Dansk Magisterforening

En meteorologs vejrsimulation viste os, at kaos hersker overalt

De fleste kender ideerne bag kaosteori fra den berømte forskningsartikel 'Kan et vingeslag fra en sommerfugl i Brasilien udløse en tornado i Texas?' Artiklen introducerede begrebet sommerfugleeffekten, der beskriver, hvordan små ændringer kan føre til store forandringer over tid, som er hele grundlaget for kaosteori. © Unsplash

Del artikel:

I podcasten '10 formler, der forandrede verden' sætter Akademikerbladet fokus på de formler og teorier, der ligger til grund for moderne videnskab. Ottende afsnit handler om kaosteori.

For de fleste er kaos noget, man skal undgå. Det er det, der er tilbage, når al orden er væk. 

Derfor kan det virke paradoksalt, at kaos faktisk kan beregnes videnskabeligt, men det kan det. Kaosteorien beskriver, hvordan umiddelbart ubetydelige forskelle kan føre til store og uforudsigelige forandringer. Og det kan man bruge til at forudse mulige udviklinger inden for emner som økonomi, fysiologi, teknologi – og så naturligvis på det felt, hvor kaosteorien opstod: vejret.

Det fortæller statistikprofessor og nyvalgt præsident for Videnskabernes Selskab, Susanne Ditlevsen, om i et nyt afsnit af podcast-serien ’10 formler, der forandrede verden’.

Kunstigt vejrsystem introducerer os for kaos 

I 1961 har den britiske meteorolog og matematiker Edward Lorenz programmeret en simulation af jordens vejrsystem. Simulationen foregår inde i en kæmpestor computer, der brummer højlydt, mens den tygger sig igennem de svære beregninger. 

Løbende printes rækker af tal ud, der hver fortæller data om en dag i vejrsimulationen: Om temperaturen, mængden af nedbør, vindstyrke, soltimer. Alt det, vi kalder vejret. 

En dag har Lorenz bestemt sig for at få simulationen til at køre i endnu længere tid end normalt, for at kunne fremskrive vejret endnu længere frem i tiden. 

Han tilføjer nogle tal fra en tidligere vejrsimulation til hans programmering og starter den nye simulationen.

I starten ligner dagene dem fra den første simulation. Men hurtigt bliver de mere og mere forskellige, og til sidst er der ingen ligheder. En dag, der før var solrig og mild, er i den nye simulation stormfuld og kold. 

Lorenz er til at begynde med overbevist om, at der må være noget galt med computeren, fordi begge simulationer er programmeret med samme tal. 

Men efter noget tid finder han endelig ud af, hvad der er sket. Han opdager, at forskellen skyldes en mikroskopisk afvigelse på tre decimaler i de tal, computeren bruger til beregningerne.

Med det opdager han det, vi i dag kender som deterministisk kaos, der danner grundlaget for kaosteori. Det handler helt simpelt om, hvordan små, umiddelbart ubetydelige ændringer i begyndelsesbetingelserne i et system kan føre til store og uforudsigelige forskelle over tid. 

Sommerfugleeffekten 

Efter Lorenz opdager, hvordan hans vejrsimulation opfører sig kaotisk, begynder han at undersøge, hvad der skaber kaos. 

Det gør han ved at simplificere de lange ligninger, som han havde sat til at definere vejret i den simulerede verden. Han skærer mere og mere af, indtil han sidder tilbage med tre korte og relativt simple ligninger.

Forestil dig en kugle inde i et koordinatsystem. Den er styret af tre ligninger og bevæger sig rundt alt efter hvilke tal, der er proppet ind i ligningerne.

Hvis du sætter flere kugler ind i koordinatsystemet, følger de samme mønster i starten, men fjerner sig gradvist fra hinanden, indtil de danner helt forskellige baner.

Det er rent kaos. Men langsomt bliver det mønster, de tre kugler samlet set tegner, tydeligere og tydeligere. Og det mønster ligner en sommerfugl - heraf navnet sommerfugleeffekten 

Måske bemærker Lorens også sommerfuglestrukturen i koordinatsystemet, for i 1972 udgiver han den nu forskningsartiklen ’Kan en sommerfugls vingeslag i Brasilien skabe en tornado i Texas?’ der introducerer verden for kaosteori. 

“Det er så smukt, at han både har en sommerfugl i systemet, og så samtidigt formulerer han en sommerfugleanalogi for kaos i navnet til sin forskningsartikel,” siger Susanne Ditlevsen.

Kaos hersker overalt 

Lorenz artikel starter en flodbølge for forskning, da det går op for forskere verden over, hvor meget kaosteori faktisk kan forklare. 

“Det var ligesom at tage en prop af en flaske, så væltede det ud med forskning,” siger Susanne Ditlevsen, for kaos hersker på alle niveauer og i alle mulige afkroge af vores virkelighed. 

For eksempel bruges kaosteori til at analysere finansmarkeder, populationsdynamikker i naturen, uregelmæssige hjerteslagsmønstre, billedbehandling og meget mere.  

Klima er ved at blive kaotisk

Der, hvor vi hyppigst i dagligdagen er orienteret mod kaotiske udfald, er når det kommer til forudsigelsen af vejrudsigter. Ganske som kaosteoriens far Edward Lorenz beskæftigede sig med.  

Vejrsystemet er kaotisk, hvilket gør det svært at forudsige vejret mere end et par uger frem. Til gengæld har vi indtil nu haft nogenlunde let ved at give et ret kvalificeret bud på vejret lidt længere fremme, fordi vi kender til det generelle klima, som er mere stabilt. 

Men det er ved at ændre sig. De eskalerende klimaforandringerne gør, at også klimaet, ligesom vejrsystemet, er på vej til at fungere som et kaotisk system.

“Vi forstår ikke til fulde, hvordan klimaet kommer til at ændre sig, og det er det, der bliver et problem for fremtidens vejrforudsigelser,” siger Susanne Ditlevsen. 

}