Det naturlige kaos

“Lichtenberg Figure” i svart pleksiglass. Kilde: http://www.capturedlightning.com

“Lichtenberg Figure” i svart pleksiglass. Kilde: http://www.capturedlightning.com

Vitenskap omhandler det som er komplekst og er såpass innviklet at det er lett å miste oversikten. Så, man leter etter fysiske størrelser som er konstante som f.eks. energi og tar disse som utgangspunkt. Dette høres enkelt og greit ut, som om det ikke er så vanskelig. Er det vanskelig? Vi kan ta et eksempel til.

La oss prate vær.

Det første og viktigste er at dette ikke handler om hvor dårlige meteorologene er, men hvor gode. Kvaliteten i værvarslingene har nemlig økt dramatisk i de siste tiårene og dette har veldig mye å gjøre med kvaliteten av såkalte numeriske metoder (pdf). Denne kvaliteten er direkte knyttet til kapasiteten av våre datamaskiner (og gode meteorologer som vet hvordan å anvende sin matematikk).

For å kunne forutsi været nøyaktig, trengs det mange forskjellige typer av informasjon; vindstyrker og -retninger, temperaturer og temperaturgradienter, fuktighet og mange andre ting. Og det er greit. Disse tingene kan vi måle med en værstasjon. Det er heller ikke noe problem at vi ikke bare burde måle på bakken men også opp i høyden så langt vi klarer. Vi kan bygge tårn. Vi har værballonger som vi kan slippe nesten kontinuerlig fra nesten overalt. Vi kan bruke fly, både bemannet og ubemannet, og til og med raketter for å få data vi trenger.

Vi er derimot også nødt til å ta hensyn til det som vises i denne videoen. Det ser for eksempel ut som om sand som er virvlet opp i luften over Nord-Afrika faktisk når helt fram til Nord-Europa, etter en liten avstikker til Karibia. Det er altså snakk om globale vinder som varierer i styrke og retning ikke bare med høyden, men også med årstidene.

Se på videoen igjen i lenken over. La du merke til alle de småstrukturene som befant seg i utkanten av de store luftstrømmene? Det er ikke bare store, globale vinder man ser i denne videoen, men også små lokale luftbevegelser av alle størrelser som kan løses opp på kartet.

Neste steg er å se på kartet over den nordlige delen av Andøya. Vinden der er normalt sett mest voldsom når den kommer fra vest eller sørvest i en storm. Selv om vinden i en storm er sterk overalt er den rart nok sterkest på lesiden til øst for fjellene. Den blir faktisk så sterk der at den av og til kan blåse biler av veien.

Tygg på det i en liten stund.

Så tenk på at det kanskje ligger et lag med forhøyet fuktighet i luften et sted, som absorberer mye infrarød stråling fra jordoverflaten og varmer luften opp litt ekstra. Eller at det propagerer en trykkbølge gjennom området som kan tappes for litt av sitt energi som da varmer opp luften rundt litt ekstra. I tillegg kan det være lokale konveksjonsstrømmer, gjerne kalt termikker, som for eksempel ørna bruker for å stige. Med andre ord er det rimelig sikkert at naturen ikke alltid får lov til å balansere ting ut før andre nye ting skjer.

Skal vi fortsette? La oss nå si at vi sitter bak en knaus inne i en dal på lesiden av fjellkjeden på Andøya og sjekker yr på mobilen …

Det er fristende å klage på værvarslingene, for dette burde i grunn ikke være så komplisert: Et sted er det lavtrykk. Et annet sted er det høytrykk. Naturen liker å balansere ting ut, så luften vil flyte fra høytrykk til lavtrykk. Det kaller vi for vind. Også det at Corioliskraften kommer med inn og det blir soner med sirkulær flytende luft rundt høy- og lavtrykk går det an å bli vant med rimelig raskt dersom man har lest litt fysikk.

Som antydet ovenfor, er de enkelte prosessene ikke vanskelige. Men å sette alle brikkene sammen har ikke vi kapasitet til å gjøre. Vi skulle jo egentlig ha beregnet bevegelsen til enhver luftmolekyl og det kan vi faktisk også i prinsippet med stor nøyaktighet med hjelp av kvantefysikken. I prinsippet. Det er etter noens estimeringer rundt 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 partikler i jordas atmosfære. Nei, dere trenger ikke å telle. Det er 44 nuller der. Skal vi beregne bevegelsene til alle disse partiklene og vekselvirkningene mellom disse?

Det har vi ikke tid til. Per i dag, er det ikke feil å si at Andromedagalaksen hadde kollidert med Melkeveien før vi hadde blitt ferdig med dette regnestykket på den raskeste superdatamaskinen. Vi hadde heller ikke rukket å bli ferdig før vi hadde blitt svelget opp av en rød gigant.

Når det er slik kaller fysikere og matematikere det for kaos. Og det er ikke det samme som tilfeldighet. I kaos finnes det kausale sammenhenger. Når ting er tilfeldige er de, tja, tilfeldige.

Men forskere hadde ikke vært forskere hvis de hadde gitt seg så enkelt. I matematikken finnes det et fagfelt som heter kaosteori. Her studeres det «dynamiske systemer som er meget sensitiv til initialbetingelser». Oversatt betyr det at man forsker på ting som kan forandre seg stort fordi et lite element av saken forandrer seg. En mer korrekt definisjon finnes her.

Hvordan forsker man på kaos? Man prøver å finne regelmessigheter i kaoset, ting som kan utnyttes for å gjøre mer tilgjengelig det som ser ut å ikke kunne nås. Og ja, det finnes regelmessigheter i det naturlige kaoset som omgir oss, som er ganske spennende, blant annet noe som heter self-similarity.

Er det det samme som å finne «orden i kaos»? Nei. Det handler om å finne svar på spørsmålet om hva som er konstant. I dette tilfellet er det en egenskap av det fysikalske systemet vi ser på, som forplanter seg gjennom hele prosessen. Og det er dette som er konstant, ikke nødvendigvis en klassisk fysikalsk størrelse. Ett av mange eksempler på dette er lyn.

Bilde 2: Lyn. Også denne følger kaotiske prinsipper når den bygger seg opp. Kilde: NOAA (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b1/Lightning_hits_tree.jpg)

Bilde 2: Lyn. Også denne følger kaotiske prinsipper når den bygger seg opp. Kilde: NOAA (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b1/Lightning_hits_tree.jpg)

Merkelig, eller hva? Meget mye i naturen, fra lyn og hvordan grenene i et tre utformer seg, til været rundt oss ser ut til å følge prinsippene som står for kaos.

Det er ikke enkelt å tilnærme seg naturen på denne måten. Det kan argumenteres for at de som driver med finne ut av været, meteorologene altså, er best til å håndtere kaoset og dra gode konklusjoner ut av det som skjer.

Hvordan gjør de det? Ja, nettopp gjennom å ta alt av informasjon de klarer å få tak i, og prosessere det gjennom matematiske likninger som stadig vekk blir mer nøyaktig fordi kapasiteten til superdatamaskinene blir stadig vekk kraftigere og tillater bruk av mer komplekse og komplette likninger. Men nøyaktig i den forstand vi bruker ordet i dagliglivet er det hele ikke.

Det vil det kanskje aldri være. For, til syvende og sist, så kan det se ut som om kaos er bare naturens «naturlige» tilstand.

(Takk til Ørjan Hoyd Vøllestad)


_tUzmqJUAlexander er fysiker, lærer og vitenskapsformidler som for tiden er ansatt ved det Nasjonale senteret for romrelatert opplæring ved Andøya Space Center. Han jobber også i Nordic ESERO. I hans tilfelle overlapper jobb og fritidsinteresser, mildt sagt, en god del, og det er han ganske så glad for. Men det betyr også at man burde poengtere at innholdet på denne bloggen er privat. Du kan følge Alexander på Twitter, Facebook og Google +.

Advertisements

2 reaktioner på ”Det naturlige kaos

  1. Ping: Kaffepauseprinsippet | EduGalaxen

  2. Ping: Det planetariske grenselaget | EduGalaxen

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s