Kan En Sommerfugl I Brasilien Virkelig Forårsage En Tornado I Texas?

{h1}

Butterfly effekten har længe været brugt af vejr og finansielle prognoser som en undskyldning for, hvorfor de ikke kan foretage nøjagtige forudsigelser af fremtiden. Men forskning viser sommerfugle, der klapper deres vinger virkelig kan ikke påvirke historiens forløb.

Det er poetisk, forestillingen om, at en fløjts fløjs fløj i Brasilien kan slå af en kaskade af atmosfæriske begivenheder, der uger senere sporer dannelsen af ​​en tornado i Texas. Denne såkaldte "sommerfugleffekt" bruges til at forklare, hvorfor kaotiske systemer som vejret ikke kan forudsiges mere end et par dage i forvejen. Man kan ikke kende enhver lille faktor, der påvirker atmosfæren - hver fladder af hver sommerfugl i Brasilien - så der er lidt håb om at forudse den nøjagtige tid og sted, hvor en storm vil røre ned uger senere.

Butterfly-effekten er endnu mere tilfredsstillende, fordi computermodellen, der førte til dens opdagelse ligner en sommerfugl. Matematikeren Edward Lorenz skabte modellen, kaldet en mærkelig attractor, i 1960'erne; det er en linje, der vekselvis spiraler omkring to tilstødende ovaler, der kortlægger den kaotiske løsning til et sæt indbyrdes forbundne ligninger. Lorenz fandt ud af, at tiltrækningsformen var yderst følsom over for indledende forhold. At flytte sit udgangspunkt kun en vings skala i enhver retning forårsagede linjen at tegne en helt anden sommerfugl.

Den mærkelige attractor førte forskere til at konkludere, at mange virkelige systemer - aktiemarkedet, Texas tornado-sæsonen - skal være på samme måde uforudsigelige, og sommerfugleffekten har fortsat været påberåbt som en forklaring på kaos siden da. Dette er dog trods det faktum, at det faktisk er falsk: En sommerfugl i Brasilien kan fladre så hårdt som den kan lide, men det kan stadig ikke piske op i en tornado i Texas.

"Hvis en sommerfugl klapper sine vinger, bliver virkningen virkelig bare dæmpet," fortalte matematikeren og forfatteren David Orrell Livets Little Mysteries.

Trivial flapping

Hver flap af en sommerfuglens vinger udøver et tryk på omgivende luftmolekyler for at skubbe insektet opad. Hver flap forårsager en lille ændring i lufttrykket omkring sommerfuglen, men denne udsving er ubetydelig i forhold til luftens samlede tryk, hvilket er ca. 100.000 gange større. Ændringer i lufttryk er en af ​​de vigtigste faktorer, der er involveret i at ændre vejret, men i tilfælde af sommerfuglen absorberer luftmolekylerne let blæse af en vingeflappe, så nogle få inches væk fra en sommerfugl, den turbulens der forårsager vil være døde ned. [Forklaret: Den fysik-defying Flight of the Humblebee]

Orrell, der har en doktorgrad i forudsigelse af ikke-lineære systemer fra Oxford University, skriver om forudsigelser inden for områder som meteorologi, biologi og økonomi for både videnskabelige og lette publikum. Hans bedst sælgende bog "The Future of Everything: Prediction Science" (Thunder's Mouth Press, 2006) beskriver de ekstreme vanskeligheder meteorologers ansigt med at forudsige vejret, hvilket er så følsomt for ændringer i atmosfæriske forhold som tryk og temperatur, som det ikke kan projiceres mere end et par dage i forvejen. Et estimat af den temperatur, der er slukket med kun en brøkdel af en grad-Celsius, fører til en kaskade af fejl senere, hvilket gør forudsigelser, der ser ud over nogle få dage, men mindre end et par uger, især udfordrende.

Men "de ændringer, der gør en forskel er langt større end en sommerfugl, der klapper sine vinger," sagde Orrell.

"Jeg synes matematisk, at Lorenz attractoren var en meget vigtig opdagelse," sagde han. "Men så blev det lidt overtaget som en smule undskyldning. Folk begyndte at anvende kaosteori til mange systemer og sagde:" Nå er denne ejendom følsom over for de oprindelige betingelser, så vi kan ikke foretage præcise forudsigelser. " "

Faktisk ifølge Orrell har mikroskopiske ændringer kun i stærkt forenklede modeller af kaos som den mærkelige tiltrækker enorme konsekvenser, eskalerende og i sidste ende forårsager tiltrækkeren at afvige fra den vej det ellers ville have taget. Mere komplekse computermodeller som dem, der anvendes af meteorologer, er meget mere robuste. Som Orrell og et team af adskillige andre matematikere demonstrerede i 2001, forårsager indførelsen af ​​butterfly-flapping-skala forstyrrelser i disse vejrmodeller ikke resultatet af modellerne at afvige. Hvis andre faktorer i vejrsystemet, såsom varme Atlanterhavstemperaturer, høj luftfugtighed og vestvind med lavt vindskær, samler styrker for at drive dannelsen af ​​en orkan, vil flippens flap eller mangel deraf ikke stoppe dem.

Og ideen om, at en vingeflappe virkelig kan have en eksponentielt stigende effekt, giver ikke meget fysisk fornemmelse, men Orrell sagde alligevel. "Hvis du forestiller dig at modellere et luftvolumen og derefter forstyrre det med en sommerfuglfløjs flap, ville du ikke forvente at få en eksponentielt større bølge, der kommer ud af den anden ende." Modellering af turbulensen ved hjælp af cellulær automat, en metode udviklet af matematikeren Stephen Wolfram og forklaret i sin berømte bog "En ny slags videnskab" (Wolfram Media, 2002) viser også, at energien fra vingen vil sprede frem for at bygge. Kort sagt, sommerfugle kan ikke mønstre op storme. [5 Alvorligt Mind-Boggling Math Facts]

Så hvad er prognosen?

Hvis sommerfugleffekten ikke er rigtig, hvorfor kan vi ikke mennesker præcist forudsige vejret mere end et par dage i forvejen?

Det viser sig, at svaret på dette spørgsmål er kontroversielt.På baggrund af sin undersøgelse mener Orrell fejl i computermodellerne selv - for eksempel en forenkling af atmosfærisk tryk og fugtighed - påvirker resultatet af vejrsystemerne meget mere drastisk end små forstyrrelser. Han mener, at meteorologer burde arbejde på at perfektere deres modeller af atmosfæren, snarere end at kaste deres hænder op på grund af kaos. "Min tage er, at modellen fejl er en mere sandsynlig årsag til vores manglende evne til at lave vejrudsigter end kaos," Orrell sagde.

Andre forskere er uenige. Paul Roebber, en matematiker og meteorolog ved University of Wisconsin-Milwaukee, hævder, at selvom sommerfuglskala ikke påvirker succesen af ​​vejrudsigten, spiller større forstyrrelser dog en betydelig rolle.

"Jeg er enig med [Orrell], at sommerfuglskalaeffekter vil blive dæmpet, men påvirkninger, der stadig er små indflydelser fra et vejrperspektiv, som f.eks. Individuelle skyer - disse virkninger er langt mere tilbøjelige til at vokse og være vigtige," Roebber sagde. "Så sommerfugle: OK. Men individuelle skyer: de kan meget dramatisk påvirke prognosen fem til 10 dage fra nu, og indtil vi kan løse dem, vil forbedringer i vores modeller ikke føre til meget forbedring i vores prognoser."

Tim Palmer, en professor i Oxford og hovedforsker ved Det Europæiske Center for Mellemstorrige Vejrudsigter, forklarede, at begrænsninger i vores evne til at overholde atmosfærens forhold (f.eks. Placeringen af ​​alle skyer) ved hjælp af vejrballoner, overflade- og satellitmålinger betyder, at vi aldrig vil kunne indtaste nøjagtigt de rigtige indledende betingelser i vores computer modeller. Dette er ikke altid en deal-breaker, men nogle gange er det: "Når strømmen er særdeles ustabil, kan fejl i begyndelsesforholdene vokse hurtigt og ødelægge prognosen for et par dage. Ved andre lejligheder er fejl i begyndelsen betingelserne vil vokse langsommere, og prognosen vil forblive dygtig i en uge eller mere, "skrev Palmer i en email.

Ifølge Roebber er atmosfærisk konvektion - opvarmning og stigning i luften - et godt eksempel på en tilstand, der kan måles unøjagtigt, og som så kan give anledning til store forandringer i vejret. For eksempel forårsager konvektion over Mexicogolfen nogle gange tordenvejr i det sydøstlige USA, som derefter gnister snestorm i det nordøstlige. [Er alt det vilde vejr forbundet?]

"For mig siger atmosfærisk konvektionens rolle i påvirkning af det store vejr og den efterfølgende atmosfæriske forudsigelighed meget mere om rollen af ​​både modelfejl og analysefejl end den hypotetiske sommerfuglscenario af populær fantasi," sagde han.

Denne historie blev leveret af Life's Little Mysteries, et søsters websted til WordsSideKick.com. Følg Natalie Wolchover på Twitter @nattyover. Følg Life's Little Mysteries på Twitter @ llmysteries, og følg med os på Facebook.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com