اكتشاف نظرية طبيعة الأرصاد الجوية - The Nature of the Atmosphere

سنة الاكتشاف: 1960م

ما هذا الاكتشاف؟

• يعد الجو فوضويًا (مشوشاً) ولا يمكن التنبؤ به

من المكتشف؟

• إد لورينز Ed Lorenz

لماذا يعد هذا الاكتشاف ضمن المائة العظمى للاكتشافات؟

کشف إد لورينز الغطاء عن نظام غير خطي معقد متداخل الاعتماد من المعادلات التي تصف الحركة الحقيقية للجو. فقد أظهر بأن النماذج الجوية تعتمد على الظروف الأولية والحدية (البيانات الابتدائية) التي يمد بها النظام بحيث تؤدي حتى التغيرات المتناهية الصغر ظاهرياً إلى تغيرات كبرى في النظام. بتعبير آخر، عندما ترف فراشة بجناحيها فوق بكين فإن النماذج قد تنبأ بوضوح بأنها ستغير الجو في نيويورك، مع أن الجميع يسلم بعدم إمكانية حدوث هذا.

لم يكتشف لورينز كيف يمكن وضع تنبؤات طويلة المدى، ولكن القوى التي تجعل من هذه التنبؤات غير ممكنة. بعدها اكتشف نظرية الفوضى- دراسة النظم الفوضوية والغير المتوقعة. يكتشف العلماء الآن أن العديد من النظم الطبيعية والحيوية والبيئية يمكن فهمها على النحو الأفضل بالاستناد على نظرية الفوضى قياساً بالأشكال التقليدية للتحليل.

 كيف جاء هذا الاكتشاف؟ 

امتلاك جهاز للكومبيوتر كان شيئاً من الجدة والغرابة في عام 1958م ما يكفي لأن يكون مصدر جذب وإغراء للعديد من أعضاء إدارة معهد ماساشوسيتس للتكنولوجيا وطلابه، ممن قاموا برحلات وزيارات إلى مكتب إد لوریر Ed Lorenz لمجرد رؤية عمل هذا الشيء. لكن ما لبثت الإثارة بإمتلاك هذا السبق العلمي أن تحولت إلى يأس مریر بالنسبة لصاحبها.

وضع لوريتر مجموعة من المعادلات للعمل كنموذج رياضي لحركة وسلوك العصف الجوي. لاحظ أن تغيرات طفيفة في الظروف البادئة للنموذج سرعان ما أدت إلى تغيرات ضخمة في المحصلة. كانت الإختلافات الطفيفة البادئة تتضخم دائماً على مر الزمن، بدلاً من التضاؤل أو الإستقرار عند حد طبيعي معين.

لو كان الجو الحقيقي يتصرف على غرار نماذج لورينز، فإنه قد أثبت تواً إستحالة التنبؤ الطويل المدى للطقس طالما أن الظروف البادئة غير معروفة أبداً بالدقة الكافية للحيولة دون وقوع خطأ فوضوي مضخم. إنه لشعور مقلق وخانق أن تتاجر بإثارة العثور على أداة بحثية جديدة مقابل يأس إثبات أن میدان عملك كان معاباً ومحالاً من أساسه.

عندما دخل إد كلية دارتماوث عام 1934م، كان قد عقد عزمه على أن يصبح رياضياً منذ فترة طويلة. فتخرج حاملاً شهادة البكالوريوس في الرياضيات عام 1938م ودخل جامعة هارفارد لتكملة دراسته. مع إندلاع الحرب العالمية الثانية، إنضم لورينز إلى السلك العسكري الجوي الذي عينه لحضور دروس الأرصاد الجوية العسكرية بمعهد ماساشوسيتس للتكنولوجيا.

تعلم لورينز هناك أن يعتبر الطقس مجموعة مؤتلفة من الكثافة، الضغط، الحرارة، سرع الرياح الثلاثية الأبعاد، إضافة إلى المحتوى الغازي والسائل والصلب للغلاف الجوي. المعادلات التي تصف هذه المجموعة من المتغيرات تحدد الظروف الراهنة للطقس، أما نسب التغير في هذه المعادلات فتحدد الأنماط المتغايرة للطقس.

ما لم يتعلمه لورينز، واكتشفه بعد ذلك بفترة طويلة، أن لا أحد عرف كيف يستخدم معادلات الأرصاد الجوية الغير الخطية والديناميكية هذه ليتنبأ بالطقس بشكل واقعي، وأجمعت الغالبية أن ذلك غير ممكن التحقيق. لقد كانت المعادلات معقدة جداً وتطلبت الكثير من البيانات الأولية والحدية.

حاول لورینز تطبيق المعادلات الدينامكية للتنبؤ بحركة العواصف. نظراً لأن الكومبيوترات لم تكن متوفرة بكثرة في بدايات الخمسينات من القرن العشرين، فإن معظم عمله كان منجزاً على السبورات وبمساطر الحساب والورق وقلم الرصاص. كان كل حساب يستهلك الكثير من الوقت ومملاً للغاية، فلم يتمكن لورينز من الوصول إلى أية نتائج معقولة خلال حسابه اليدوي لهذه المعادلات.

في عام 1958م، حصل لورينز على كومبيوتر رویال-مكي إل جي بي- 30 (بحجم منضدة كبيرة تقريباً) لتطوير مجاميعه من المعادلات الديناميكية الغير الخطية النموذجية.

أظهرت نتائج هذه التشبيهات الكومبيوترية بأن إختلافات أولية صغيرة كانت تتضخم بمرور الزمن، عوضاً عن الرجوع للوضع الاعتيادي بالتدريج. لو كان النموذج صائباً، فالطقس إذن فوضوي بطبعه ولا يمكن التنبؤ به.

بضع سنوات من الاختبار أقنعت لورينز وآخرين من قسمه بصوابه وصحة نموذجه. فالطقس كان فوضوياً بدلاً من أن يكون نظاماً ممكن التنبؤ به ( كنظام التفاعلات بين المواد الكيميائية الغير العضوية، أو السحب التجاذبي). 

أصبح الدافع لاستعمال أداة جديدة التكملة مشروع قديم واحداً من أعمق الاكتشافات التي شهدها علم الأرصاد الجوية. سيظل لورينز معروفاً بأنه الشخص الذي اكتشف الجو على طبيعته الحقيقية واكتشف بالتالي حدود الدقة للتنبؤ بالطقس.