Περιεχόμενα
Πολύ πριν τον Σάκη Αρναούτογλου, τον Τάσο Αρνιακό και τον Κλέαρχο Μαρουσάκη γεννήθηκε η πρόγνωση καιρού. Πολλές φορές οι μετεωρολόγοι πέφτουν έξω στις προβλέψεις τους με αποτέλεσμα είτε να τους βρίζουμε, είτε να τους τρολάρουμε για τη λάθος πρόγνωση καιρού που έκαναν. Είναι όμως έτσι; Είναι εύκολο τελικά η πρόγνωση καιρού να είναι ακριβής;
Το 1904, ο Νορβηγός επιστήμονας Βίλχελμ Μπγιέρκνες πρότεινε ένα μαθηματικό μοντέλο με σκοπό να προβλέψει την εξέλιξη των ωκεανών και της ατμόσφαιρας. Έθεσε έτσι τα θεμέλια τόσο της μετεωρολογίας (βραχυπρόθεσμες προβλέψεις) για την πρόγνωση καιρού όσο και της κλιματολογίας (μακροπρόθεσμες προβλέψεις).
Το έργο του ενέπνευσε άλλους στον τομέα και έθεσε τα θεμέλια για τη σύγχρονη πρόγνωση καιρού. Το 1906, ο Μπγιέρκνες περιέγραψε μαθηματικά τις μεταφορικές δυνάμεις στις φυσαλίδες σε ένα ακουστικό πεδίο, γνωστό σήμερα ως δυνάμεις Μπγιέρκνες.
Η πρώιμη διορατικότητά του στην εφαρμογή αυτών των αρχών επηρέασε σε μεγάλο βαθμό την ανάπτυξη της μετεωρολογίας. Ήταν ο εμπνευστής μιας βελτιωμένης και πιο επιστημονικής υπηρεσίας καιρού, η οποία στη συνέχεια ελεγχόταν από τον γιο και συνεργάτη του, τον μετεωρολόγο Γιάκομπ Μπγιέρκνες (1897–1975).
Πρόγνωση καιρού: Βάζοντας την ατμόσφαιρα σε εξισώσεις
Στις αρχές του εικοστού αιώνα, ο Βίλχελμ Μπγιέρκνες, τότε καθηγητής εφαρμοσμένης μηχανικής και μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης, σχεδίασε ένα σχέδιο για να προβλέψει την εξέλιξη του καιρού.
- Πρώτον, αποκτήστε ακριβή γνώση της κατάστασης της ατμόσφαιρας.
- Στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε τους πιο σχετικούς νόμους της υδροδυναμικής και της θερμοδυναμικής για να προσδιορίσετε τη δυναμική επτά κρίσιμων μεγεθών: πίεση, θερμοκρασία, πυκνότητα, υγρασία και ταχύτητα αέρα στις τρεις κατευθύνσεις του αέρα.
Σαν να είχε τη διαίσθηση ότι το περιβάλλον μας έπρεπε να θεραπευτεί, ο Βίλχελμ Μπγιέρκνες χρησιμοποίησε τους όρους «διαγνωστικό» και «προγνωστικό» για να προσδιορίσει αυτά τα δύο στάδια.
Οι εξισώσεις, που ονομάζονται πρωτόγονες εξισώσεις, είναι ένα σύνολο μη γραμμικών μερικών διαφορικών εξισώσεων που χρησιμοποιούνται για την προσέγγιση της συνολικής ατμοσφαιρικής ροής και χρησιμοποιούνται στα περισσότερα ατμοσφαιρικά μοντέλα. Αποτελούνται από τρία κύρια σύνολα εξισώσεων ισορροπίας.
Αυτό σημαίνει ότι περιλαμβάνουν την εξέλιξη σε χρόνο και χώρο των επτά βασικών φυσικών μεγεθών για την πρόγνωση του καιρού.
Αυτές οι εξισώσεις είναι ντετερμινιστικές, που σημαίνει ότι δεν περιέχουν τυχαιότητα. Είναι επίσης μη γραμμικές. Έτσι, μια μικρή ανακρίβεια σε μια δεδομένη στιγμή στις μετρήσεις μπορεί να δώσει λάθος δεδομένα και να αλλάξει εντελώς την πρόγνωση καιρού. Εδώ έγκειται η δυσκολία στην πραγματοποίηση σχετικών μακροπρόθεσμων προβλέψεων.
Ο Μπγιέρκνες, ο οποίος αργότερα ίδρυσε το Ινστιτούτο Γεωφυσικής στο Μπέργκεν, έγινε ευρέως γνωστός με αποτέλεσμα να του ζητήσουν από τον νορβηγικό στρατό να παράσχει στρατηγικές μετεωρολογικές προβλέψεις κατά τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο.
Η ιστορία της αριθμητικής πρόγνωσης του καιρού άρχισε από το 1920 με τις προσπάθειες του Λιούις Φράι Ρίτσαρντσον, ο οποίος χρησιμοποίησε διαδικασίες που αρχικά αναπτύχθηκαν αρχικά από τον Μπγιέρκνες για να παράγει χειρωνακτικά μια εξάωρη πρόβλεψη για την κατάσταση της ατμόσφαιρας πάνω από δύο σημεία στην Κεντρική Ευρώπη , δαπανώντας τουλάχιστον έξι εβδομάδες για να το πράξει.
Μόλις με την εμφάνιση των ηλεκτρονικών υπολογιστών και των προσομοιώσεων μέσω υπολογιστών, μειώθηκε ο χρόνος υπολογισμού σε λιγότερο από ό, τι την ίδια περίοδο πρόβλεψης
Πώς να κάνετε με επιτυχία προβλέψεις; Η άφιξη των υπολογιστών
Αλλά εκείνη την εποχή, οι υπολογιστές δεν είχαν αναπτυχθεί επαρκώς για να επιτρέψουν την αποτελεσματική πρόγνωση του καιρού. Μόλις το 1947, υπό την καθοδήγηση του μαθηματικού Τζον βον Νιούμαν , ο πρώτος υπερυπολογιστής που αναπτύχθηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες με το όνομα ENIAC, έκανε τις πρώτες πειστικές προβλέψεις καιρού.
Πρόγραμμα ENIAC: Οι Γκλεν Μπεκ και Μπέτι Σνάιντερ στο κτίριο του Εργαστηρίου Βαλλιστικής Έρευνας. Φωτογραφία Στρατού των ΗΠΑ/Wikimedia
Καθώς οι υπολογιστές έχουν γίνει πιο ισχυροί, το μέγεθος των αρχικών συνόλων δεδομένων έχει αυξηθεί και νεότερα ατμοσφαιρικά μοντέλα έχουν αναπτυχθεί για να επωφεληθούν από την συνεχώς αυξανόμενη υπολογιστική ισχύ. Αυτά τα νεότερα μοντέλα περιλαμβάνουν περισσότερες φυσικές διεργασίες στις απλουστεύσεις των εξισώσεων της κίνησης σε αριθμητικές προσομοιώσεις της ατμόσφαιρας.
Το 1956, ο Νόρμαν Φίλιπς ανέπτυξε ένα μαθηματικό μοντέλο που θα μπορούσε να απεικονίζει ρεαλιστικά μηνιαίες και εποχιακές τάσεις στην τροπόσφαιρα. Αυτό έγινε το πρώτο επιτυχημένο κλιματικό μοντέλο.
Ακολουθώντας την εργασία του Φίλιπς, πολλές ομάδες άρχισαν να εργάζονται για να δημιουργήσουν μοντέλα γενικής κυκλοφορίας. Το πρώτο κλιματικό μοντέλο γενικής κυκλοφορίας, που συνδύαζε τις ωκεάνιες και ατμοσφαιρικές αλλαγές αναπτύχθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1960 στο NOAA Εργαστήριο Γεωφυσικής Fluid Dynamics.
Καθώς οι υπολογιστές έχουν γίνει πιο ισχυροί, το μέγεθος των αρχικών συνόλων δεδομένων έχει αυξηθεί και νεότερα ατμοσφαιρικά μοντέλα έχουν αναπτυχθεί για να επωφεληθούν από την συνεχώς αυξανόμενη υπολογιστική ισχύ. Αυτά τα νεότερα μοντέλα περιλαμβάνουν περισσότερες φυσικές διεργασίες στις απλουστεύσεις των εξισώσεων της κίνησης σε αριθμητικές προσομοιώσεις της ατμόσφαιρας.
Το 1966, η Δυτική Γερμανία και οι Ηνωμένες Πολιτείες άρχισαν να παράγουν επιχειρησιακές προβλέψεις βασιζόμενες σε μοντέλα εξισώσεων πρώτου βαθμού και ακολούθησαν το Ηνωμένο Βασίλειο το 1972 και η Αυστραλία το 1977.
Ο Έντουαρντ Έπσταϊν αναγνώρισε το 1969 ότι η ατμόσφαιρα δεν θα μπορούσε να περιγραφεί πλήρως με μία μόνο πρόβλεψη λόγω της εγγενούς αβεβαιότητας και πρότεινε τη χρήση ενός συνόλου των στοχαστικών προσομοιώσεων Μόντε Κάρλο για την παραγωγή μέσων και παραμέτρων για την κατάσταση της ατμόσφαιρας.
Αν και αυτό πρώιμο παράδειγμα ενός συνόλου έδειξε ικανό, το 1974 ο Σέσιλ Λάιθ απέδειξε ότι παράγονται επαρκείς προβλέψεις μόνο όταν το σύνολο της διανομής πιθανότητας ήταν ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα της κατανομής πιθανοτήτων στην ατμόσφαιρα.
Η ανάπτυξη μοντέλων περιορισμένων περιοχών (περιφερειακών) διευκόλυνε την πρόβλεψη της πορείας των τροπικών κυκλώνων καθώς και την ποιότητα του αέρα στις δεκαετίες του 1970 και του 1980.
Από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 τα μοντέλα άρχισαν να περιλαμβάνουν τις αλληλεπιδράσεις του εδάφους και της βλάστησης με την ατμόσφαιρα, η οποία οδήγησε σε πιο ρεαλιστικές προβλέψεις.
Μαθηματικά, η μελέτη αυτού του προβλήματος ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1990, χάρη σε μια σειρά άρθρων από τους μαθηματικούς Ζακ- Λουί Λιον , Ρότζερ Τέμαμ και Σούχονγκ Βάνγκ.
Η πρόκληση είναι απλή: να αποδείξουμε ότι αυτές οι εξισώσεις έχουν μία και μοναδική λύση, που ορίζεται για ένα χρόνο που θέλουμε να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερος, για τον μεγαλύτερο δυνατό αριθμό αρχικών δεδομένων.
Διαφορετικά, αυτό θα σήμαινε ότι ένας αριθμητικός υπολογισμός θα μπορούσε να παρέχει τόσο μια προσέγγιση της φυσικής σχετικής λύσης όσο και μια λύση που δεν θα είχε καμία σχέση με την πραγματικότητα των γεγονότων! Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή δεν θα είναι πάντα αξιόπιστες, ανεξάρτητα από την ισχύ του μηχανήματος που χρησιμοποιείται.
Η περιστροφή της Γης, οι θερμοδυναμικές πτυχές, η μεταφορά και η διάχυση της αλατότητας στους ωκεανούς είναι όλα φαινόμενα που πρέπει να ληφθούν υπόψη στη μαθηματική ανάλυση. Από την άλλη πλευρά, το μικρό βάθος των ωκεανών καθώς και το χαμηλό ύψος της ατμόσφαιρας σε σύγκριση με την ακτίνα της Γης μας οδηγεί να παραμελούμε την κατακόρυφη κίνηση του νερού ή του αέρα, γεγονός που καθιστά δυνατή την απλοποίηση του μαθηματικού μοντέλου.
Καθώς οι υπολογιστές έχουν γίνει πιο ισχυροί, το μέγεθος των αρχικών συνόλων δεδομένων έχει αυξηθεί και νεότερα ατμοσφαιρικά μοντέλα έχουν αναπτυχθεί για να επωφεληθούν από την συνεχώς αυξανόμενη υπολογιστική ισχύ. Αυτά τα νεότερα μοντέλα περιλαμβάνουν περισσότερες φυσικές διεργασίες στις απλουστεύσεις των εξισώσεων της κίνησης σε αριθμητικές προσομοιώσεις της ατμόσφαιρας.
Εξασφαλίστε τη συνάφεια του μοντέλου
Αυτή η παρατήρηση επέτρεψε σε δύο μαθηματικούς, τον Τσονσένγκ Τσάο και τον Έντρις Τίτι , το 2007 να αποδείξουν ότι τα αρχικά δεδομένα, δηλαδή χωρίς ξαφνικές διακυμάνσεις, συνδέονται με μια μοναδική κανονική λύση, καλά καθορισμένη για όλες τις εποχές.
Επιπλέον, το αποτέλεσμα δείχνει επίσης ότι η ευαισθησία στην παραμικρή αλλαγή στις αρχικές συνθήκες, εάν είναι πραγματική, δεν οδηγεί στη συνέχεια σε ξαφνικά άλματα, στη θερμοκρασία ή την υγρασία για παράδειγμα, με την πάροδο του χρόνου.
Έκτοτε, έχει γίνει πολλή δουλειά για να επεκταθεί αυτό το εντυπωσιακό αποτέλεσμα σε πιο εξελιγμένα μοντέλα, ολοένα και πιο κοντά στην πραγματικότητα. Ένα άλλο επίκαιρο ζήτημα είναι η σύγκριση διαφορετικών μοντέλων, ανάλογα με τις φυσικές παραμέτρους που μοντελοποιεί. Στόχος είναι ο ερευνητής να μπορεί να επιλέξει ποιο μοντέλο θα εμπιστευτεί.
Σε ένα συνέδριο, αποδίδονται τα ακόλουθα λόγια στον Τζον φον Νόιμαν: «Το κλίμα είναι ίσως πιο εύκολο να ελεγχθεί παρά να προβλεφθεί».
Αν και είναι 120 ετών, και χρησιμοποιούνται ευρέως σε προσομοιώσεις υπολογιστή για ογδόντα χρόνια, οι πρωτόγονες εξισώσεις βρίσκονται ακόμα στην εφηβεία τους από την άποψη της μαθηματικής κατανόησής τους.
Πηγή: The Conversation // Πηγή φωτογραφίας: Unsplash
