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por Joshua
Sokol del Sitio Web QuantaMagazine
traducción de
Adela Kaufmann
El camino de un río está gobernado. por un número incontable de factores.
Pero se han encontrado patrones universales.
Principios físicos simples pueden ser usados para describir cómo crecen los ríos en todas partes, desde la Florida hasta Marte ...
Hace unos cinco siglos, Leonardo da Vinci examinó el río Arno, probablemente por un plan 'ideado con Niccolò Machiavelli' para desviar el importante canal de Pisa a Florencia.
Su
gran plan nunca se llevó a cabo. Pero en algún momento del proceso,
Da Vinci imaginó cómo sería todo el sistema hidrológico desde
arriba.
Para Da Vinci, este patrón parecía sospechosamente vivo.
Hoy en día, las redes fluviales ramificadas aún atraen a los posibles explicadores, muchos de los cuales esperan vislumbrar algunos códigos matemáticos subyacentes responsables de grabar estos patrones comunes.
No es una hazaña fácil.
Los geomorfólogos han medido durante mucho tiempo las leyes estadísticas de que las redes fluviales parecen obedecer a "la corriente más larga que serpentea a través de una cuenca", por ejemplo, parece ser proporcional al área de la cuenca elevada a la potencia de 0.6.
Pero
estas leyes genéricas no han ofrecido mucha información
sobre lo que realmente da forma a las redes.
Y todos ellos podría importar.
Un equipo liderado por Daniel Rothman, geofísico del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), ha pasado los últimos años argumentando que un patrón de crecimiento básico y casi ubicuo puede explicar las formas de las redes fluviales excavadas en suelos húmedos y tal vez más allá.
esbozó el río Arno al oeste de Florencia,
como parte de un estudio de cómo podría ser desviado. © Su Majestad la Reina Isabel II 2018
Ahora están mirando aún más lejos a Marte, y quizás a la luna Titán de Saturno, cada una de las cuales alberga sus propios y misteriosos canales de ramificación.
Su
matemática básica no funciona todo el tiempo, pero sí funciona
ampliamente. Y donde no funciona, el equipo cree que el desglose
proporciona su propio indicio de las condiciones ambientales
subyacentes.
Desde Baches a Bifurcaciones
Todos estos sistemas siguen lo que los matemáticos llaman el crecimiento de Laplace, llamado así por el matemático francés del siglo dieciocho Pierre-Simon Laplace.
Los copos de nieve, analizados de cerca, parecen brotar de sus estructuras cristalinas de aspecto simétrico a través del crecimiento laplaciano.
El
proceso también predice el patrón de ramificación que toma la
corriente eléctrica cuando salta a través de una brecha, cómo se
propagan las colonias bacterianas en las placas de Petri y cómo los
minerales se convierten en patrones venosos y dendríticos que
parecen fósiles en las rocas de todo el mundo.
Considere la superficie de un copo de nieve recién nacido, un borde congelado que se arrastra hacia el agua ambiental no congelada Invariablemente, lo que comienza como un borde liso tendrá algunos pequeños bultos, incluso unos pocos átomos fuera de lugar.
Ese golpe sobresaldrá un poco en el líquido.
Por ahí, el abultamiento pierde calor en el agua circundante un poco más rápido. Se enfría, y un poco más de agua se congela sobre ella. Con el tiempo el bulto crece, formando un bulto más grande.
El proceso continúa, y pronto la imperfección atómica se extiende en una rama cristalina.
Eventualmente, las ramas pueden generar sus propios baches a través
del mismo proceso. Eso puede hacer que las nuevas ramas copien las
mismas formas que las ramas primarias, solo en escalas más
pequeñas.
Pero el problema, para los cazadores de patrones, es mostrar que las reglas simples realmente se trasladan a la realidad desordenada.
Un Río Crece
A medida que crecen las puntas de los canales, cortan la arena de 2 millones de años. En cada punta de crecimiento, el agua subterránea sale a la superficie. Al igual que el agua fría alrededor de un copo de nieve en crecimiento, es el tipo de ambiente que se presta al crecimiento laplaciano.
Sobre la base del trabajo sobre la erosión causada por el agua subterránea por Thomas Dunne, un geomorfólogo de la Universidad de California en Santa Bárbara, el equipo de Rothman se propuso probar si las matemáticas simples podían describir esta situación.
Volaron a Florida y se lanzaron a través de estas corrientes, midiendo la velocidad a la que el agua fluye a través de canales individuales.
Luego usaron un radar de penetración en el suelo para verificar la altura del nivel freático debajo.
Demostrar una notable consistencia estadística.
Pero quizás su resultado de mayor alcance aborda una pregunta simple:
La lógica del crecimiento laplaciano proporciona una respuesta.
Imagine acercarse con un zoom cerca de la punta de un solo canal en crecimiento. Aquí, el agua subterránea fluye hacia el canal desde múltiples direcciones.
A medida que lo hace, el agua arrastra los granos de arena junto con ella.
Cada
grano faltante extiende un poco el canal.
Si
más agua brota desde el lado derecho de la cabecera del canal, por
ejemplo, el canal gira a la derecha. Pronto, apunta en la dirección
que hace que el agua subterránea fluya hacia ella de manera
simétrica, donde recibe la misma cantidad de agua de cada lado.
Los efectos en competencia determinan el ángulo de la división. Si el ángulo fuera amplio, cada nueva punta se doblaría hacia adentro, hacia la dirección que maximiza el flujo de agua subterránea hacia la corriente principal.
Y si
el ángulo fuera estrecho, las dos puntas succionarían las aguas
subterráneas de la otra, provocando que éstas se inclinen hacia
afuera.
(Más tarde, el equipo se dio cuenta de que los físicos habían encontrado el mismo ángulo a principios de la década de 2000 mientras contemplaban otros sistemas laplacianos).
Y luego la realidad siguió adelante.
Rothman y los miembros del equipo, ... encontraron dónde los arroyos en la intrincada red de Florida se dividían en dos ramas, en escalas de grandes a pequeñas.
Luego midieron el ángulo de cada unión.
¿Florida o algo fundamental?
Sí,
el crecimiento laplaciano parece explicar el patrón de un tramo de
río en el Panhandle. Pero ¿qué pasa con los otros ríos del mundo?
Los ángulos de ramificación varían ampliamente, pero en casi la mitad del país, se agrupan alrededor de 72 grados. Y este junio, Seybold amplió el análisis aún más, demostrando que el ángulo se muestra en todo el mundo.
Funciona igual de bien en lugares como la selva amazónica (donde la Guayana Francesa limita con Surinam) como lo hace en Vermont.
Simulaciones del crecimiento laplaciano. demuestran cómo estructuras similares
pueden surgir en diferentes escalas de tamaño.
Cuanto más húmeda es el área, según muestran estos estudios, los ángulos más ramificados parecían acercarse a 72 grados.
Esto
podría deberse a que los niveles de agua subterránea son más altos
en las regiones más húmedas, y el mismo mecanismo accionado por el
agua subterránea que se encuentra en el Panhandle de Florida podría
ejercer cierto control.
Compran el caso en Florida, donde el equipo de Rothman determinó las idiosincrasias del área.
Pero son más escépticos ante el argumento de que los ángulos de ramificación son suficientes para mostrar que el mismo proceso de crecimiento fundamental está muy extendido.
En la década de 1980, Alan Howard estudió y simuló la extracción de agua subterránea de la piedra arenisca en el suroeste de los Estados Unidos, erosionando las rocas cuando las dejó.
Pero
tanto la red de arena como la de arenisca tienen algo raro en
común. Ocurren en lugares donde domina el agua subterránea. Fuera de estos paisajes empapados de agua, los geomorfólogos tradicionalmente sostienen que las aguas superficiales de las precipitaciones, no las subterráneas, esculpen la mayoría de las redes fluviales.
En casos raros donde el agua subterránea domina, seguro, el crecimiento laplaciano podría funcionar.
Pero en otros lugares, el mecanismo no tiene mucho sentido.
Christopher Paola por su parte, señala el ángulo de ramificación común.
en el cráter Jezero en Marte, el sitio de aterrizaje recientemente anunciado
del rover Mars 2020 de la NASA.
Ese segundo ángulo "me tomó mucho tiempo de prueba y error" para explicar por la teoría, dijo Seybold.
Todavía no han resuelto el ángulo específico, pero el equipo
argumenta que, en regiones áridas, ocasionales flujos
superficialescavan canales más empinados con uniones más estrechas.
Si
el clima húmedo pudiera marcar a las redes fluviales con la firma de
72 grados de crecimiento laplaciano, ¿podría la ausencia de esa
firma también revelar la existencia de un tipo de clima diferente?
Ríos en Marte
Observaron los datos de sensores remotos de Marte, con la esperanza
de que los ángulos de las ramas hicieran alusión al misterioso clima
antiguo del Planeta Rojo.
Las bajas temperaturas actuales y las bajas presiones no permiten que las aguas superficiales duren mucho tiempo allí, por lo que los geomorfólogos se preguntaron si los valles podrían haber sido erosionados.
Los valles marcianos mostraron ángulos más estrechos, como los de lugares áridos como el suroeste de los Estados Unidos.
De acuerdo con otros estudios recientes, el nuevo trabajo sugiere
que el antiguo Planeta Rojo era un lugar relativamente árido. Quizás
ocasionales aguaceros esculpieron los valles marcianos, no aguas
subterráneas.
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