Naturvidenskab
Læsetid: 9 min.

Tror du, en månelanding er svær? Så prøv at lave en vejrudsigt

Vejret er ikke bare grebet ud af den blå luft, men følger et sæt love og mønstre så komplekse og sammenvævede, at man bliver nødt til at smække flere videnskaber oven i hinanden, hvis man skal forudse noget som helst
Vejret er ikke bare grebet ud af den blå luft, men følger et sæt love og mønstre så komplekse og sammenvævede, at man bliver nødt til at smække flere videnskaber oven i hinanden, hvis man skal forudse noget som helst

Jesse Jacob

Moderne Tider
3. juli 2021

Det var ikke den mest optimale arbejdsplads, Lewis Fry Richardson havde fundet sig. Bag mudrede skyttegrave sad den britiske kvæker og gudsbenådede matematiker i regnvejr og snestorme og ventede på at blive sendt af sted med sin ambulance efter sårede soldater ved Første Verdenskrigs fronter.

Og mens han ventede, regnede han. Lewis Fry Richardson havde nemlig fået en idé: Han ville bruge matematik til at forudsige vejret.

Ideen var ikke ny. Den byggede på den norske meteorolog Vilhelm Bjerknes’ erkendelse af, at hvis blot man kendte til atmosfærens tilstand på et bestemt tidspunkt og til vejrets fysiske og matematiske lovmæssigheder, ville man være i stand til at udregne fremtidens vejr.

Som et eksperiment tog Lewis Fry Richardson udgangspunkt i én bestemt dag, hvor der var samlet en masse vejrobservationer: den 20. maj 1910. Ved at bruge de data for, hvordan vejret havde været klokken syv om morgenen, ville han via en række ligninger udregne, hvordan vejret så ville være klokken 13. Derefter var det bare om at sammenligne med de faktiske observationer og se, om han havde knækket koden.

Men det var tungt arbejde. Han blev nødt til at dele europakortet op i mindre felter og lave alle udregninger for hvert enkelt felt på en masse forskellige tidspunkter. Med papir og blyant. Uge efter uge gik, mens han regnede på sine ligninger, og krigen brød forstyrrende ind, så han på et tidspunkt under et slag ved Champagne med egne ord måtte sende sine papirer »tilbage i rækkerne, hvor de blev forlagt og først fundet nogle måneder senere under en bunke kul«.

Da han endelig blev færdig, sammenlignede han sine resultater med, hvordan vejret så rent faktisk havde været klokken 13 den 20. maj 1910. Og opdagede, at han havde fejlet eklatant. Der burde ud fra hans beregninger have været en storm, hvor der ingen var. Faktisk havde vejret været ret stabilt den dag.

Gennem hårdt, møjsommeligt arbejde var det således lykkedes ham at bevise noget af det mindst videnskabelige i verden – nemlig det gamle mundheld om, at det er svært at spå om vejret.

Men Richardsons arbejde viste for første gang, at det i princippet var muligt at sætte vejret på matematisk formel, og dermed var han med til at bane vejen for nye gennembrud.

Bevægelser i jordmaskinen

En lille flok meteorologer står på asfalten foran DMI’s store, kantede rødstensbygning på Lyngbyvej i København og sludrer løs, for de har ikke set hinanden længe. Og hvad taler meteorologer så om, når de mødes?

Om vejret, selvfølgelig.

»Det handler om idealgasligningen,« siger en fyr iklædt løbetøj, som er ved at forklare, hvorfor det er taktisk smart at løbe netop nu, selv om det er temmelig varmt.

For ved denne temperatur og luftfugtighed skal man simpelthen løbe gennem færre luftmolekyler.

En anden fortæller, at han er taget til instituttet for at se den delvise solformørkelse, som fandt sted tidligere på dagen, og så diskuterer de, hvordan solformørkelser ikke blot påvirker mængden af energi, som solpaneler kan levere, men faktisk også, hvor meget vindmøllerne snurrer.

»Det må så skyldes, at der er mere stabilitet i grænselaget?« siger en skægget fyr med en cykelhjem i hånden.

»Netop,« lyder svaret.

Manden med cykelhjelmen hedder Eigil Kaas og er både professor på Københavns Universitet og videnskabelig leder af Nationalt Center for Klimaforskning hos DMI, og vi mødes for at tale om to ganske grundlæggende spørgsmål: Hvad er egentlig vejr, og hvordan forudsiger man det?

For der er mange måder at tale om vejret på. Denne dag, hvor vi mødes, kunne i almindeligt hverdagssprog beskrives som lun sommerdag med en let brise og nogle tynde skyer på himlen.

For Eigil Kaas er det en årstidstypisk vejrsituation, hvor svage koldfronter kommer ind fra vest i forbindelse med et højtrykssystem, og hvor vinden er drejet om i vest, og himlen er delvist dækket af altostratoskyer.

Eller som han siger på en helt tredje måde:

»Det er smukt vejr.«

Vejret er ikke bare vejr. Vejr er videnskab – og at forudsige vejret er flere videnskaber oven i hinanden: fysik og matematik og computervidenskab og satellitteknologi lagt i lag i enormt komplekse systemer. Faktisk, siger Eigil Kaas, er det at lave en vejrudsigt en langt større videnskabelig præstation end at sende mennesker op på Månen.

Men før vi stiger ombord i den store vejrballon, så lad os lige få fat på det helt basale, nemlig hvad vejr er.

Vejret for begyndere

Dybest set er der kun to årsager til, at vi har vejr: solens stråler og de fysiske love. Stort set al energi på Jorden stammer fra solindstrålingen, der varmer landet og luften og havet op, men da Jorden både er rund og hælder og drejer rundt og har forskellige farver af hav, is, skov og ørken, bliver varmen ujævnt fordelt. Da lyset skinner direkte ind midt på kuglen, bliver der for eksempel varmere i junglen end på Nordpolen, og i det store regnskab er det sådan, at polaregnene afgiver mere energi til verdensrummet, end de får, mens der er overskud ved ækvator.

Derfor burde Jorden hele tiden blive varmere om maven og koldere i top og bund. Men det sker ikke, for ligesom andre systemer forsøger atmosfæren at bringe sig i ligevægt, og det er det, vi kalder vejr.

Normalt siger man, at vejret foregår i de nederste 10-15 kilometer af atmosfæren – den del, der hedder troposfæren. Men over de senere årtier er det blevet mere og mere klart for meteorologerne, at også hændelser i det næste lag – stratosfæren – vekselvirker med vejret længere nede.

Troposfæren er altså her, hvor vi mennesker lever og opholder os – ligesom det er her, hvor luften er tættest, trykket er højest, og stærke kræfter er på spil, når luften flyttes rundt.

En klassisk og forsimplet måde at opdele troposfærens luftstrømme på er i såkaldte celler, som danner nogle overordnede mønstre. Vi kan eksempelvis se på de såkaldte hadleyceller, som ligger ved ækvator.

Her midt på kloden samles fugtig luft, som kondenserer og bliver til skyer og regn. I den proces frigives en masse varme, som får luften til at stige til vejrs, hvor den breder sig ud mod nord og syd i stor højde. Langsomt afkøles luften, synker nedad, og som den nærmer sig jordoverfladen, vender den om og blæser hjem til ækvator.

På sin vej tilbage over oceanerne tager luften en masse vanddamp med sig, og fremme ved ækvator kondenserer vandet og frigiver en masse varme, og processen begynder forfra. Bevægelsen i cellen er altså, at luften flytter sig op og ned og frem og tilbage.

Men det er ikke alt.

Enhver, der har prøvet at gå udenfor ved, at vinden ikke altid kommer fra nord eller syd. Luften flytter sig ikke i lige linjer, den drejer og hvirvler og krøller i smukke buer og spiraler, som man kan se på satellitfotos og vejrkort.

Årsagen til det er, at Jorden drejer rundt. På grund af kugleformen bevæger Jorden sig hurtigere rundt på midten end i top og bund – ligesom en karrusel har mere fart på i kanten af pladen end i midten. Når luften så sætter sig i bevægelse mod nord eller syd, bevæger den sig ind over områder, der drejer rundt i et andet tempo end den selv, og derfor ser det ud, som om den afbøjer.

Det er ligesom, hvis man står inde på midten af en karrusel og kaster en bold mod en kammerat på en hest ude ved kanten. Hvis bare du kaster lige ud, vil bolden ramme bagved din makker, fordi han har flyttet sig i mellemtiden. Sådan gør luften også.

Vejret består altså af temmelig mange kræfter, der virker oven i hinanden. Indstråling, udstråling, temperatur og tryk og rotation og tyngdekraft, for at tage nogle stykker. At man kan lave det til en vejrudsigt, skyldes, at kræfterne kan beskrives gennem matematik.

Første gang professor Eigil Kaas opdagede det som ung, blev han stærkt begejstret. Nu, tænkte han, kan matematikken da virkelig bruges til noget. Der findes ligninger for det hele: bevægelsen fra højtryk til lavtryk, kendt som trykgradientkraften; påvirkningen fra rotationen, kendt som corioliskraften; tyngdeaccelerationen, der trækker luften ned; termodynamikkens love og reglerne om forskellige slags gassers opførsel i forskellige situationer, og sådan kunne man blive ved.

På bundlinjen står, at vejret drives af et kompliceret samspil mellem en masse kræfter. Man behøver ikke forstå ligningerne for at fatte, at det er svært at beregne. Sagt på matematisk har man at gøre med otte- eller nikoblede, partielle, ikkelineære differentialligninger, hvilket lyder cirka lige så svært, som det er.

»Enhver matematiker vil rive sig i håret og sige, at det kan man ikke løse analytisk,« siger Eigil Kaas.

»Og det kan man heller ikke.«

Men der findes måder at nærme sig det på, og manden, der først udtænkte en løsning, var ingen ringere end Lewis Fry Richardson – vores ambulancefører fra Første Verdenskrig.

En triumf for videnskaben

Da krigen var slut, vendte vores flittigt regnende helt tilbage til sit akademiske liv i Storbritannien og udgav et manuskript om sit arbejde med at indfange vejret matematisk. Selv om hans beregninger indledningsvis var slået grueligt fejl, vakte de stor interesse. Udregningerne var nemlig de første skridt i retning mod at bruge matematik til at forklare og forudsige vejret. Det var bare om at prøve igen. Indhente bedre observationer og forfine matematikken.

Der var dog også lige et meget praktisk problem: tiden.

Det krævede op mod tre måneders arbejde at lave de beregninger, der kunne forudsige vejret 24 timer frem, hvilket svækkede vejrudsigtens praktiske anvendelighed betydeligt. Hvis bare der var en måde at regne hurtigere på.

Richardson forestillede sig, at hvis man kunne samle 60.000 calculators i en stor koncertsal bemalet som et verdenskort, så kunne de hver især regne på ligninger for hver deres felt på landkortet og sende resultater frem og tilbage mellem hinanden.

Dengang var calculator ikke et elektronisk apparat, men en jobtitel til en rigtig person, som udførte beregninger. Det skulle altså være en stor hal, fyldt med mennesker, der sendte resultater til hinanden med papirfly og havde en dirigent stående inde i midten til at styre slagets gang og til sidst samle det hele i en færdig vejrudsigt.

Visionen var stor og nok lidt for fantastisk, og i praksis blev det aldrig til noget – eller det vil sige, det gjorde på en måde.

I mange år kunne man mærke levendegørelsen af visionen, når man gik langs de røde mure i DMI’s nordfløj. Uanset årstiden var der altid lunt, for et kæmpe køleanlæg pøsede varme ud i luften. Indenfor kørte en maskine, som krævede enorme mængder energi: en supercomputer, hvis kredsløb og noder udførte samme arbejde, som Richardson havde forestillet sig, at menneskerne i hallen skulle, nemlig at udregne vejret.

I dag er computeren placeret i Island for at kunne køre på jordenergi i stedet.

Omkring Jorden kredser satellitter og indsamler data om atmosfæren: tryk, temperatur, energiudstråling målt i 8.000 forskellige bølgelængder samt en masse andre indikationer på atmosfærens tilstand.

Der er så mange oplysninger, at man ikke fatter det. Til at lave de fælleseuropæiske modeller bliver der indsamlet oplysninger i et fintmasket net med ni kilometer mellem hvert punkt sat over hele kloden – og i 137 lag gennem atmosfæren. Alle disse data skal assimileres og køres ind i alle de mange ligninger. Egentlig er det hele bare en videreførelse af en over 100 år gammel erkendelse: at hvis man har et startpunkt og nogle fysiske love, så kan man beregne, hvad der sker i fremtiden.

Det er en triumf for videnskaben – en stor triumf faktisk – at meteorologer i dag kan forudsige vejret med temmelig stor nøjagtighed over en uge frem.

Samtidig har vejret også vist os modellernes begrænsning, for uanset hvor dygtige vi bliver til at observere og beregne, kommer vi næppe til at se vejrudsigter, der strækker sig mere end to-tre uger frem.

Det skyldes et forhold, som hedder kaos, og som vi skal se nærmere på i næste uge, hvor det skal handle om klimamodeller.

Kilder: Eigil Kaas, professor ved KU og leder af Danmarks Nationale Center for Klimaforskning ved DMI. ’En kort historie om næsten alt’ af Bill Bryson. ’Lewis Fry Richardson: His Intellectual Legacy and Influence in the Social Sciences’ af Nils Petter Gleditsch  ’The Discovery of Global Warming’ af Spencer Weart

Serie

Vi fortæller naturvidenskaben forfra

Naturvidenskaben er en nøgle til at forstå vor tids største udfordringer, fra corona- til klimakrisen, og dens historie er fyldt med fortællinger om usandsynlige gennembrud, vilde fejlskud og store erkendelser.

I denne serie ser vi året igennem på verden med videnskabens øjne for at forstå naturens komplicerede sammenhænge, og hvordan de former vores liv.

Hele serien findes også som oplæste artikler – du kan høre dem ved at klikke på afspilleren inde i selve artiklen.

Serien er støttet af Carlsbergfondet.

Seneste artikler

  • Du bliver hele tiden tændt og slukket – det hedder epigenetik, og uden det var du død

    18. september 2021
    Menneskets grundopskrift finder vi i dna’et. Men dna er ikke nok i sig selv – for at livet skal kunne udvikles i al sin variation, kræver det et styresystem. Noget, der sørger for, at de rigtige gener tændes og slukkes på de rigtige tidspunkter. Epigenetik, kalder man det, og da man for omtrent 25 år siden opdagede, hvor komplekst og dynamisk det er, fik forskerne virkelig travlt
  • Sådan ser det ud, når to videnskaber ryger i totterne på hinanden over lidt gammelt dna

    11. september 2021
    For et årti siden begyndte genetikere at trække fortids-dna ud af gamle knogler og komme med bombastiske konklusioner om menneskets forhistorie. Imens stod arkæologerne på sidelinjen og så, hvordan deres kundskab blev verfet til side. To meget forskellige videnskaber var på kollisionskurs
  • De kaldte det et dumt molekyle, men dna viste sig at være vores vigtigste arvegods

    4. september 2021
    Uden dna, intet liv. Ikke for os i hvert fald. Alligevel tog det videnskaben ekstremt mange år at finde frem til, hvad det egentlig er, der bærer vores gener, og hvordan dna-molekylet ser ud. For i bund og grund syntes man, at det var et alt for uraffineret molekyle til, at det kunne være nøglen til vores nedarvning
Følg disse emner på mail

Vores abonnenter kalder os kritisk,
seriøs og troværdig.

Få ubegrænset adgang med et digitalt abonnement.
Prøv en måned gratis.

Prøv nu

Er du abonnent? Log ind her

Morten Balling

I science fiction romanen "The Three Body Problem", af Liu Cixin, er der en beskrivelse af en computer lavet ud af "mennesker". Hundredevis af soldater udstyres med små flag de kan hæve og sænke, og dermed simulere en "bit", andre fungerer som logiske gates, ala hvis A og B har hævet flaget, så hæv selv flaget. Computeren har en CPU og en bus (soldater på hest som kan overføre information). Den enkelte soldats opgave er enkel, men samlet kan computeren beregne komplicerede modeller. Hvis en "bit" (soldat) fejler, dræbes den af kongen.

I bogen benyttes computeren til at beregne "The Three Body Problem", hvilket vil sige at forudsige tre stjerners indbyrdes bevægelse. Når vi ser på vejrudsigter, så kan hvert luftmolekyle betragtes som en "body", og så bliver modellen ekstremt kompliceret.

Lidt i forlængelse af artiklen om entropi, så har man i fysikken noget man kalder laminart flow og turbulent flow. Laminart flow er f.eks. det man kan observere når en vandhane løber med en jævn stråle. Alt vandet bevæger sig i samme retning med samme hastighed.

Turbulent flow er .f.eks. vandet bag ved en færge som lægger fra land. Alt vandet hvirvles, af skruen, rundt på en meget kaotisk og uforudsigelig måde. Hvis man tager den jævnt løbende vandhane og skruer helt op for vandet bliver vandstrålen mere urolig og mere turbulent. Overgangen fra laminar til turbulent har været kendt længe, men er stadig så meget et mysterie, at hvis man kan "forklare" overgangen matematisk, så kan man vinde en pris og en million dollar.

En af grundene til, hvorfor overgangen er interessant er at selvom entropien stiger i det samlede system når der opstår turbulens, så opstår der samtidig små lokale lommer hvor entropien falder. Det menes at dette er en del af forklaringen på, hvordan liv opstår:

https://youtu.be/GcfLZSL7YGw

Tror du en vejrudsigt er svær? Så prøv at lave en klimaforudsigelse

Morten Balling

@Peder Bahne

De to er meget forskellige. Hvis du ser på Jorden som et samlet system, og det gør de fleste fysikere f.eks., så er vejret noget som findes meget lokalt, og dermed har en mere kaotisk udvikling.

Hvis du derimod ser på sådan noget som den globale temperatur, så tager "The Law of Large Numbers" over. Alle de små lokale vejrfænomener bidrager til klimaet, men fordi et sted på planeten med temperatur over gennemsnittet opvejes af et andet sted med temperatur under gennemsnittet, så bliver resultatet at selve gennemsnittet udvikler sig meget lidt kaotisk, og yderst forudsigeligt.

Men, ja, en klimamodel kan være kompliceret. Ofte fordi man forsøger at undgå at overse noget væsentligt, og dermed prøver at imødegå diverse indvendinger. Overordnet set er der dog ikke meget som har ændret sig. Vi udleder for mange drivhusgasser. Koncentrationen af dem stiger i atmosfæren, som reflekterer mere og mere af den varme Jorden udstråler. Derved stiger temperaturen globalt.

Det som er indviklet, er hvorfor vi bliver ved, når vi ved hvor vi havner. Det findes der mange løse bud på.

slettet slettet

Mon ikke usikkerheden på klimamodellernes resultater viser lige så spredt fægtning efter 100 år som en vejrprognoses resultater viser 2 uger frem. Med mindre man selvfølgelig vedtager, at kende de parametre der alle gør sig gældende for udviklingen af den såkaldte globale middeltemperatur.

Erik Karlsen

"så har man i fysikken noget man kalder laminart flow og turbulent flow"

Morten,
du KUNNE jo også bare kalde dem for henholdsvis laminar strømning og turbulent strømning. De begreber findes og bruges også på dansk i stor stil.
Men hvis du insisterer på engelsk, så skal du lige fjerne "t" i "laminart"..... ;-)

Man bruger det dimensionsløse Reynolds tal til at beskrive (eller bedre: vurdere), om strømningen er laminar eller turbulent. Men det vidste du nok i forvejen.

Jesper Eskelund

Det er virkelig en fornøjelse at læse artiklerne i denne serie.
Tak for det.

Morten Balling

@Erik Karlsen

Flow er nu, så vidt jeg kan se, et helt almindeligt dansk ord.

https://ordnet.dk/ddo/ordbog?query=flow

Derudover: Al kommunikation er overførsel af information, i form af bits, fra én hjerne til en anden. Kommafejl, t på biord (eller mangel på samme), stavefejl mm. som ikke er meningsforstyrende er så tæt på 100% ligegyldige man kommer, for alle andre end dansklærere. I stedet for at fokusere på dens slags detaljer, bør man i stedet tilstræbe at bruge så få svære ord som muligt.

Ved tale er der en øvre grænse for hvor meget information man kan overføre pr. tid, og det samme gælder for skreven information. Samtidig vil noget af denne "båndbredde" gå tabt, fordi noget af det som transporteres er støj og ikke signal. Et ord som modtageren af informationen ikke kender, er stort set det samme som støj, og dermed forringes forholdet mellem signal og støj.

Hvis du vil have de slibrige detaljer:

https://en.wikipedia.org/wiki/Noisy-channel_coding_theorem

(Den tror jeg til gengæld du kendte).

Den maksimale mængde information som kan overføres via en given kommunikationskanal er derfor afhængig af hvor meget man skruer op for de "sjove" ord. Den eneste grund til at fyre hele bredsiden af nomenklatur af, er når man vil sætte andre på plads, og det er egentlig ikke særligt sympatisk (omend yderst effektivt).

På uni blev jeg på et tidspunkt opfordret til at skrue lidt op for "lix tallet". Det krævede én sætning i en opgave jeg skrev, før man holdt med at efterspørge den slags pjat, og i stedet prøvede at forstå det jeg skrev.

Såe deet... :)

Men, jeg vil stadig gerne vide hvordan turbulens (og dermed kompleksitet) opstår, sådan helt fundamentalt. De lokale lommer af lav entropi som herved også opstår, er super interessante.

Morten Balling

Apropos laminart og turbulent flow, og højt signal/støj forhold:

https://youtu.be/5zI9sG3pjVU

Jens Thaarup Nyberg

Almindeligt brugt er “ flow “ næppe, men udbredt i brug.

Jens Thaarup Nyberg

Turbulens opstår når det laminare bælte bliver for smalt i forhold til hastighederne i det laminare, og under hensyn til friktionen i mediet.