- Después de dos años de investigación y trabajo colaborativo, un grupo de investigadores logró demostrar por primera vez en la naturaleza lo que teorías de la física no lineal sugerían en sus ecuaciones: que una interacción intensa de múltiples solitones (ondas individuales muy estables que se comportan cómo partículas), puede producir un campo de ondas llamado “Gas de Solitones” donde la probabilidad de ocurrencia de olas extremas o “rogue waves” es mucho mayor que lo normal.
- Este hallazgo fue reportado en el artículo “Soliton gas dynamics and rogue wave enhancement in a natural coastal environment”, publicado por la revista de la American Physical Society, Physical Review Research.
En la Laguna Cáhuil, un fenómeno de interacción de ondas muy particular fue identificado en un trabajo científico liderado por el director de CIGIDEN y académico de Ingeniería UC, Rodrigo Cienfuegos. El llamado “Gas de Solitones”, un campo de ondas generado por intensas interacciones entre olas individuales muy estables que se comportan cómo partículas (solitones), fue observado en terreno dando la confirmación en el mundo real de una teoría que hasta ahora solo había sido verificada en laboratorio con experimentos controlados de óptica no lineal y tanques de olas.
Las observaciones se realizaron en la Laguna, un fiel representante de estuarios intermitentes que se conectan con el mar en invierno cuando las lluvias alimentan sus cauces, y se cierran bajo el efecto de las olas del océano al finalizar la primavera. Cuando están conectados, las aguas dulces de la cuenca continental se mezclan con las aguas saladas del océano, generando zonas de transición vitales, de alto valor ecosistémico y productivo. El sector de Laguna Cáhuil es de hecho conocido por la centenaria producción artesanal de sal que se realiza en su estuario varios kilómetros aguas arriba de la desembocadura.
A comienzos de agosto de 2023, el equipo de investigación formado por académicos, estudiantes y profesionales de la Pontificia Universidad Católica de Chile, la Universidad Santa María y la Universidad de Concepción, llegaron al sitio de estudio que está siendo monitoreado por las cámaras de SIMONA Costa, el Sistema de Monitoreo y Anticipación de la Resiliencia Costera en Chile. De inmediato se dieron cuenta que lo que estaba ocurriendo con la penetración de las olas desde el océano hacia la laguna era algo muy diferente a lo que estaban acostumbrados a medir.
Desplegando instrumentos en el agua para capturar directamente las olas, las corrientes y las fluctuaciones de salinidad, y usando capturas de videos desde drones, lograron demostrar que el campo de ondas observado corresponde a un Gas de Solitones. Un régimen no lineal de ondas que no es un gas en el sentido literal, sino un campo aleatorio y denso donde múltiples solitones interactúan fuertemente entre sí, algo similar a lo que ocurre con las colisiones elásticas de los átomos en un gas.
Las interacciones entre solitones han permitido explicar un mecanismo físico para el surgimiento inesperado de las olas extremas –rogue waves o freak waves– desde un estado de mar aparente normal. Las observaciones realizadas en Laguna Cáhuil mostraron que la frecuencia de aparición de estas olas “rogue” era órdenes de magnitud mayor que lo que predice la teoría lineal del oleaje. Algo que ya se había observado en experimentos numéricos y de laboratorio.
El descubrimiento del Gas de Solitones en Laguna Cáhuil fue, de hecho, una sorpresa en el trabajo de campo. «Lo que medimos fue algo inesperado que nos motivó a cruzar fronteras disciplinarias para entender qué diablos era. Tuvimos que investigar mucho acerca de los trabajos y métodos de análisis recientes provenientes de la física no lineal y entrar en un universo totalmente nuevo», explica el director de CIGIDEN y académico del Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental UC, Rodrigo Cienfuegos.
De la teoría a la realidad
La teoría que explica este tipo de campos de ondas se ha desarrollado en la física no lineal desde los años 60 y es ampliamente utilizada hoy en día en comunicación a través de fibra óptica ya que los pulsos solitónicos pueden viajar grandes distancias sin modificar su forma. El haber observado esta física en un ambiente natural como la Laguna Cáhuil confirma que las interacciones de solitones son un mecanismo plausible para la generación de freak waves en zonas costeras naturales, y abre además preguntas relevantes acerca del rol que estas ondas pueden tener en el intercambio y mezcla de agua y salinidad en sistemas estuarinos cómo el de la Laguna Cáhuil.
“Demostrar que las ondas que observamos eran realmente solitones fue casi cómo demostrar que existía vida en Marte. Implicó juntar muchas piezas de un puzle complejo, usar técnicas avanzadas de análisis de señales y video, realizar experimentos numéricos, e invitar a colaborar al profesor Sander Wahls del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania, uno de los expertos mundiales en técnicas de detección de solitones desde series de tiempo medidas.”
Para el grupo de investigadores de CIGIDEN, la Laguna Cáhuil se ha transformado en un laboratorio natural de clase mundial. La coexistencia de las condiciones necesarias para este tipo de observaciones (la barra de arena en su desembocadura, la poca profundidad del canal de entrada, la penetración de ondas largas desde el océano, las condiciones micromareales) convierten a este sitio chileno en un lugar de estudio inigualable para la física, la ingeniería y los procesos estuarinos y sociales que allí ocurren.
Es importante destacar que este trabajo contó también con el apoyo de vecinos y la Corporación Punta de Lobos, el Gobierno Regional de O’Higgins, el Municipio de Pichilemu y el programa GEF Humedales Costeros, quienes han interactuado continuamente con el equipo de investigación.
Los datos analizados en este artículo científico, publicado en la revista Physical Review Research, ya están a disposición en forma abierta para que cualquier persona en el mundo pueda consultarlos y complementar esta investigación.
