Káosz az időjárásban
Három hete mindenki biztos volt a fehér karácsonyban; másfél hete ugyanennek az ellenkezőjében. Végül zivatarok jellemezték az ünnepeket.
Igaz ami igaz; nem csak az Időkép, hanem szinte valamennyi meteorológiai portál, TV vagy egyéb média megesküdött volna, hogy a fehér karácsony a legvalószínűbb; néhány nappal később pedig pont ennek az ellenkezőjéről érkeztek híradások. Pedig általában nagy tudású, egyetemet végzett kutatók, fizikusok és meteorológusok figyelik a légkör legapróbb rezdüléseit is. Hogyan változhatott a helyzet ilyen gyorsan? Miért nem tudjuk még egy hétre sem biztosan előre jelezni, hogy lesz-e hó, fagy, jégeső vagy zivatar?
Zárt és nyílt rendszerek
A időjárást akkor lehetne (talán) teljes bizonyossággal előre jelezni, ha az azt alakító tényezők zárt rendszert alkotnának. Vagyis, ha egy olyan tér-idő kontinuumban körülhatárolt folyamat struktúráról beszélhetnénk, amire semmilyen külső tényező nem gyakorol hatást. Zárt rendszerekben mindent olyan könnyű kiszámolni; a hatások ellenhatást váltanak ki; a hideg levegő lefelé süllyed, a meleg felfelé áramlik, ha összekeverednek, akkor valószínűsíthetjük a kicsapódást és az esőt, havat vagy jégesőt/ónos esőt, és a szuperszámítógépek korában mindez annyira magától értetődőnek tűnik. Vagy mégsem?
Perpetuum Mobile
Az örökmozgót (mint kifejezést) majdnem mindenki félreértelmezi, bizonyos értelemben még a fizikusok is. Sokan úgy gondolják, hogy az "örökmozgó" kifejezés - azon túl, hogy nem létezik - egy olyan berendezést takar, ami véges-végtelen képes mozogni, és akár energiát is termel eközben. Egyik sem igaz.
Először is, nem igaz, hogy örökmozgó nem létezik. Csak azért tűnik így, mert minden, téridőben jól körülhatárolt rendszer legalább annyi energiát ad le, mint amennyit felvesz; ha egy lendkereket felgyorsítunk, egy darabig meghajt egy rendszert, majd a közegellenállás miatt szépen lelassul, és ha újabb energiát nem viszünk bele, akkor megáll. Amíg viszont mozog, addig legalább annyi (sőt, pontosan annyi) többlet-energiát ad le fény, hő , elektromos áram, stb. formájában, amennyit belevittünk (vagy amennyit eleve tartalmazott). A leadott energiát a környezete veszi fel (ami akár egy fényévekre lévő galaxist is jelenthet);ami éppúgy kénytelen a felvett energiát visszaadni. Úgy is fogalmazhatunk, hogy a perpetuum mobile (örökmozgó) nem létezik, ha egy téridőben behatárolt rendszert vizsgálunk; ha viszont a világegyetem egészét tekintjük, akkor csak és kizárólag örökmozgók léteznek.
A determinizmus elve
Laplace, Maxwell és a korabeli fizikusok és filozófusok nagy része a newtoni mechanikából kiindulva azt hitték, hogy ha egy adott pillanatban ismernénk a világegyetem valamennyi elemi részecskéjének állapotát (helyzetét és sebességét), akkor - elméletben - ki lehetne ebből számolni valamennyi múltbeli és jövőbeli időpontot teljes részletességgel, akár ezer évekkel előre, a jövőbe, vagy vissza a múltba. A 20. században Heisenberg volt az, aki rámutatott, hogy elvi okok miatt képtelenség egyidejűleg pontosan meghatározni egy elemi részecske helyzetét és sebességét, már csak azért is, mert maga a mérés is eltorzítja az eredményt.
Az időjárásban ezt elég könnyű szemléltetni; általános iskolai tananyag, hogy a hőmérő nem a környezet, hanem a saját hőmérsékletét méri. Saját hő tehetetlenségével viszont - nagyon-nagyon kicsiny részben - de maga is alakítja környezete hőmérsékletét. Ugyanez igaz a szélmérőkre (még inkább a szélerőművekre) - lapátjaik forgásával végső soron turbulenciát keltenek az egyébként "egyenes" szélben, eltorzítva a valóságot. Majdnem pontosan azt mérik, de nem teljesen. Mindeközben ráadásul meg is változtatják azt.
Levegő-óceánban élünk
Már-már közhely, de az egyik legfontosabb oka az időjárás kiszámíthatatlanságának az, hogy még közelítőleg sem tudjuk meghatározni a pillanatnyi állapotot, vagy kiindulási feltételeket, mivel nem állnak rendelkezésünkre megfelelő sűrűségű és gyakoriságú mérések sem térben, sem időben. Az időjárás ugyanis nem síkban történik, hanem legalább három tér- és plusz egy idődimenzióban; vagyis egy olyan téri-idő kontinuumban, aminek mi csak egy lecsapódási felületét érzékeljük, méghozzá a földfelszínen, ahol élünk. A meteorológiai méréseink 99%-a a földfelszínen zajlik, miközben az időjárást ténylegesen alakító tényezők döntő része a légkör magasabb rétegeiben, illetve az óceánok mélyén rejtőzik; sőt, talán még azon is túl, mindkét irányban.
A hullámok alatt és a szférákon túl
A legtöbben közülünk, akik elég felvilágosultak az időjárási rendszerek jellegét illetően, általában az atmoszférában (légkörben) zajló folyamatok (magassági szelek, párolgás, felhőképződés, kicsapódás, stb) eredményének tekintik az általunk érzékelt időjárást. A helyzet azonban az, hogy a meteorológia ennél is sokkal-sokkal bonyolultabb, komplexebb, és határok nélküli rendszer. Nem ér ugyanis véget a világűr határán (felül), vagy a tengerszinten sem (alul). Az időjárás olyannyira nyílt rendszer, hogy a Naprendszerben, a világűrben, az óceánok mélyén és a földkéreg izzó, folyékony magmával töltött részeiben zajló folyamatok is messzemenőkig hatással vannak rá. Ezeket vizsgáljuk most meg röviden, néhány szóban összefoglalva jelentőségüket.
Az űr-időjárás
Ez egy igencsak újkeletű, XX. századi fogalom, amely körülbelül az első szputnyik, vagyis az űrhajózás korával egyidős. A gyakorlatban azokat a környezeti tényezőket foglalja össze, amelyek forrása Napunk, a Galaxis, vagy a világűr távolabbi részei, és - közvetlenül vagy közvetve - hatással lehetnek földünk időjárására, illetve technikai eszközeink működésére.
Az űr-időjárás (számunkra) legfontosabb szereplője a Nap, amely korántsem állandó, fényt és meleget sugárzó égitest, ahogyan sokan gondolnák. A Nap rendkívül bonyolult égitest, ahol a mágneses viharok, a pólusváltások, a foltok és korona-kitörések nagyon is változatos, sokszor extrém jelenségeket produkálnak. A Nap aktivitási ciklusa kb. 11 évente ismétlődik, tehát 11 évente váltják egymást a nyugalmasabb és a mozgalmasabb időszakok. A napszél (a Napból kiáramló, töltött részecskék), amelyek a nagyon látványos északi fényt is okozzák, a korona-kitörésekkor hihetetlenül felerősödhet. Ha ezek találkoznak a Föld hasonló mezejével, akkor mágneses viharok alakulhatnak ki, a távközlési műholdak veszélyeztetésén túl jelentős mértékben befolyásolva az ionoszféra állapotát (ezzel együtt az ózonréteg minőségét is, amely megvéd minket az UV-B és UV-C sugárzás rendkívül veszélyes hatásaitól). Természetesen, ha a légkörön több UV sugárzás hatol át, az óriási változásokat eredményezhet a tengerek, óceánok, de még inkább a földfelszín és a sivatagok felmelegedését illetően is.
A habok mélyén
Kevesen gondolnák, de a időjárás egyáltalán nem csak felettünk, és/vagy a föld felszínén zajlik; még csak nem is a világűrben, a Naprendszerben vagy a Tejútrendszerben. A Föld időjárásának döntő részét legalább annyira a tengerek és óceánok, mint a légköri folyamatok irányítják.
A Föld felszínének 2/3-át víz borítja, méghozzá nem is sekélyesen. A legtöbb helyen a víz mélysége meghaladja az 1000 métert, vagyis az 1 kilométert; a legmélyebb pont pedig 11 kilométerrel, vagyis 11 ezer méterrel fekszik a hullámok alatt. Ez a vízmennyiség elképzelhetetlen, hatalmas hőtartalékokkal és hőmérsékleti tehetetlenséggel rendelkezik; ha hirtelen megfagyna a teljes légkör, az óceánok még hetekig, vagy alsóbb rétegeik hónapokig, évekig kitartanának. (Megjegyzés - A Jupiter egyik holdja, az Európa, vélhetőleg évmilliók óta létező folyékony, ám jégréteg takarta óceánt rejteget, amelyben akár az élet valamilyen kezdetleges formája is elképzelhető).
A tengeráramlatok óriási mennyiségű hőenergiát továbbítanak, amelyek végső soron befolyásolják a párolgást, a felhőképződést, így a csapadék és a viharok, extrém időjárási jelenségek kialakulását még messze-messze a szárazföld, azaz a kontinentálisnak tekintett éghajlati zónák határain belül is. Így a tengerek vízminőségének állapota legalább olyan fontos tényező, mint a légkör vagy az űr-időjárás.
Szökőárak, cunami, magma és a vulkánok
A földfelszín, illetve a tengerek vízalatti domborzatának alakulási folyamata egyáltalán nem ért véget, sőt, ma is nagyon aktívan zajlik. Bolygónk mélyén rejlő izzó magma (folyékony, több ezer fokos kőzet és vasérc) végső soron éppolyan időjárási tényezőnek tekinthető, mint az óceáni áramlatok vagy a légkör folyamatai; Az egyetlen különbség, hogy ezekkel szerencsére ritkán találkozunk, mivel igen pusztítóak (legutóbb 2004 decemberében, amikor Ázsiában több százezer ember életét oltotta ki egy heves, megállíthatatlan áradat egy tenger alatti földrengés következtében). Évszázadokkal ezelőtt a közeli Olaszországban Pompei teljes városát temette maga alá egy vulkánkitörés, amely egyúttal a légkör magasabb rétegeiben szétterjedve több évre szinte nukleáris telet okozott; ennek éppen az ellentéte zajlik szinte észrevétlenül, akár több ezer méter mélyen a tengerfenéken, amikor óceáni hátságokon kifakadó forró magma találkozik a szinte fagyott tengervízzel, hatalmas mennyiségű termodinamikai energiát adva át a közegnek.
Az időjárási modellek alapvető problémái
Mint azt már több cikkünkben is olvashatták érdeklődő nézőink, az időjárási modellek alapvetően semmi mást nem tudnak felhasználni a jövő kiszámításához, mint a pillanatnyi mért adatokat. Ezeknek viszont 99 %-a a földfelszínen található, alig-alig a magasban vagy a tengerek mélyén.
Tény és való, hogy majdnem minden ország - így hazánk meteorológia szolgálata is naponta legalább 1 vagy 2 alkalommal felbocsájt ún. légköri szondákat - héliummal töltött léggömböket, mérőműszerekkel - amelyek akár 30-34 km magasra emelkedve 100 méterenként magassági profilt képesek visszasugározni a légkör legfontosabb jellemzőiről, mint pl. a hőmérséklet, páratartalom, szél, légnyomás. Magyarországon az Országos Meteorológiai Szolgálat például naponta kétszer, világidő szerint 0 és 12 órakor (azaz télen éjjel és délután 1, nyáron éjjel és délután 2 órakor) bocsájt fel ilyen szondát Budapesten, illetve még egyszer Szegeden, ami pótolhatatlanul értékes mérés, mégis, édeskevés. Ahhoz, hogy egy ilyen komplex és bonyolult áramlási rendszer - vagyis a felettünk lévő légkör - állapotát igazán pontosan megismerjük, több száz, vagy több ezer ilyen repülésre lenne szükség, csak Magyarországon, és nem fél naponta, hanem állandóan; de legalábbis 1-2 óránként indítva. Ez azt jelentené, hogy az égbolt telis-tele lene meteorológiai léggömbökkel, több tíz- vagy százezer lebegne egyszerre a fejünk felett; statisztikailag is komolyan veszélyeztetve a légiközlekedést.
Ez viszont nem az elvi, hanem csak a gyakorlati probléma. Az elvi probléma az, hogy ilyen mennyiségben már maguk a léggömbök befolyásolnák a légkör állapotát, (makroszkópikus szinten érvényesítve Heisenberg határozatlansági teóriáját), hiszen ilyen sűrű rajokban lebegve hatást gyakorolnának magára a megfigyelni kívánt légkörre. Tehát, nem a valóságot mérnék; hanem annak saját, tömeges jelenlétük által eltorzított verzióját. Ennél még sokkal rosszabb a helyzet a mélytengeri mérésekkel kapcsolatban; ilyenek szinte alig léteznek. Óceáni és tengeri kutatóintézetek tartanak ugyan fenn meteorológiai bólyákat világszerte, ám ezek többnyire csak a felszín/felszín közeli víz hőmérsékletét és egyéb jellemzőit mérik; a mélységről, és az ottani folyamatok 99%-áról a műholdas képeken kívül szinte semmilyen információnk nincsen.
Összefoglalva - minél pontosabban igyekszünk (elvben) megmérni a környezetünket, annál jobban meg is változtatjuk azt, eltorzítva a mérési eredményeket. A cél nyilván a lehető legoptimálisabb kompromisszum volna; egy olyan sűrű magassági/mélységi vagy földfelszíni léggömb-, bólya, szélerőssség és szélirány mérőhálózat, amely észlelni kiépes a légkör legapróbb termik-, hidegcsepp és egyéb áramlásait, mégsem zavarva meg azt. Ettől még sajnos igen messze vagyunk.
Elvi problémák az előrejelzéssel
A válasz sajnos most is határozott NEM, még akkor sem, ha valamilyen csodálatos módon felül tudnánk emelkedni a Heisenberg-féle határozatlansági teória korlátain. De miért nem?
A kérdés tulajdonképpen ugyanaz, mintha feltennénk, hogy ha egy jós meg tudná álmodni a személyes jövőnket, akkor tudnánk-e bármit is tenni ellene? Vagy, ha az időjárásnál maradunk, és felelevenítjük a legutóbbi klíma-konferencia eredményeit - ha tudjuk előre, milyen hatást fog kiváltani jelenlegi környezetszennyező tevékenységünk, tudunk-e ellene tenni valamit?
Az elvi, filozófiai probléma az, hogy bármilyen rendszernek (amely előre akarja jelezni a jövőt), ismernie kell saját eredményeinek hatását is a jövőre. Tehát, ha egy rendszer valahogy tökéletesen kiszámolja, hogy milyen lenne az időjárás mondjuk 1 hét, 1 hónap, 1 év vagy egy évszázad múlva, akkor azt csak úgy teheti, hogy figyelembe veszi a SAJÁT hatását minderre. Tehát, hogy a saját eredményei esetleg befolyásolhatják a környezetet (az emberiséget) hogy változtasson valamin. Ez viszont elvi képtelenségnek tűnik (megoldva a logikai paradaxont), hiszen egy rendszer aligha érhet meg egy magánál NAGYOBB (komplexebb) rendszert. Tehát, az időjárást előrejelző modellnek azt is ki kellene számolnia, hogy a saját eredményei ismeretében az emberek (és a világ többi része) hogyan reagálna. Ez nyilvánvalóan lehetetlen, tekintve, hogy az eredményeire reagáló rendszer nagyobb és komplexebb, mint a modell - és ebből a szempotból teljesen mindegy, milyen bonyolult és komplex a modell önmaga.
Egy még gyakorlatiasabb példa - ha pl. egy modell 24 órával előre kiszámolná, hogy hol fog másnap jégeső pusztítani, és ennek elhárítására ezüst-jodid rakétákat vetnénk be, akkor máris megváltoztatnánk az "előre jelzett" jövőt. Igen ám, de ezzel egyben olyan változásokat is előidézünk a légkörben, amelyek majd máshol, immár teljesen váratlanul ereményeznek majd éppolyan - ha nem pusztítóbb - viharokat, jégesőt, vagy netalántán tornádót, 
Mit tehetünk ebben a helyzetben?
Igazából nem túl sokat, azon kívül, hogy megpróbáljuk jobban megérteni (a teljesség elvi képtelensége miatt az arra való törekvés igényét újraértelmezve) az időjárási rendszerek működését. A bizonytalanság és a káoszelmélet implikációi révén valamilyen mértékű bizonytalanság mindenképpen marad a rendszerben, de ezen nagyságrendekkel lehet még javítani pontosabb magaslégköri (meteorológiai szondás), illetve radar-mérések, mélytengeri, óceáni és tavi vízhőmérséklet-, hullámmagasság és egyéb jellemzők folytonos megfigyelésével, illetve az űr-időjárás (naptevékenység), sőt, az utóbbi időben egyre misztikusabbnak tűnő villámtevékenység mélyebb megértésével. Az igazság az, hogy alig másfél évtizede (1995 óta) tudunk csak egyáltalán a magaslégköri villámok titokzatos, vörös-kék jeteknek és spriteoknak nevezett jelenségéről, fizikai hátterükről pedig szinte semmit - annak ellenére, hogy vélhetőleg rendkívül jelentős szerepet játszanak a sztratoszféra, mezoszféra és ionoszféra egyensúlyi állapotának fenntartásával kapcsolatban, sőt, egyes feltételezések szerint - befolyásolják a Föld körüli mágneses, elektromágneses védelmi zónák ill. gyűrűk (mint pl. a.Van Allen-öv) állapotát.
Zárószó
Jelenlegi ismereteink alapján az időjárás - pont a káoszelméleti hatások (pillangó-effektus), a Heisenberg-féle határozatlansági teória, és a mérések igen korlátozott magassági és mélységi felbontása miatt igazából nem jelezhető teljes bizonyossággal előre, még elvben sem.
Ettől függetlenül szinte mindenkit megdöbbentett az elmúlt 2 hét időjárása, a téli napforduló (december vége) táján, újév/szilveszter előestéjén várható, ill. karácsonykor hazánkon ténylegesen végigvonuló zivatarhullám, amelyre talán emberemlékezet óta nem volt példa. Nem is beszélve a közel 30-40 C°-os hőmérséklet-változásról mindössze 2 nap alatt a Kárpát-medence jelentős részén.
Hogy ez jelent-e valamit, és hogy mi (emberek) okoztuk-e ezt, vagy csak a komplex rendszerek (mint az időjárás), illetve a természet irónikus fricskái-e, még nem tudjuk. Egy biztos; még ha az igencsak megszaporodott tuba- és tornádó észlelések idei számát a digitális fényképezőgépek, illetve az internet elterjedésének tudjuk is be (csak idén több, mint 50-et sikerült lencsevégre kapni Magyarországon), a december végi zivatarhullámokról nyilván nem mondható el ugyanez.
És ha szinte minden héten megdől egy-egy napi meleg vagy hidegrekord, nem állíthatjuk-e (statisztikai értelemben is joggal), hogy valóban egyre szélsőségesebb és kaotikusabb az időjárásunk? Ki emlékszik ilyen heves zivatarokra a tél közepén, vagy ekkora hőingásra? Hányszor fordulhatott ez egyáltalán elő az elmúlt 30-50 évben?
Mint mindig, most is kíváncsian várjuk ezzel, és a fentiekkel kapcsolatban is nézőink/olvasóink emlékeit, meglátásait, és persze véleményét.
Köszönjük!
Nagy Gergely
2009. december 30.
Időkép.hu
