y eventos meteorológicos relacionados, como mayores lluvias.

Este gráfico muestra la típica distribución estadística de temperaturas, que sigue una campana de Gauss, con el centro en el valor medio. La porción en el extremo derecho es la cola de la distribución y el área debajo de la cola muestra la probabilidad de una temperatura caliente. La curva de la derecha representa lo que sucede si aumenta la temperatura media: se desplaza toda la curva hacia la derecha.

Otra consecuencia del calentamiento global ha sido el deshielo del Ártico. Existen pruebas claras de ello gracias al satélite del Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo de la NASA, que monitorea la extensión del hielo marino en el verano ártico desde 1979. En 36 años, se han perdido unos 2,5 millones de kilómetros cuadrados de superficie.

El Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC), considera, en base a modelos computacionales, que una de las razones principales es el aumento del dióxido de carbono. Desde luego, sabemos que el nivel de dióxido de carbono ha aumentado rápidamente.

No obstante, la relación entre la variación del nivel del dióxido de carbono y los cambios de temperatura de la Tierra crea mucha polémica, y es la base de las recomendaciones del IPCC sobre la necesidad de una “economía baja en carbono”.

Fuente:

https://elpais.com/elpais/2019/09/27/ciencia/1569576061_002716.html

Bioingeniería y modelos matemáticos para combatir los efectos del cambio climático

bioingenieria-para-combatir-los-efectos-del-cambio-climatico_image_380

Investigadores de la Universidad Pompeu Fabra han diseñado nuevas estrategias de modificación de organismos que ayudarán a contrarrestar el impacto humano sobre la Tierra.

Lo han hecho publicando un artículo en la revista Royal Society OpenScience, en el cual proponen modelos matemáticos para desarrollar estrategias para contribuir a la conservación de los ecosistemas mediante la biología sintética.

Los investigadores plantean modificar genéticamente una especie de microorganismo determinada, que ya se encuentra presente en el contexto ecológico.

Han estudiado la situación de los ecosistemas semidesérticos, donde el aumento de temperatura provocará una transición hacia el estado desértico.

Por otro lado, han explorado una estrategia para afrontar la acumulación de residuos como el plástico en los ecosistemas acuáticos. Un microorganismo modificado utilizaría los restos de plástico en los océanos como sustrato y los destruiría.

En definitiva, los investigadores proponen los primeros pasos hacia una teoría de dinámica de poblaciones general para comprender cómo los organismos modificados con bioingeniería se comportarían en los ecosistemas.

Fuente:

https://www.agenciasinc.es/Noticias/Bioingenieria-para-combatir-los-efectos-del-cambio-climatico

http://rsos.royalsocietypublishing.org/content/5/7/180121

Matemáticas y biología, unidas para explicar la adaptación de las plantas al cambio climático

hojas-agua-pixabay

Un equipo internacional de investigadores de las Universidades de California, Córdoba y Sydney y de centros de investigacion alemanes disponen ahora de una forma de predecir el comportamiento de las plantas gracias a las simulaciones realizadas por este equipo a partir de las secciones foliares de 11 especies singulares y representativas de diferentes ecosistemas de la Tierra.

En concreto, se trata de la “masa seca foliar por unidad de área”, conocida como LMA, un índice que resulta de dividir el peso de una hoja seca por su área fresca original.

El trabajo, publicado en Ecology Letters, prueba además la relación de ese índice con la estructura interna de las hojas, facilitando una fórmula matemática que ayudará a determinar qué impulsa determinados patrones celulares de las plantas, como su adaptación a un ambiente que se calienta.

La diferencia entre una hoja perenne y otra caduca se puede ser explicar por la densidad o tamaño de sus células. Las implicaciones de este índice en biología vegetal son equivalentes al del tamaño del cuerpo en biología animal o a la simetría facial en la psicología de la atracción.

Fuente:

http://www.iagua.es/noticias/espana/universidad-cordoba/17/05/10/matematicas-y-biologia-unidas-explicar-adaptacion

La Fundación BBVA premia a los creadores del modelo matemático que predijo el calentamiento global

El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Cambio Climático ha sido concedido en su novena edición a los climatólogos Syukuro Manabe y James Hansen, que crearon los primeros modelos computacionales para simular el comportamiento del clima.

Las aportaciones de Manabe se remontan a los años sesenta, cuando trató de desarrollar un modelo numérico para simular el comportamiento de la atmósfera. A finales de los años sesenta, Manabe, como investigador de la Agencia de la Atmósfera y el Océano (NOAA) estadounidense, desarrolló su modelo y predijo que si la concentración de CO2 se duplicaba, la temperatura global subiría dos grados.

Por su parte, Hansen se dedicó a investigar en esa misma época el clima terrestre y desarrolló un modelo independiente del de Manabe y su predicción fue que la temperatura terrestre aumentaría en cuatro grados.

Hansen y Manabe “cuantificaron los factores de los que depende la variación de las temperaturas en la superficie terrestre” y desarrollaron “métodos de análisis que se han vuelto esenciales en el estudio de la evolución del clima”.

Fuente:

http://www.teinteresa.es/espana/CREADORES-MATEMATICOS-PREDIJERON-CALENTAMIENTO-PROVOCADO_0_1721228183.html

Tomás Chacón, director del Institito de Matemáticas de la Universidad de Sevilla (IMUS): “Uno de los retos de las matemáticas es cómo evitar las crisis económicas”

El Instituto de Matemáticas de la Universidad de Sevilla (IMUS) se sitúa en el Campus de Reina Mercedes y su director es Tomás Chacón Rebollo, catedrático del Departamento de Ecuaciones Diferenciales y Análisis Numérico y responsable del grupo de investigación Modelado Matemático y Simulación de Sistemas Medioambientales.

Su primer director, en el cargo hasta hace menos de un año, fue José Luis Narváez, que le dio un desarrollo importante. El IMUS lleva el nombre de Antonio de Castro Brzezicki, catedrático de Matemáticas que creó los estudios de la licenciatura en la Universidad de Sevilla.

Chacón explica que las matemáticas pueden contribuir a la lucha contra el cambio climático porque para esta es necesaria la aplicación de modelos matemáticos que nos pueden indicar, por ejemplo, cuánto se va a elevar la temperatura en la tierra. Aunque estos modelos tienen un cierto rango de aplicabilidad y son fiables durante un tiempo limitado.

Otra aplicación de las matemáticas es predecir el caos en algunas situaciones, como el movimiento de los planetas.

Por su parte, los bancos utilizan cada vez más modelos matemáticos para analizar riesgos financieros sobre ciertas inversiones, especialmente las que se hacen sobre derivados. Uno de los grandes retos de las matemáticas como ciencia aplicada sería cómo evitar crisis económicas, pues el sistema económico tiene unos elementos de caos muy importantes, como las caídas de las bolsas.

A la pregunta de cúal es el mayor descubrimiento matemático de la historia, estima que es el cálculo diferencial de Newton y Leibniz y la invención de las ecuaciones derivadas. El cálculo diferencial permite estudiar el cambio instantáneo de cualquier cosa y formularlo matemáticamente de una manera muy rigurosa.

Otros matemáticos a los que cita son Gauss (a nivel histórico), muy relevante en muchos ámbitos y siempre muy orientado a aplicaciones concretas, y Juan Arias de Reyna (en la Universidad de Sevilla), que trabaja sobre propiedades de los números primos.

Fuente:

http://www.diariodesevilla.es/article/sevilla/2165446/uno/los/retos/las/matematicas/es/como/evitar/las/crisis/economicas.html

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