Atmosfera ziemska to układ…

Atmosfera ziemska to układ bardzo dynamiczny, w którym wiele elementów wzajemnie na siebie wpływa. Stąd zachowanie podobne do chaotycznego – małe zmiany początkowych parametrów dają po pewnym czasie duże zmiany stanu. Dlatego też prognozowanie pogody jest ciężkie i ograniczone czasowo. Przypomina trochę zachowanie takich układów chaotycznych jak wahadło podwójne – sztywne wahadło zawieszone na drugim sztywnym wahadle, w którym ruch końcówki zależy od wzajemnych wpływów obu elementów a bardzo niewielkie zmiany wysokości wypuszczenia (czyli energii potencjalnej) dają duże różnice w trajektorii. Przewidzenie wartości kilku parametrów w konkretnym miejscu na ziemi to odpowiednik próby przewidzenia dokładnej pozycji wahadła podwójnego w konkretnej chwili. Do pewnego horyzontu czasowego obliczenia bazujące na pomiarach o ograniczonej precyzji, są wystarczająco zbieżne. Potem małe błędy w pomiarach generują tak duże rozbieżności modelu, że na prognozę na dalej niż 3-4 dni nie ma co patrzeć.

Jak na tym tle wygląda modelowanie klimatu? Otóż tutaj modelujemy właściwie uśrednione wartości brzegowe, a te są dużo prostsze obliczeniowo. Z jednej strony wahadło ogranicza jego maksymalna długość przy zupełnym wyprostowaniu, z drugiej całkowita energia kinetyczna ograniczająca maksymalną wysokość do jakiej może dotrzeć końcówka. Drobne różnice początkowej energii potencjalnej mają dużo mniejsze znaczenie w określeniu górnej granicy zasięgu, nie przesuwa się ona bowiem tak szybko ze zmianami energii. Dokładność naszego modelowania jest więc większa.
W ramach wyznaczonych wartości brzegowych możemy też określać rozkład prawdopodobieństwa stanów – określić w jakim obszarze końcówka wahadła przebywa przez 90% czasu, w jakim przez 5%, w jakim przez 1% czasu a w jakim znajdzie się ekstremalnie rzadko. Konkretne położenie wahadła, czyli dokładny stan układu, to odpowiednik pogody w danym miejscu i czasie. Maksymalny zakres zjawisk i prawdopodobieństwo znalezienia się układu w pewnym zakresie stanów, to klimat. A zmiany obu tych wartości, wywołane zmianami energii układu w czasie, to zmiany klimatu.
Ponieważ zmiany wartości granicznych i rozkładu prawdopodobieństwa w dużo mniejszym stopniu zależą od naszej niepewności pomiaru aktualnego stanu, to modelowanie ich ma dużo większą dokładność niż modelowanie konkretnego stanu.

Stąd paradoksalna sytuacja, gdy nie możemy powiedzieć jaka będzie temperatura i ciśnienie w Warszawie za 14 dni z akceptowalną dokładnością, ale możemy powiedzieć w której dekadzie Warszawa będzie doświadczała co roku 40 dni upalnych oraz jaka będzie średnia temperatura globalna w dekadzie 2080-90 z dokładnością do 0,5 K. Największą niepewnością w tym przypadku nie jest niedokładność modeli, tylko niewiedza ile dokładnie wyemitujemy gazów cieplarnianych do tego czasu, bo to jeden z tych ważnych parametrów początkowych.
#pogoda #klimat #ciekawostki #nauka #gruparatowaniapoziomu