En busca de una mejor comprensión de los tornados

Un caluroso día de julio de 1986, un helicóptero de un canal de noticias estaba grabando un festival en Minneapolis cuando el piloto y el fotógrafo vieron un tornado sobre Brooklyn Park. Se dirigieron hacia él y filmaron el potente tornado durante 25 minutos, hipnotizando a los espectadores que lo veían en directo por televisión.

Robin Tanamachi, que por aquel entonces era una niña que crecía en Minneapolis, observaba cómo el helicóptero se acercaba a unos 800 metros del tornado. “Estábamos viendo toda esta estructura interior de vórtice realmente hermosa”, dice. “Me quedé absolutamente enganchada, y sé que no fui la única”. Hoy, Tanamachi es meteoróloga e investigadora en la Universidad Purdue en West Lafayette, Indiana, y una de los muchos investigadores que ahondan en los misterios de los tornados, buscando detalles sobre su formación que puedan reforzar los pronósticos futuros.

Los tornados pueden ser un tema de investigación escurridizo. Mediante la persecución de tormentas y simulaciones en computadoras, los científicos han descubierto los ingredientes básicos necesarios para que se forme un tornado, pero hay dos cuestiones cruciales que siguen preocupándoles: ¿por qué algunas tormentas forman tornados y otras no? ¿Y cómo se forman los tornados?

A pesar del reto logístico y científico que supone este trabajo, los científicos están motivados para seguir intentándolo: los tornados pueden matar a decenas o cientos de personas en Estados Unidos cada año y causar daños por valor de miles de millones de dólares. Ahora los investigadores persiguen las tormentas asesinas que generan los tornados con tecnología de punta, haciendo volar drones hasta las tormentas y aprovechando más potencia informática que nunca para simularlas en busca de respuestas.

“Hoy simulamos la atmósfera con una resolución espacial sin precedentes. Estamos observando tormentas con una resolución temporal y espacial sin precedentes”, afirma el científico atmosférico Howie Bluestein, de la Universidad de Oklahoma en Norman. “Pero aún quedan muchos problemas y muchas cosas por resolver”.

Los científicos pueden estar descubriendo nuevas pistas sobre la formación de tornados estudiando lo que ocurre en la atmósfera que los rodea y en el suelo bajo ellos, y comparando lo que descubren sobre el terreno con nuevos modelos de mayor resolución de las tormentas eléctricas que los generan. Al mismo tiempo que siguen estas nuevas pistas, los investigadores intentan comprender cómo puede el cambio climático afectar cuándo y dónde se forman los tornados.

En busca de respuestas

Desde que los científicos empezaron a estudiar en serio los tornados, a mediados del siglo XX, han elaborado un esquema bastante preciso de los pasos necesarios para generar un tornado. La mayoría de los tornados destructivos se originan en superceldas o supercélulas —tormentas eléctricas gigantes que suelen tener una nube muy alta que se ensancha en forma de yunque en la parte superior—. Las supercélulas se caracterizan por una corriente ascendente giratoria de varios kilómetros de ancho, denominada mesociclón, que puede durar horas. Esta rotación se debe a la cizalladura del viento, que hace que el viento cercano al suelo gire horizontalmente como una pelota de fútbol americano en espiral. Luego, estos vientos se orientan verticalmente dentro de una corriente ascendente como un trompo.

Para que una supercélula se vuelva capaz de generar tornados tienen que ocurrir un par de cosas: en primer lugar, el mesociclón gigante que se encuentra en el corazón de la tormenta tiene que conseguir que el aire gire más cerca del suelo. Luego, este vórtice tiene que estirarse hacia arriba. El estiramiento tensa la huella del tornado, acelerando su rotación, de forma similar a lo que ocurre cuando los patinadores sobre hielo artísticos tiran de sus brazos durante un giro.

Las primeras pistas sobre la física de los tornados procedían de información de segunda mano e informes de daños, ya que los científicos trataban de averiguar qué tipo de vientos podían derribar un granero o desplumar una gallina, explica Richard Rotunno, científico atmosférico del Centro Nacional de Investigación Atmosférica de Boulder, en Colorado, y autor de una revisión sobre la dinámica de fluidos de los tornados en el Annual Review of Fluid Mechanics de 2013.

La construcción del sistema de autopistas interestatales en los años cincuenta creó una red a través de la planicie de las Grandes Llanuras que permitió a los científicos emprendedores adelantarse a las tormentas y, en ocasiones, observar directamente los tornados. Un gran avance se produjo con el desarrollo del radar Doppler para meteorología. Al emitir pulsos de energía y detectar la señal reflejada, esta tecnología capta información sobre el viento y las precipitaciones. El radar permitió detectar mesociclones, que se convirtieron en la base de las previsiones de tornados y en una gran ayuda para los cazadores de tormentas, que se detenían periódicamente en los teléfonos públicos para llamar al laboratorio y obtener la última información del radar.

Pero el radar no capta todas las pistas que buscan los científicos —como las fuerzas invisibles de una tormenta que hacen que los vientos se muevan—, así que recurrieron a modelos que simulan la física de las tormentas, explica el científico atmosférico Paul Markowski, de la Universidad Estatal de Pensilvania, en University Park. “En una simulación por computadora tenemos todas esas fuerzas”.

Las primeras simulaciones tridimensionales de supercélulas se crearon en los años setenta y ayudaron a los científicos a estudiar las estructuras de las corrientes ascendentes y descendentes y cómo evolucionan las precipitaciones. Con el tiempo, los modelos mejoraron y revelaron que las corrientes ascendentes pueden convertir zonas de aire en rotación en los enormes mesociclones de las supercélulas. Los modelos también mostraron cómo las tormentas en el hemisferio norte pueden dividirse en una célula izquierda y una derecha, siendo la derecha la que tiene más probabilidades de provocar estados del tiempo severos. Estos modelos reproducían por fin el comportamiento observado en las supercélulas reales y daban pistas sobre cómo las zonas de aire más frío, denominadas lagunas frías, podrían contribuir a la formación de tornados al acortar el tiempo que tarda en desarrollarse un tornado.

Estos modelos tenían una resolución relativamente gruesa, pero a medida que aumentaba la potencia de cálculo, las simulaciones empezaron a captar más detalles sobre las supercélulas, y los investigadores también trabajaron para captar de forma realista los efectos de la lluvia, la nieve y el granizo. Aun así, la resolución era del orden de cientos de metros, demasiado grande para captar los tornados, que suelen tener una anchura de unos 20 metros.

El radar también mejoró y se hizo más rápido, y los investigadores empezaron a llevarlo al campo en camiones. En 1994, un grupo de científicos con la esperanza de comprender de dónde procedía la rotación de los tornados inició una campaña de varios años denominada Experimento de Verificación de los Orígenes de la Rotación en Tornados (VORTEX, por sus siglas en inglés). Persiguieron las tormentas con todo tipo de equipos, incluidos globos meteorológicos cargados de sensores y vehículos instrumentados que tomaban medidas de temperatura, presión y viento dentro de las supercélulas. Pero los científicos pensaron que necesitaban más observaciones, lo que dio lugar al VORTEX-2 en 2009. “La gran conclusión que sacamos de VORTEX-2 fue que no se puede saber si una tormenta va a convertirse en tornado o no solo por su aspecto en el radar o por lo que muestran los globos meteorológicos en sus proximidades”, explica Tanamachi.

Después se realizaron otras campañas sobre el terreno, pero los científicos aún no saben por qué algunas supercélulas generan tornados y otras no pasan de ser un mesociclón. Ahora están buscando nuevas estrategias y herramientas para completar el resto de la historia.

Enviar los drones

A pesar del dramatismo de un tornado agitado, es probable que las respuestas no se encuentren en el centro del mismo. “Conseguir llevar algo al tornado es bueno para la televisión, pero en realidad no nos dice mucho”, dice Markowski. “Nos dice que allí hay bastante viento y que la presión es baja”.

En su lugar, los científicos están utilizando nuevas herramientas para obtener pistas del entorno que les ayuden a distinguir las supercélulas tornádicas de las que no lo son. “Faltan muchos datos detallados sobre la estructura de la atmósfera —temperatura, presión, viento— por debajo de la base de las nubes”, afirma Rotunno. Los investigadores están empezando a introducir drones en las tormentas para captar estas observaciones.

Los drones pueden realizar mediciones detalladas a mayor altitud que los automóviles. Y, a diferencia de los globos meteorológicos, pueden cruzar los límites entre zonas de una tormenta con distinta presión o densidad del aire. “Creemos que son importantes porque los tornados tienden a formarse en esos límites”, explica el científico atmosférico Adam Houston, de la Universidad de Nebraska-Lincoln. Houston y sus colegas han estado emparejando observaciones de drones con radares y otras técnicas sobre el terreno como parte del proyecto TORUS desde 2019. Ahora, el equipo de Houston está escarbando en los datos, buscando tendencias a través de las tormentas en busca de pistas sobre si estas características relativamente pequeñas influyen en la formación de tornados.

Los científicos también están recopilando información sobre lo que ocurre cerca del suelo, donde se forma el tornado. Tanto los modelos como las observaciones han demostrado que es allí donde se alcanzan las mayores velocidades. La forma en que el aire interactúa con la superficie terrestre (por ejemplo, colinas y bosques) puede influir en el inicio y la intensificación de los tornados, pero el radar tiende a pasar por alto al menos los primeros cien metros por encima del suelo debido a la geometría del haz. La científica atmosférica Jana Houser, de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus, espera saber más sobre lo que ocurre en ese espacio.

El equipo de Houser persigue tormentas y capta mediciones de radar del tamaño y la intensidad de un tornado a lo largo del tiempo. Luego buscan vínculos entre esos datos y la topografía y rugosidad de la superficie que ha barrido la tormenta. Han descubierto que, en la mayoría de los casos, los cambios en el terreno afectan al aire aspirado por el tornado y modifican su fuerza. Esto podría ser una pista importante, pero está resultando difícil de descifrar. “El problema”, dice Houser, “es que a veces el mismo tipo de suceso en un caso da lugar a una intensificación, y luego, en el siguiente, a un debilitamiento”.

Según Markowski, la capacidad de los investigadores para comprender y predecir estas tormentas puede tener un límite. “En lo que respecta a los tornados, creo que nos enfrentamos al caos”. Perturbaciones tan pequeñas que no se pueden medir están por todas partes en la atmósfera y pueden influir en la formación de un tornado. Markowski y otros científicos están empezando a utilizar el aprendizaje automatizado para ayudar a predecir mejor cómo se comportan estas tormentas.

Encontrar el giro

Otra gran incógnita se cierne sobre los tornados desde hace décadas: “Realmente no sabemos de dónde procede la rotación que alimenta el tornado”, afirma Houser. El aire que gira en el mesociclón de una supercélula está demasiado alto cuando empieza a girar verticalmente; las tormentas necesitan una rotación adicional más cerca del suelo para convertirse en tornados. Hay al menos tres hipótesis sobre la procedencia de esta rotación cercana al suelo y, en un tornado determinado, puede haber varios mecanismos en juego, afirma.

Una hipótesis se basa en cómo la fricción frena el aire que se mueve cerca del suelo. El aire a mayor altitud se mueve más deprisa y cae sobre el aire más lento y empieza a rodar como un barril. La idea es que este aire en rotación podría entonces girar hacia arriba al ser aspirado por una corriente ascendente. Otras hipótesis apuntan a corrientes descendentes relacionadas con la precipitación y el enfriamiento del aire. La diferencia de densidad entre el aire frío y el aire caliente vecino puede generar una corriente de aire que provoque el giro. Tanto las observaciones como los modelos han respaldado esta idea y apuntan a diferentes zonas de la tormenta donde esto puede ocurrir.

En cualquiera de estos casos, también puede haber muchos focos más pequeños de aire arremolinado que se fusionan y se combinan en una zona con suficiente rotación para hacer girar un tornado. Las simulaciones de tormentas de mayor resolución están respaldando esta teoría.

La mayoría de los modelos que trabajan con resoluciones más gruesas no pueden ver realmente los tornados simulados, sino que los deducen basándose en zonas de aire con mucho giro. El científico atmosférico Leigh Orf, de la Universidad de Wisconsin-Madison, ha aprovechado los avances de la supercomputación para construir modelos de 10 metros de resolución que pueden simular directamente los tornados. A esta escala, la turbulencia cobra vida, afirma Orf. Sus modelos revelan cómo pequeñas áreas de rotación pueden combinarse para desencadenar un tornado. “Resuelve completamente vórtices no tornádicos que se fusionan de formas muy convincentes y que nunca había visto antes”, afirma.

Los modelos también pueden dar pistas sobre el comportamiento que hay que observar sobre el terreno. Los modelos de Orf le han ayudado a él y a sus colegas a explorar una característica a la que han dado el nombre de corriente de vorticidad, o SVC (streamwise vorticity current), una cola de aire arremolinado a un lado de la tormenta que puede amplificar la rotación del aire cerca del suelo. Otros científicos han observado esta característica en supercélulas tornádicas reales.

Aún no existen observaciones reales de las fusiones por rotación, pero podrían llegar pronto. Los planes para renovar el sistema de radares de EE. UU. emplearían una nueva generación de radares más rápidos que pueden captar características que se desarrollan en un instante. “Estoy seguro de que lo que veo en las simulaciones acabará detectándose en la atmósfera, como ocurrió con el SVC”, afirma Orf.

Mucho en juego

El panorama de la investigación sobre tornados se ha ampliado de las Grandes Llanuras al sureste de Estados Unidos, impulsado por las tormentas mortales y el aumento de la actividad de los tornados en esa zona. Cuando una serie de tornados azotó la región en 2011 a partir de mediados de abril, murieron más de 300 personas. “Fue el mayor brote registrado desde el súper brote de 1974”, afirma Tanamachi. Eso motivó otra campaña en 2015, VORTEX-SE, para estudiar los tornados allí, pero el trabajo ha resultado difícil.

El equipo de Tanamachi descubrió que las condiciones atmosféricas del sureste no solo difieren de las de las Grandes Llanuras, sino que también es más difícil observar los tornados. Los paisajes montañosos bloquean la visión de las tormentas y dificultan su búsqueda. En su lugar, los investigadores tienen que prever dónde podría formarse un tornado y agazaparse allí. La única vez que este método permitió avistar un tornado durante el VORTEX-SE, el radar quedó bloqueado por un grupo de árboles.

Gran parte de lo que los científicos han aprendido sobre los tornados en otros lugares no se aplica al sureste porque muchos de los tornados que se producen allí no son provocados por supercélulas. En su lugar, se forman a partir de una línea de tormentas llamada borrasca. “No tenemos ni idea de cómo funcionan”, afirma el científico atmosférico Johannes Dahl, de la Universidad Tecnológica de Texas, en Lubbock. Aunque estos tornados suelen ser más débiles que los de las supercélulas, pueden causar daños y muertes.

A pesar de las dificultades, comprender los tornados en el sureste sigue siendo una prioridad, sobre todo porque la actividad de los tornados se ha disparado en la región en las últimas cuatro décadas aproximadamente. Según Dahl, aún no está claro si se debe al cambio climático o a otra causa, como el patrón climático conocido como El Niño. Aun así, los investigadores han empezado a observar algunas tendencias relacionadas con el clima. Un análisis de 60 años de datos sobre tornados en EE.UU. reveló que, aunque el número de tornados no ha cambiado, ha aumentado el número de días en los que se producen múltiples tornados. El cambio climático parece estar favoreciendo algunos de los ingredientes de los tornados a expensas de otros. Pero parece que, en un buen día para los tornados, las condiciones son muy favorables, dice Houser.

Con modelos cada vez más potentes, una posible actualización del sistema de radares estadounidense y la ayuda del aprendizaje automático, los investigadores continuarán en su empeño por desvelar el funcionamiento interno de los tornados. “Aunque hace décadas que se investiga en este campo”, dice Dahl, “siempre parece que hay sorpresas”.

Incluso después de 20 años estudiando los tornados, Houser se siente “aturdida, emocionada” ante la perspectiva de ver un tornado en acción, idealmente sobre un terreno en el que no esté destruyendo la casa de nadie. “Existe una extraña dicotomía entre su belleza y la volatilidad, intensidad y violencia que desatan”, afirma Houser. “Son tan misteriosos”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner