يكي از ماجراهاي جالب در پيشرفت
علوم ايده اي است كه به اثر پروانه مشهور است. بر طبق اين اثر آب و هوا به
تغييرات جزيي و كوچك چنان حساس است كه جنبش شي ريزي مانند بال زدن يك پروانه
در كشور برزيل، مي تواند گردباد عظيمی را در تگزاس پديد آورد. هر چند كه اين
نكته امروزه در مكالمات روزمره مردم عادي زياد استفاده مي شود اما بايد اذعان
داشت كه براي سهم اين اثر در پيشگويي وضعيت آينده آب و هوايي تا حد زيادي
اغراق شده است. جوي كه ما را احاطه كرده است از 5 ميليون ميليارد تن هوا و
بخار آب تشكيل شده و به صورت لايه نازكي كره زمين را احاطه كرده است.
امروزه پيش بيني وضعيت آب و هوايي يكي از شغل هاي مهم
در سياره ماست. طبق اظهار نظر سازمان جهاني هواشناسي، پيش بيني هاي صحيح آب و
هوا در هر سال حدود 80 ميليارد دلار اقتصاد جهان را تقويت مي كند.
هر بار كه برنامه پرواز يك هواپيما لغو مي شود حود
80000 دلار و هر بار كه مسير پرواز يك هواپيما منحرف ميشود 300000 دلار خسارت
وارد مي شود.
اما مي توان با پيش بيني صحيح وضعيت آب هوايي از ايجاد
اين موقعيت هاي ناخواسته جلوگيري كرده و در نتيجه در مبالغ ياد شده فوق صرفه
جويي به عمل آورد.
پيش بيني هاي آب و هوايي از طريق دانش روز احتمالاً از
سال 1913 توسط لوئيس فري ريچاردسون رياضي دان فيزيكدان صلح طلب آغاز شد. يك
سال بعد جنگ جهاني اول آغاز شد ولي او حتي در اين شرايط نيز در جست وجوي راهي
براي تحقق بخشيدن و بارور كردن روياهايش بود و در آن وضعيت بحراني نيز از
نقشه هايش دست نكشيد.
وي به عنوان راننده آمبولانس در ارتش فرانسه نام نويسي
كرد. وي در اوقات فراغت خود با استفاده از قلم و كاغذ ده ها هزار محاسبه پر
زحمت آب و هوايي را انجام داد. چهار سال پيش تر يعني در 20 ماه مه 1910 يك
هواشناس نروژي اطلاعات آب و هوايي را همراه با جزئيات كامل در مورد منطقه اي
در آلمان منتشر كرده بود. ريچاردسون از آن جايي كه مي دانست نتايج آب و هوايي
چه بايد باشد، تلاش كرد تا مدل رياضي اي را ابداع نمايد كه بتواند با موفقيت
از اين داده ها براي پيش بيني آن چه كه در عمل روي مي دهد، بهره بگيرد اما وي
هرگز نتوانست مدل خود را به طور كامل توسعه داده و از آن ها بهره برداري
نمايد.
به نظر خود وي اين عدم توانايي به خاطر در اختيار
نداشتن اطلاعات كافي بوده است. براي آنکه وضعيت آينده آب و هوايي با دقت پيش
بيني شود، وي پيشنهاد كرد سطح كره زمين به ده ها هزار قسمت كوچك تقسيم شود و
سپس اطلاعات آب و هوايي از هر قسمت تا حد امكان جمع آوري گردد. جزئيات اين
روش در كتاب اول او به نام «پيش بيني وضعيت آب و هوا توسط فرآيندهاي عددي» كه
در سال 1922 به چاپ رسيده ذكر شده است. متاسفانه انجام اين محاسبات رياضي
توسط قلم و كاغذ بسيار وقت گير و تقريباً غير ممكن است.
اما بعد از جنگ جهاني دوم علم و فناوري به شدت پيشرفت
كرد. با اختراع رايانه مشكل محاسبات رياضي نيز حل شد. در سال 1950 جان فون
نيومن يكي از پيشگامان محاسبات پيشرفته، پي برد كه كامپيوترهاي وي آن قدر
سريع هستند كه بتوانند مسئله آب و هواي ريچارد سون را حل كنند.
در سال 1953 كامپيوتر ENIAC در دانشگاه پرينستون
معادلات ريچاردسون را حل كرد و پيشگويي هاي نسبتاً موفقيت آميزي را در مورد
وضعيت آب و هوايي انجام داد و بدين ترتيب عصر پيش بيني علمي آب و هوا آغاز
شد. امروز ما شبكه گسترده اي از ايستگاه هاي هواشناسي مهم را بر روي زمين،
سكوهاي شناور در سطح دريا، هواپيماها و بالن هايي در هوا و ماهواره هايي در
فضا داريم كه وظيفه همه آنها جمع آوري اطلاعات مفيد براي تغذيه اين مدلهاي
پيچيده رياضي جهت پيش بيني وضعيت آب و هوايي است. اما در سال 1972 ادلورنز كه
هواشناس موسسه تكنولوژي ماساچوست بود اظهار داشت كه احتمالاً امكان ندارد
بتوان دقيقاً وضعيت آب و هوايي را پيش بيني كرد. وي اولين كسي بود كه نقش بي
نظمي را در حد سياست مربوط به آب و هوا خاطر نشان كرد و با مثال بال زدن
پروانه در برزيل شهرت يافت. در حقيقت اصطلاح اثر پروانه را او ابداع كرد.
اكنون نكته بسيار مهمي پيش مي آيد. بر اين اساس اين
نظريه، بي نظمي خطا از مقدار كم شروع مي شود و به مرور بيشتر شده تا نهايتاً
ميزان خطا واقعاً بسيار زياد مي شود. اما واقعيت اين است كه در مورد پيش بيني
آب و هوايي وضعيت اين گونه نيست زيرا در محاسبات مربوط به آب و هوا خطا به
سرعت زياد شده و سپس كاهش مي يابد، از اين رو غالب خطاهايي كه در محاسبه روي
مي دهد، با نظريه بي نظمي مرتبط نيست.
اين مسئله به شدت ذهن ديويد ارل، رياضيدان كالج لندن را
به خود مشغول كرد. او و بقيه دنباله روهايش در اين مورد تحقيق مي كردند كه
اگر مدل هاي رياضي واقعي كه هواشناسان براي پيش بيني آب و هوا استفاده مي
كنند، اشتباه شود، چه اتفاقي رخ خواهد داد. آنها نظريه جديدي را ابداع كردند
كه توانست دقيقاً پيش بيني كند اگر يك مدل اشتباه شود، چگونه ميزان خطاها به
مرور زمان افزايش خواهد يافت.
در حقيقت اين خطاها از «قانون رشد مرتبه دوم» پيروي مي
كنند، يعني اين خطاها در ابتدا با سرعت زيادي رشد ميكنند و بعد از گذشت چند
روز مجدداً از ميزان آنها كاسته مي شود. خطاها در پيش بيني وضعيت آب و هوايي
اين گونه عمل مي كند.
به عبارت ديگر طبق نظريه ديويد ارل چيزي كه ما را از
رسيدن به حد سياست درست در مورد وضعيت آب و هوايي فراتر از سه روز باز مي
دارد، اثر پروانه نيست بلكه خطاها در مدل است.
تئوري ارل نمي تواند مشخص كند كه خطا واقعاً در كجا روي
مي دهد بلكه فقط تاييد مي كند كه خطا وجود دارد. اگر رياضيدانان و هواشناسان
با همكاري يكديگر بتوانند مدل هاي بهتري را براي وضعيت آب و هوا مطرح كنند،
مي توانند گستره پيش بيني وضعيت آب و هوايي را افزايش داده و مثلاً تا يك
هفته را پيش بيني كنند. اثرات بي نظمي براي پيش گويي هاي بيش از يك هفته خود
را نشان مي دهد.
ممكن است گفته هاي ديويد ارل درست باشد يا نباشد، ولي
حتي اگر گفته هاي وي صحيح باشد، هواشناسان نبايد نگران شوند. هر چه باشد بايد
بپذيريم تلاش براي مدل رياضي وار پيشگويي وضعيت 5 ميليون ميليارد تن اتمسفر و
بخار آب سرگردان و سركش احتمالاً يكي از مشكل ترين مسائل محاسباتي است كه
تاكنون در تاريخ محاسبات بشري وارد شده است. با اين همه تنها چيزي كه در مورد
آن مطمئن هستيم اين است كه وضعيت آب و هوا هميشه موضوعي براي گفت و گو و بحث
كردن انسان است.
منبع : رنگين كمان
