Etiquetado: orden de magnitud

Un discurso y dos problemas de Fermi (sobre el calentamiento global)

En el post anterior hablábamos de la superstición de la exactitud: la idea, implícita en toda la enseñanza obligatoria, de que un problema sólo puede tener una solución exacta, y si no la tiene o no la podemos obtener, entonces no hay nada que podamos decir sobre el problema. Con esta actitud se cultiva una visión en blanco y negro de la realidad: o tenemos una certeza absoluta sobre una cuestión o cualquier opinión es igualmente válida. Y así, en el ejemplo de las manifestaciones, la imposibilidad de contar a los manifestantes nos deja abandonados a la habitual “guerra de cifras” entre unos y otros.

Idolatrar la exactitud, paradójicamente (o no tanto: los extremos se tocan), nos entrega al relativismo y la propaganda.

Lo curioso es que esta actitud, que se pretende rigurosa y “científica” (y por eso la inculcamos en la escuela) es  diametralmente opuesta a la de la ciencia de verdad. La ciencia moderna sólo despegó cuando Galileo abandonó el ideal de precisión absoluta para proclamar que un acuerdo aproximado puede ser suficiente para confirmar una ley. Por ejemplo: una bola de piedra y otra de madera no tardan lo mismo en caer desde una torre, pero Galileo, en contra del rigor mal entendido de los aristotélicos, señalaba que la diferencia es suficientemente pequeña para afirmar que en realidad sí lo hacen… Sí lo hacen, bien entendido, en una realidad abstracta, idealizada, en la que el rozamiento del aire y otros “impedimentos materiales” no compliquen la simplicidad subyacente, esa que Galileo comparó a un libro escrito en caracteres matemáticos, donde podemos alcanzar el ideal de precisión.

La  ciencia, mucho más que un repertorio de “contenidos científicos”, es ante todo una actitud. Una manera de pensar que sólo funciona, como nos enseñó Galileo, gracias a la capacidad de hacer aproximaciones, de estimar los errores y de apreciar los órdenes de magnitud. Esas son las herramientas que permiten traducir nuestro confuso mundo cotidiano al lenguaje del libro de la Naturaleza.

Y el desarrollo de esta capacidad, dicho sea de paso, es lo que puede hacer que las asignaturas de ciencias tengan algo que aportar, “transversalmente” (como quieren nuestras leyes de educación), a la formación de ciudadanos responsables, autónomos y con espíritu crítico. Eso y no todas las fórmulas y fenómenos que se acumulan, inertes, en los libros de física de nuestro disparatado bachillerato de dos cursos…

Pero basta de discursos: pasemos mejor a un ejemplo concreto.

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Todo el mundo ha oído hablar del calentamiento global y de cómo la principal causa son las emisiones de gases de efecto invernadero, sobre todo de CO2. Es un problema enormemente complejo si entramos en los detalles… pero aquí estamos para hacer aproximaciones. Así que en primera aproximación podemos escribir la cadena causal así:

Emisiones de CO2 ⇒ ­↑ [CO2] en la atmósfera ⇒ ↑­ T de la Tierra ⇒ ↑­ nivel del mar

La subida del nivel del mar -la amenaza más dramática del calentamiento global- es consecuencia del calentamiento de nuestro planeta, que a su vez se debe al aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera por culpa de las emisiones humanas.

Pero todo esto es cualitativo. Para trabajar en el espíritu de Galileo lo primero es cuantificar. ¿Cómo de grandes son esos incrementos? Aquí traigo una gráfica para cada una de las principales magnitudes: la concentración de CO2, la temperatura y el ascenso del nivel del mar:

Variación de la concentración atmosférica de CO2 en los últimos años (Fuente:NASA).

 

Variación de la temperatura promedio de la Tierra en el último siglo (Fuente: NASA).

Ascenso del nivel del mar en las últimas décadas (Fuente: The Economist)

Midiendo a ojo la pendiente de cada gráfica encontramos estos incrementos en los últimos años:

Δ[CO2] ≈ 25 ppm/década (ppm=partes por millón)

ΔT ≈ 0,2ºC/década

Δhmar ≈ 3 cm/década

¿Podemos hacer algo con estos números? ¿Son razonables? ¿Tenemos que creerlos sin más o podríamos haberlos estimado, al menos en orden de magnitud? De momento vemos, con una regla de tres, que cada 100 ppm adicionales de CO2 se traducen en un calentamiento de 0,8ºC: hemos cuantificado el efecto invernadero, el eslabón principal de la cadena causal. Pero con este valor no podemos hacer gran cosa salvo creérnoslo. La relación entre CO2 en el aire y calentamiento no es en absoluto directa y es difícil estimarla sin bajar a los detalles de la física: espectros de absorción del CO2, ley de Planck, etc (aunque nunca se sabe: ¿se le ocurre a alguien una manera de hacerlo?).

Sin embargo, sí que podemos decir algo sobre el principio y el final de la cadena: estimar las emisiones de CO2 (al menos una parte importante), y también el ascenso del nivel del mar para un aumento dado de temperatura. Lo mejor es que no necesitamos calculadora y basta con saber unos pocos datos, casi todos conocidos -en teoría al menos- por un estudiante de bachillerato. En definitiva, que son cálculos que podemos hacer en un bar, con una servilleta de papel y un lápiz: lo que en física se llama back of the envelope calculation, la especialidad del legendario Enrico Fermi.

Así que les propongo dos “problemas de Fermi” (el primero es más fácil que el segundo):

1) Por lo que hemos visto en las gráficas, 1ºC de aumento de temperatura supone un aumento de nivel del mar de 15 cm. ¿Cuánto debería subir el mar debido a su dilatación térmica si ΔT=1ºC?

Pistas:

  1. Cuando un volumen V0 de agua aumenta su temperatura ΔT, se dilata un ΔV=βV0ΔT, siendo β el coeficiente de dilatación volúmica. Este coeficiente depende mucho de la temperatura: a 4ºC es 0, a 10ºC es 8·10-5 ºC-1 y a 20ºC es 20·10-5 ºC-1.
  2. El resto de los datos nos los inventamos, según lo que nos dicte nuestro sentido común.
  3. Para verificar nuestro resultado: curiosamente, este efecto de dilatación es más importante que la tan comentada fusión de los casquetes polares: da cuenta de aproximadamente 3/5 de la subida total del nivel del mar.

2) Estimar los kg de CO2 vertidos a la atmósfera en un año por un automóvil típico. A partir de este dato, calcular las emisiones de todos los vehículos de España y del mundo. A partir de este dato, estimar el aumento de la concentración anual de CO2 en la atmósfera.

Pistas:

  1. La gasolina es un hidrocarburo, formado por átomos de H y C. Como los primeros son 12 veces más ligeros que los segundos, podemos despreciar su masa.
  2. La masa atómica del oxígeno es 16 veces la del H.
  3. La densidad de la gasolina la tomamos como igual a la del agua.
  4. Consideramos que todo el CO2 vertido a la atmósfera en un año se queda en la atmósfera.
  5. No vamos a distinguir entre partes por millón en peso y partes por millón en átomos.
  6. La atmósfera ejerce una presión de 1 Kg/cm2 y el ecuador tiene una longitud de 40.000 km
  7. Suponemos que hay 45 millones de españoles y 7.500 millones de habitantes en el mundo.
  8. El resto de los datos nos los inventamos, según lo que nos dicte nuestro sentido común.
  9. Para verificar nuestro resultado: según se puede leer aquí, el transporte terrestre es el responsable de algo más del 15% de las emisiones de CO2.

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¿Se animan ustedes? Cualquier intento de solución en los comentarios será bienvenido. Acabaré dando mis soluciones, pero sólo cuando haya pasado un tiempo prudencial…

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Actualización: soluciones en el comentario del 23/11/19.

La Diada y la superstición de la exactitud

[Disclaimer: He elegido como ejemplo la Diada porque es una manifestación masiva que se repite todos los años, y porque he podido encontrar datos del recorrido para todas las últimas ediciones. Pero por desgracia, ocurre más o menos lo mismo con manifestaciones de todas las ideologías…]

La vida pública está llena de irracionalidades, pero una especialmente llamativa es la que aflora cada vez que una gran manifestación acapara los titulares. No falla: Si el colectivo A protesta contra el colectivo B, A dirá que la asistencia fue masiva y B dirá que sólo fueron cuatro gatos.

El sectarismo es consustancial al ser humano, pero de las instituciones oficiales deberíamos esperar una información más imparcial, ¿no? Bien, aquí pueden comparar los datos sobre la asistencia a las últimas Diadas, según la Guardia Urbana de Barcelona y la Delegación del Gobierno en Cataluña:

Ante tal grado de desacuerdo, y tan sistemático, está claro que no podemos confiar en la neutralidad de las instituciones… Es triste, pero ¿tenemos por eso que conformarnos con incertidumbres de casi un orden de magnitud?¿En una época en la que se ha medido la distancia de la Tierra a la Luna con una precisión de ±1 mm no va a ser posible contar el número de manifestantes en un margen de, digamos, ±100.000?

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Naturalmente que es posible: basta alquilar una avioneta, tomar fotos de alta resolución y usar un programa de visión artificial para contar cabezas. Eso es lo que hizo una empresa llamada Lynce entre 2009 y 2011. Sus resultados fueron siempre órdenes de magnitud inferiores a los números pregonados por los convocantes, y casi siempre a los de los periódicos; recibió un aluvión de críticas por ello y tuvo que cerrar porque no llegó a ser rentable: los medios tampoco son neutrales y no estaban interesados en conocer los datos reales. Más información en este vídeo:

Es muy interesante que se obtuvieran siempre números drásticamente inferiores a los publicitados. La actividad de Lynce, y la polémica que generó, destapó lo que podíamos llamar un fraude informativo generalizado: el absoluto desinterés de los medios de comunicación por la verdad numérica, y su sometimiento a los intereses propagandísticos de los partidos políticos (y/o al sensacionalismo de los grandes números, porque generan más interés unas cifras hinchadas artificialmente que los datos reales). Posverdad numérica, lo llamé hace un par de años.

Lo cierto es que, pese a que lo hemos oído una y otra vez, ninguna manifestación ha reunido nunca a un millón de personas en España, como explica este magistral artículo de Alex Grijelmo. Ya en la época de Franco vitoreaban al Caudillo un millón de personas en la Plaza de Oriente… en la que difícilmente caben más de 40.000 (ver vídeo anterior, 1:05). Y desde entonces nada ha cambiado: el millón mágico se enarbola despojado de cualquier sentido cuantitativo, como si no fuera un número sino un mantra. Igual que en la Biblia “setenta veces siete” no significa “490 veces” sino “siempre”, el “millón” de manifestantes no significa que acudieran 106, sino algo así como “toda la gente decente de este país”.

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El problema, claro, es que se nos quiere hacer creer que el “millón” de manifestantes es realmente 106, haciendo pasar por datos objetivos lo que no es más que propaganda. Y es muy sintomático el hecho de que nos traguemos el número, o que al menos no estemos alerta y lo cuestionemos. Esta indiferencia a lo cuantitativo nos está mostrando lo extendido que está el anumerismo en nuestra sociedad, y a la vez apunta a una de sus principales causas: la superstición de la exactitud.

Desde el colegio nos acostumbran pensar que las matemáticas consisten en hacer cuentas y que la única solución que vale para un problema es la solución exacta. Nunca se hace una estimación aproximada. El resultado es que casi todo el mundo cree, sin ser muy consciente de ello, que si no se puede conocer un dato con exactitud, no se puede conocer en absoluto. Así que nos parece normal resignarnos a que no se pueda saber cuántas personas han asistido a una manifestación.

Pero es justo lo contrario. La práctica de la ciencia nos enseña que la exactitud casi nunca es posible, pero casi siempre es innecesaria. Cuando los alumnos, educados en la superstición de la exactitud, llegan al laboratorio de física en 1º de carrera suelen dar resultados con ocho o nueve cifras decimales (¡las que quepan en la calculadora!)… pero no tienen ni idea del orden de magnitud de lo que tiene que salir (para reconocer cuando un resultado es absurdo), ni son capaces de estimar el error de sus resultados (para dar los decimales apropiados).

Si no fuéramos víctimas anuméricas de la superstición de la exactitud entenderíamos de inmediato que en realidad no es necesaria la avioneta, ni las fotos de alta resolución, ni el programa de visión artificial: todo esto es matar moscas a cañonazos. Porque no hace falta contar el número exacto de manifestantes. Lo único que necesitamos es una estimación aceptable, y teniendo en cuenta las enormes discrepancias entre las versiones de las partes interesadas, el margen de ±100.000 que decíamos más arriba ya sería un gran progreso.

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Para hacer esa estimación basta saber los metros cuadrados ocupados por la manifestación y multiplicarlos por el número de personas que hay en cada metro cuadrado. Lo primero es muy fácil desde que existe Google Maps. Sólo hay que enterarse de qué calles ocupó la manifestación, algo que hicieron cuatro blogueros en El manifestódromo, por el simple procedimiento de darse un paseo y ver hasta dónde llegaba la gente. Sin apenas tecnología, dieron durante unos cuantos años unos datos mucho más fiables que los de toda la prensa… que naturalmente no adoptó su método. El blog cesó su actividad en 2012.

Pero incluso sin saber hasta dónde se extendió realmente la manifestación podemos tener una cota superior aproximada si conocemos su recorrido, porque muy pocas veces se llena éste al completo. Y en cuanto a las personas por metro cuadrado, es muy difícil que sean más de una en una manifestación que avance (es instructivo ver el vídeo de más arriba, a partir de 0:56).

En conclusión: simplemente calculando el área en metros cuadrados del recorrido de la manifestación tenemos una cota superior razonable para el número de manifestantes.

He aplicado este criterio a las últimas Diadas en la tabla siguiente (para cada año hay un enlace a una referencia que he usado para estimar las longitudes y anchuras; en 2013 la manifestación fue una cadena humana por toda la costa catalana, el dato es de la Generalitat).

Asistentes Asistentes
Año Recorrido Longitud
(m)
Anchura
(m)
Área
(m2)
Guardia
Urbana

Delegación
Gobierno

2012 Paseo de Gracia y Via Laietana 2700 50 1,35E+05 1,00E+06 6,00E+05
2013 Costa de Cataluña 415000 1,5 6,23E+05 1,60E+06 4,00E+05
2014 Diagonal+Gran Vía 9000 50 4,50E+05 1,80E+06 5,00E+05
2015 Meridiana 5200 40 2,08E+05 1,40E+06 5,20E+05
2016 Paseo de S Joan y Lluis Companys 1560 50 7,80E+04 8,75E+05 3,70E+05
2017 Paseo de Gracia y Aragó 3400 40 1,36E+05 1,00E+06 3,50E+05
2018 Diagonal 5900 50 2,95E+05 1,00E+06 No da datos
2019 Gran Vía – Paseo de Gracia, etc 3500 50 1,75E+05 6,00E+05 No da datos

 

La mejor forma de apreciar los resultados es en forma de gráfica:

Nuestra “cota superior razonable” para el número de manifestantes, dada por el número de metros cuadrados, es siempre muy inferior a la estimación de la Guardia Urbana (GU) -¡a veces en un orden de magnitud!- y casi siempre inferior también a los números dados por la Delegación del Gobierno (DG).

Pero lo más curioso es la correlación: nuestra estimación no tiene ninguna relación con los datos de DG (el coeficiente de correlación es despreciable, R=0,04) pero sus variaciones van acompasadas con las de los datos de GU (como se puede ver en la gráfica y demuestra el coeficiente de correlación, bastante alto: R=0,78).  Si a mí me presentaran estos datos sin saber de qué se trata, sospecharía que DG se los inventa, mientras que GU los obtiene de los metros cuadrados, mas o menos con esta fórmula:

N = 1,66·M + 725.000

siendo N los asistentes y M los metros cuadrados; lo que significaría que la Guardia Urbana mete a 1,66 personas por metro cuadrado… y añade unos tres cuartos de millón. Al menos, eso es lo que dicen los ajustes por mínimos cuadrados… 😉.

El sorteo del Gordo de Navidad visto por un físico

El físico soy yo, pero obviamente no siempre lo fui. De pequeño era un niño al que le gustaba el sorteo del Gordo, tanto que pensaba que el día 22 de diciembre era una de las fiestas de la Navidad. No tan importante como Nochebuena o Nochevieja (y no digamos Reyes); quizá como el día de los Inocentes, pero una fiesta con todas las de la ley. La prueba era que tenía su liturgia propia: la cantinela de los niños de San Ildefonso, que sonaba toda la mañana en casa, en las tiendas, por la calle…

Todos los años, cuando mi madre veía las imágenes del sorteo en la tele, me decía: fíjate qué grande es el bombo de los números y qué pequeño el de los premios.

¿Cuántas veces es más grande el bombo de los números que el de los premios?

¿Cuántas veces es más grande el bombo de los números que el de los premios?

Claro que es mucho más grande, así que la gran mayoría de los números se quedan sin premio, que era lo que me quería decir mi madre. Pero ¿cuál es la proporción? Hoy no se tarda nada en buscarlo en internet: hay trece premios del primero al 5º y 1.794 premios de la pedrea: un total de 1.807. Los números son 100.000, así que la proporción es de algo más de 50 a 1: exactamente, 55’3 (naturalmente hay muchos más premios especiales por terminaciones, centenas, aproximaciones, etc, pero vamos a dejar estos de lado).

Pero ¿podríamos averiguar esto sólo a partir de la foto? Podría pensarse que no, porque no sabemos el tamaño de las bolas ni el de los bombos; sólo podemos hacernos una idea aproximada por comparación con las personas que salen. Pero eso no importa, porque lo que buscamos es la proporción entre los dos bombos y en la foto eso se aprecia con bastante exactitud.

Antes de seguir leyendo: ¿Cuál diría el lector que es esa proporción?¿Dos, cuatro, ocho veces más grande el bombo de los números? En la imagen, he medido los diámetros en píxeles: 76 el de los premios y 162 el de los números: un poco más del doble. Pero el volumen es proporcional al cubo del diámetro (o del radio: al cubo de cualquier dimensión lineal, lo que cambia en cada caso es el factor de proporcionalidad). Esto significa que el volumen del bombo de los números es más de ocho veces el de los premios. En realidad, (162/76)^3 \approx 9.7 ¡casi diez veces más!

Casi nadie calcula bien esto, por cierto: nuestras estimaciones intuitivas suelen estar más cerca del factor 4 porque instintivamente comparamos áreas  y no volúmenes (y aún así, solemos subestimar la proporción entre áreas…)

Así que debería haber 10 veces más números que premios… ¡pero sabemos que el factor es 50! ¿De dónde sale el factor 5 adicional? Si miramos la foto con atención, vemos que el bombo de los premios está menos lleno que el de los números. Puede que eso sea porque la foto se tomó bien avanzado el sorteo, pero mi impresión es cuando empieza el sorteo la fracción que está llena no es muy diferente a la que se ve en la foto.  Así que vamos a suponer que la proporción de la foto es la del principio y veremos qué obtenemos.

Ahora para comprar tenemos que ser más refinados. Antes no necesitamos saber la fórmula del volumen de la esfera, pero ahora sí vamos a necesitar la de la figura geométrica que ocupan las bolas, y que se llama casquete esférico. La razón es que los dos casquetes no son semejantes: uno no es una versión a escala del otro, precisamente porque un bombo está más lleno que el otro.

La fórmula en cuestión resulta ser (Wikipedia dixit):V=\frac{\pi h^2 }{3}(3r-h)

250px-Spherical_Cap.svg

Midiendo de nuevo en la foto, encontramos estas dimensiones en píxeles (letras mayúsculas para el bombo grande, minúsculas para el pequeño):

R=81, H=51, r=28, h=9

(en realidad, en la foto se mide bastante mal, pero ahí está la gracia: ver si con unos valores bastante mal medidos conseguimos un resultado aceptable). Aplicando nuestra fórmula, los volúmenes son V=499.392 y v=8.505 (las unidades serían píxeles cúbicos 🙂 ). Y la proporción es V/v=58’7 ¡casi exacto: el valor correcto era 55’3! (que conste que no he hecho trampa, hice las medidas de píxeles sin saber lo que iba a salir).

Animados por este éxito, ¿podríamos dar un paso más? ¿Sería posible estimar el número de bolas en un bombo? Algo podemos hacer, pero no podemos esperar mucha precisión porque la resolución de la foto no permite ver bien las bolas. Da la impresión de una bola tendría un diámetro de entre 1.5 y 2 píxeles. En el primer caso, su volumen sería del orden de 1.53=3’4 píxeles cúbicos y en el segundo, de 8 (no nos preocupa que sean esferas en vez de cubos, siendo tan malas nuestras medidas sólo podemos aspirar a estimar un orden de magnitud).  Dividiendo el volumen V=499.392 entre estos números, obtenemos en el primer caso 148.000 bolas y en el segundo 62.000… no está mal: si hay casi 100.000, hemos acotado muy bien el orden de magnitud.

¿Tienen algún interés estos cálculos de juguete? Por supuesto: así es como piensan los físicos. Simplemente mirando a nuestro alrededor y haciendo un pequeño esfuerzo para cuantificar podemos estimar muchas magnitudes con una exactitud bastante aceptable. Lo suficiente, en este caso, para tener una idea muy aproximada de las probabilidades de que un número salga cantado mañana en el sorteo del Gordo de Navidad: del orden de 1 entre 50, sólo con ver la foto y hacer un par de cuentas.

Mucha suerte a todos.