Sobre el mito de que en España llueve más los fines de semana

Mucha gente se lo cree porque parece razonable que «de lunes a viernes generamos más polución, las partículas suspendidas en la atmósfera pueden absorber la luz solar, calentar el aire y alterar el régimen de vientos, o incluso convertirse en semillas para la formación de nubes.» Muchos además recuerdan haberlo leído en Muy Interesante: «Un estudio de investigadores españoles de la Universidad de Barcelona afirmó que en muchas partes de Europa el tiempo atmosférico tiene un ciclo semanal. Tras analizar los datos meteorológicos recogidos desde 1961 hasta 2004, llegaron a la conclusión de que en verano las lluvias se concentran durante los fines de semana; sin embargo, en la estación fría la tendencia es la contraria, los sábados y domingos suelen ser más soleados.» Yo lo acabo de ver en Menéame. Quizás alguno ya sospeche y le extrañe que ocurra «en muchas partes de Europa» pero no en todas, por ejemplo, «en el Reino Unido los [mismos] investigadores no han encontrado ni rastro de un patrón semanal de días lluviosos y soleados.» El famoso artículo técnico es A. Sánchez-Lorenzo, J. Calbó, J. Martín-Vide, A. García-Manuel, G. García-Soriano, and C. Beck, «Winter “weekend effect” in southern Europe and its connections with periodicities in atmospheric dynamics,» Geophys. Res. Lett. 35: L15711 (2008). El efecto de fin de semana fue introducido en el famoso artículo de Randall S. Cerveny & Robert C. Balling, Jr, «Weekly cycles of air pollutants, precipitation and tropical cyclones in the coastal NW Atlantic region,» Nature 394: 561-563 (1998) [pdf gratis]. Muy citado, también ha sido muy criticado por utilizar un análisis estadístico muy discutible (y discutido).

En relación al estudio de Sánchez-Lorenzo y sus colegas, mucha gente no sabe que un estudio posterior de los mismos datos sobre España (que los autores recibieron gracias al propio A. Sánchez-Lorenzo), pero utilizando un análisis de Fourier y métodos de Montecarlo, llegó a la conclusión de que no existe ningún ciclo semanal significativo en dichos datos; más aún, logró explicar el porqué de que Sánchez-Lorenzo y sus colegas encontraran  dicho ciclo semanal. El artículo técnico es H. J. Hendricks Franssen, T. Kuster, P. Barmet, and U. Lohmann, «Comment on “Winter ‘weekend effect’ in southern Europe and its connection with periodicities in atmospheric dynamics” by A. Sanchez-Lorenzo et al.,» Geophys. Res. Lett. 36: L13706, (2009) [pdf gratis].

Lo primero que critican en el nuevo artículo es la selección de los datos analizados. Sánchez-Lorenzo y sus colegas seleccionaron las series temporales de la presión del aire en 12 estaciones españolas en los meses de invierno entre enero de 1961 y diciembre de 2004. ¿Por qué solo estudiaron los meses de invierno? No hay razón física subyacente a esta elección puramente asociada al calendario. Además, ¿por qué estudiaron la presión del aire y no otros parámetros meteorológicos? Con otros parámetros resulta que no se observa el ciclo semanal. La figura muestra los datos diarios promediados con los intervalos de error considerados por Sánchez-Lorenzo y sus colegas, que suponen que todas las series temporales son independientes y los obtenidos tras tener en cuenta las correlaciones que existen. La diferencia es grande y el ciclo semanal podría ser un fenómeno puramente aleatorio. Los autores del estudio realizaron un análisis de Montecarlo que asume que las anomalías en la presión ocurren al azar y obtuvieron que al menos el 42% presentan algo parecido al ciclo semanal observado por Sánchez-Lorenzo. La conclusión del nuevo estudio es que el ciclo observado por Sánchez-Lorenzo es accidental, sin una significación estadística suficiente, y su origen es puramente estadístico al no haber tenido en cuenta la correlación estadística entre las series temporales estudiadas.

Hay muchos estudios sobre el «efecto de fin de semana» tanto en la pluviometría (lluvia) como en la concentración de aerosoles (por ejemplo Ari Asmi, «Weakness of the weekend effect in aerosol number concentrations,» Atmospheric Environment 51:  100e107 (2012) [pdf gratis]) muestran que este efecto no supera ningún metaanálisis: hay estudios a favor y los hay en contra, en ciudades y lejos de ellas, en algunos países y no en otros, pero la evidencia estadística del efecto es muy baja. Más aún, en los estudios a favor se mezclan efectos antropogénicos y naturales en igual medida, por lo que el efecto es más un mito que un hecho científico.

Finalizado El Niño y tras la gota fría en otoño, se espera que en agosto empiece La Niña

Hace un año, en julio de 2009, recordábamos que oficialmente “El Niño” había llegado, y nos preguntábamos si ¿habría durante otoño “gota fría” en la costa mediterránea? Como todos ya sabéis, sobre todo los alicantinos, el año pasado sí hubo gota fría. En septiembre de 2009, Alicante sufrió la mayor «gota fría» de los últimos 12 años. Eso sí, los 80 litros por metro cuadrado registrados en la ciudad de Alicante durante cuatro horas fueron una minucia comparados con los 270 caídos en doce horas en septiembre de 1997, en unas inundaciones que causaron cinco muertos y cuantiosos daños materiales en la ciudad. «La DANA (Depresión Aislada en altos Niveles Atmosféricos) consiste en una borrasca cuya región central se encuentra sensiblemente más fría que la periferia. Las borrascas, en general, se forman al nivel del mar y, poco a poco, se van desarrollando en niveles más altos pero el proceso en las DANA (gotas frías) no es el mismo. Estas se originan en alturas comprendidas entre los 5000 y los 9000 m, aproximadamente, (en niveles en los que la presión oscila entre los 500 y los 300 mb) y se van desplazando hacia abajo hasta alcanzar, aunque no siempre, el nivel del mar.» Más información en el blog de José Antonio Maldonado, «La DANA o gota fría,» El Blog de Maldonado, 14 sep. 2009. Como todo buen hombre del tiempo, Maldonado afirmaba que «existe actualmente riesgo potencial» y el 15 de septiembre «La DANA (o “gota fría”) se ha ido desplazando desde Francia hacia el suroeste; ni que decir tiene que es complicado saber con certeza como se va a comportar, pero el riesgo de chubascos intensos existe.»

El último informe semanal sobre el estado de ENSO (visto aquí) parece indicar que el episodio de El Niño del año pasado está en sus fases finales y va a comenzar un episodio de La Niña (la anomalía térmica está en -0.6 °C esta semana y la pasada estuvo en -0.5 °C, el umbral para las condiciones de La Niña). La media del trimestre abril, mayo y junio ha sido de +0.3 °C, por debajo del umbral que define las condiciones para El Niño, +0.5 °C. Por ello, todo indica que el último episodio de El Niño que empezó en el trimestre mayo-junio-julio de 2009 ha finalizado en el trimestre marzo-abril-mayo de 2010. El anuncio oficial del inicio de La Niña de este año, si no revierte la situación, que todo es posible, se hará a principios de septiembre, una vez el trimestre junio-julio-agosto haya finalizado con una media por debajo del umbral de La Niña.

La física de los cristales de nieve

La figura ilustra la gran variedad de formas que pueden adoptar los cristales de nieve. En última instancia, esta gran variedad de formas (morfología) de los cristales es una función de la temperatura y de la supersaturación del vapor de agua en el momento en el que crecen (esto se descubrió hace 75 años) y hoy creemos entender sus principios físicos generales. El cristal empieza a crecer alrededor de una pequeña impureza química disuelta en el aire. La estructura molecular de la superficie del cristal de hielo es extremadamente sensible a los factores ambientales, siendo esta sensibilidad la última responsable de su gran variedad morfológica. El proceso de solidificación limitada por la difusión explica gran número de los patrones que observamos, como el crecimiento de dendritas. Los mecanismos físicos que gobiernan la formación de cristales de nieve, un caso particular de la dinámica del crecimiento cristalino en fase de vapor, se estudian con detalle en el artículo de revisión de Kenneth G. Libbrecht, «The physics of snow crystals,» Reports on Progress in Physics 68: 855-895, 2005 , de donde he extraído las figuras de esta entrada y que recomiendo a los interesados en detalles técnicos. En esta entrada me limitaré a mostraros imágenes. ¿Más vale una imagen que mil «palabros»?

Diagrama morfológico de los cristales de nieve en función de la temperatura y del grado de supersaturación del vapor de agua. (C) Furakawa

Johannes Kepler en 1611 escribió el primer tratado científico dedicado a la morfología de los cristales de nieve desde un punto de vista científico.  René Descartes también los estudió en 1637 en su tratado sobre los fenómenos meteorológicos «Les Météores.» Estas primeras investigaciones observaron la variedad de los cristales pero no pudieron explicarla. Desde finales del s. XIX, con la aparición de la fotografía, Wilson Bentley catalogó varios miles de imágenes de cristales de nieve (publicadas en 1931). Las bellas imágenes de Bentley son las responsables de que los cristales de nieve se hayan convertido en un icono del invierno. Ukichiro Nakaya realizó los primeros estudios en laboratorio del crecimiento cristalino en los 1930, obteniendo los primeros cristales de nieve «sintéticos» a diferentes temperaturas y supersaturaciones. El diagrama morfológico de más arriba es producto de su trabajo. Muestra el crecimiento de cristales de nieve a una presión estándar de 1 atmósfera (actualmente se ha extendido hasta temperaturas de -70°C. En la naturaleza muchos copos de nieve son policristalinos (unión de diferentes tipos de cristales) ya que las condiciones de temperatura y supersaturación pueden cambiar mientras crecen y pueden aparecer nueva impurezas o puntos de nucleación, lo que incrementa la variedad de sus formas.

El crecimiento de los cristales de nieve viene controlado por varios factores en competición: la difusión de las partículas de hielo, las pérdidas de calor latente por la solidificación, y la formación del frente de solidificación que determina las condiciones de contorno para la difusión. Son tres fenómenos que compiten entre sí. Dependiendo de las condiciones ambientales, uno de estos fenómenos pueda dominar sobre el resto o dos de ellos pueden competir entre sí sin contar con el tercero. Como estos fenómenos son no lineales su competición es responsable de la enorme variedad y belleza de la morfología de los cristales resultantes. Los que tengan acceso al artículo original y estén interesados en los detalles, disfrutarán con el artículo de Libbrecht, cuyo contenido matemático más técnico ha sido reducido al mínimo. Un buen artículo del que os mostraré, para acabar, otra más de sus múltiples y bellas fotografías de cristales de nieve.

Sol azul y Luna azul, raros fenómenos atmosféricos

¿Por qué (muy raras veces) vemos el Sol azul o la Luna azul? Como la espectacular foto de un Sol azul en un marco de pirámides (arriba) o la foto de la Luna azul mediante telescopio (abajo). Una explicación sencilla aparece en la Nota de Peter Pesic, «A simple explanation of blue suns and moons,» EUROPEAN JOURNAL OF PHYSICS, 29, N31-36, 2008 , basado en el uso de ideas simples sobre la difracción de ondas: cuando la luz pasa por un medio con partículas con un tamaño similar a su longitud de onda, los máximos de difracción más fuertes permiten el paso de las longitudes de onda más cortas (hacia el azul) y la dispersión hacia el cielo circundante de las más largas (otros colores). El resultado es una inversión de los colores que normalmente vemos en el cielo, apareciendo el Sol o la luna azul, en lugar del cielo.

Esta situación física es similar a la que observamos en las cajas acústicas de nuestro equipo de sonido. Los altavoces dispersan los sonidos que emiten en un cono más estrecho conforme más agudo (alta frecuencia) es el sonido emitido. Por ello, los «tweeters» (altavoces o vías de agudos) tienen pequeños aberturas para dispersar más ampliamente, gracias a la difracción del sonido, los agudos, mientras que los «woofers» (altavoces o vías de graves) tienen un tamaño mucho mayor para lograr lo mismo con las frecuencias bajas.

Considerando que las partículas que dispersan la luz son circulares, el primer anillo oscuro en la curva de difracción tiene un ángulo θ (medido a partir de la dirección de visión) dado por seno(θ) = 1.22*λ/(2a), donde 2a es el diámetro de la partícula, λ es la longitud de onda de la luz, y el factor 1.22 proviene de una consideración detallada de las funciones de Bessel que aparecen en la teoría de la difracción (el artículo muestra algunos detalles más, pero no muchos más; aún así la teoría es ampliamente conocida en óptica ondulatoria). Fáclimente deducimos que la luz emitida por cada punto del disco visible del Sol, por ejemplo, que pasa por una atmósfera en la que se encuentran en dispersión partículas cuyo radio es cercano a 500 nm (nanómetros) se dispersará con un ángulo para las frecuencias azules θ(azul) = 35◦, que es mucho menor que para las frecuencias rojas θ(rojo) = 52◦. De esta forma, el disco solar visible en la dirección en la que miramos aparecerá mucho más azul, mientras que la luz dispersada en otras direcciones aparecerá más roja. Por ello, a veces, el Sol azul se observa rodeado de sombras de tonos rojizos, rosados, o incluso amarillentos. Ver la foto de arriba.

Esta explicación simple tiene la ventaja que justifica fácilmente la rareza del fenómeno. Es raro que las partículas atmosféricas tengan un tamaño tan pequeño, cercano a los 500 nm. Por supuesto, este fenómeno puede ser recreado fácilmente en el laboratorio, con humo o con partículas de poliestireno suspendidas en agua. En resumen, tanto la Luna azul como el Sol azul ocurren porque la luz de longitud de onda similar al radio de las partículas de la atmósfera en que es dispersada pueden «rodear» a la partícula de tal forma que generan una interferencia constructiva que intensifica ciertas frecuencias en detrimento de otras, dependiendo del tamaño de éstas.

La marea baja en Venecia (o cuando Venecia se seca y los turistas se quejan)

Laguna de Venecia (imagen por satélite)

El blog en menéame «Venecia sin agua» (o mejor el original, con foto incluida) me ha recordado que las mareas suben y bajan, que el nivel del agua («laguna» en el caso de Venecia) también se ve influido por la meteorología, especialmente los vientos y la presencia de ciclones o anticiclones. Aunque la foto parece del año pasado (también podría ser de hace dos años, o incluso de antes), es lo suficientemente atractiva para merecer un comentario. Breve, que así será dos veces bueno.

Las previsiones para, hoy, 19 de febrero de 2008, para la altura del agua en Venecia, indican que la altura del agua será de 71 cm por debajo del nivel de referencia (el nivel medio del agua en Venecia en el año 1897 medido en «Punta della Salute») y se mantendrá así durante varios días (estas previsiones no suelen fallar mucho, «Flooding and Environmental Challenges for Venice and Its Lagoon: State of Knowledge,» Caroline Fletcher and Tom Spencer, editores, Cambridge University Press, 2005). Eso sí, la marea baja se «nota» sólo a ciertas horas del día (como todos sabemos las mareas suben y bajan a diario). La normativa veneciana «prohíbe» navegar cuando el nivel está por debajo de los 50 cm del nivel de referencia, con lo que los turistas no podrán navegar en góndola a esas horas (sí más tarde o antes).

Desde que se tienen datos fiables (desde 1923 hasta hoy, 19 de febrero de 2008) la marea alta más alta fue de 1’94 metros (nivel teórico estimado pues el nivel del agua superó la escala usada) sobre el nivel de referencia, en noviembre de 1966, y la marea baja más baja fue de 1’21 metros por debajo del nivel de referencia, en febrero de 1934. Normalmente, las mareas bajas más bajas durante el año se producen entre finales de enero y finales de febrero.

Las mareas debidas a la Luna (efectos astronómicos) no permiten explicar estas mareas altas (y bajas) tan altas (y tan bajas), se requieren efectos atmosféricos (que desafortunadamente no son tan fáciles de predecir). En concreto, bajas presiones atmosféricas (ciclón) y fuerte viento del sureste (sirocco) generan mareas altas más altas, y altas presiones (anticiclón) y fuerte viento del noreste (bora) generan mareas bajas más bajas. Estos efectos sobre el mar Adriático se refuerzan (según los modelos por ordenador) en la región donde se encuentra la laguna de Venecia debido a la morfología (forma geométrica) del mar Adríático. Algunas de las mareas altas son debidas a las «seiches», oscilaciones libres de la superficie del mar que se observan hasta varios días después de una tormenta (lo que suele causar sorpresa, más a los visitantes que a los lugareños).

Hoy por hoy, las previsiones meteorológicas del nivel del mar en Venecia basadas en métodos numéricos son bastante precisas (M. Ferla, M. Cordella, L. Michielli and A. Rusconi, «Long-term variations on sea level and tidal regime in the lagoon of Venice«, Estuarine, Coastal and Shelf Science, Volume 75, Issues 1-2, Pages 214-222, October 2007; Lucia Zampato, Georg Umgiesser and Stefano Zecchetto, «Sea level forecasting in Venice through high resolution meteorological fields«, Estuarine, Coastal and Shelf Science, Volume 75, Issues 1-2, Pages 223-235, October 2007), aunque por supuesto, todavía quedan muchos detalles por conocer y problemas abiertos por resolver (L. D’Alpaos and A. Defina, «Mathematical modeling of tidal hydrodynamics in shallow lagoons: A review of open issues and applications to the Venice lagoon«, Computers & Geosciences, Volume 33, Issue 4, Pages 476-496, May 2007).