Jak se předpovídá mávnutí motýlích křídel

Ve druhé světové válce létal dvacetiletý Američan Joseph Smagorinsky v prosklené špičce bombardéru B 29 a podle tvaru mraků, výšky vln, teploty a tlaku se snažil předpovědět, jaké bude počasí. Předpovědím ale říkal „mávání rukama“, protože byly založené víc na domněnkách než na faktech a často se stávalo, že selhaly a vojáci na to dopláceli životem. Smagorinsky se pídil po způsobu, jak předpovědi zpřesnit. Předpokládal, že pokud by měl k dispozici dostatek měření a znal zákonitosti pohybu atmosféry, dokázal by přibližný vývoj vypočítat.

Jeden z jeho předchůdců Lewis Richardson se přesně o to pokusil roku 1922. Na základě barometrických měření se rozhodl spočítat, jaký bude atmosférický tlak u Mnichova za šest hodin. Výpočet mu však trval šest týdnů! A výsledek byl úplně mimo mísu. I kdyby byl správný, pokud by někdo chtěl tímto způsobem předpovídat počasí jen na severní polokouli, potřeboval by tým nejméně 64 000 matematiků, kteří by nepřetržitě chroustali čísla.

Předpovědi s pomocí počítačů

Joseph Smagorinsky myšlenku počítání předpovědí počasí na čas opustil, ale po válce se dozvěděl, že se Princetonská univerzita chystá použít na výpočty počasí svůj první plně programovatelný digitální počítač na světě ENIAC. ENIAC dokázal za půl minuty spočítat to, co člověku trvá dvacet hodin. Z dnešního pohledu je to stále skromný výkon, ale Smagorinsky neváhal a do projektu se zapojil.

Při prvním pokusu roku 1950 se týmu podařilo předpovědět počasí na 24 hodin dopředu. Jenomže výpočet trval také 24 hodin a ENIAC se při něm několikrát porouchal. I tak to byl důvod domnívat se, že digitalizace dějů v atmosféře je teoreticky možná.

Chaos systému

Smagorinsky a jeho kolegové se vrhli do překladu přírodních zákonitostí do jazyka počítače. Jenže narazili na složitost přírody. Posuďte sami: Aby mohli popsat oběh atmosféry, potřebovali popsat výměnu vzduchu mezi atmosférou a oceány, která se mění podle teploty. Aby mohli popsat tuto výměnu vzduchu mezi atmosférou a oceány, potřebovali popsat oběh vody v mořích. Aby mohli popsat tento oběh vody v mořích, potřebovali popsat vodní vrstvy, vliv ledovců, slunečního záření, planktonu, a tak dále, a tak dále.

Umíte si představit, jak to bylo těžké? Množství a vzájemná propojenost všech faktorů byly ohromující a i ty nejnepatrnější změny mohly mít zásadní vliv na výsledek.

Možná si řeknete „pěkný chaos“, a budete mít pravdu - do kolektivního vědomí se tento koncept dostal pod jménem „teorie chaosu“. Jistě znáte tvrzení, že „mávnutí křídel motýla nad Afrikou, může způsobit hurikán nad Amerikou“. Jako první to řekl právě Smagorinsky jako metaforu pro něco nepatrného, co může způsobit kaskádu nepředvídatelných důsledků.

Čím víc poznatků do modelu přidávali, tím se předpovědi stávaly přesnější. Ukázalo se, že počasí se dá se slušnou pravděpodobností odhadnout na desítky hodin dopředu. A pak se stala náhoda. Smagorinsky před odjezdem na dovolenou zapomněl simulaci vypnout, a když se vrátil, stále běžela, nehroutila se a počítala počasí daleko do budoucnosti. Díky tomu si uvědomil, že modely se dají použít i na předpovědi vývoje klimatu.

Počasí a klima

Teď si možná říkáte: není počasí a klima to samé? Ne, počasí je krátkodobé chování, při kterém může docházet k prudkým výkyvům. Klima je dlouhodobý popis trendů, něco jako dlouhodobá statistika. Jestli hozená mince dopadne hlavou nebo znakem vzhůru se předpovědět nedá, výsledek milionu hodů však ano. Je to pohled na systém jako na celek, do kterého se promítají poměrně stabilní a pravidelně se opakující jevy jako jsou mořské proudy nebo orbitální změny planety. Z nepředvídatelného chaosu se začal nořit uspořádaný systém, nečitelné klima začalo odhalovat své zákonitosti.

Zpřesňování modelů

Joseph Smagorinsky se stal v roce 1955 ředitelem laboratoře pro měření geofyzikální dynamiky. Rok po roku se mu dařilo zajistit pro výzkum ty nejvýkonnější superpočítače. K čemu? Čím přesnější má být náš model klimatu, tím více parametrů musíme počítači sdělit a tím náročnější výpočet bude.

Mohli byste se zeptat „Jste si jistí, že modely klimatu, jsou správné? Co když i ty největší superpočítače počítají nesmysly? Jak to můžete ověřit?“ Na to existuje jednoduchý recept: nenecháme je počítat budoucnost, ale minulost, a tu známe dobře!

Porovnání klimatických modelů a skutečných pozorování za posledních 140 let|foto: Skeptical Science

Faktory, které ovlivňují klima

Co tedy počítače ukázaly? Co ovlivňuje klima na Zemi? Z přirozených faktorů je na prvním místě zdroj energie - naše Slunce. Třeba v 17. století na Slunci nebyly pozorovány skoro žádné skvrny, které jsou měřítkem aktivity, a na Zemi se skutečně výrazně ochladilo. Jenže posledních 150 let se otepluje, zatímco sluneční aktivita neroste. Naopak, z měření NASA dokonce vyplývá, že v posledních 35 letech aktivita Slunce mírně poklesla, klima by se tak mělo ochlazovat.

Čtěte také

Podobné je to i se změnami oběžné dráhy Země vzhledem ke Slunci, takzvanými Milankovičovými cykly, které trvají desetitisíce a statisíce let. Změny náklonu zemské osy nebo výstřednosti oběžné dráhy spouštějí pravidelné oteplování i ochlazování. Jenže my se právě nacházíme ve fázi cyklu, kdy by měla být teplota stabilní nebo mírně klesat. Děje se opak.

Porovnání sluneční aktivity, nárůstu teploty a oxidu uhličitého|foto: RealClimate

Pojďme pátrat dál. Co sopečná činnost? Ta se za posledních 150 let určitě nezvýšila. Navíc, z měření víme, že člověk dnes vypouští do atmosféry 130x víc CO2, než všechny sopky na světě dohromady. Výbuchy sopek také krátkodobě vypouštějí do ovzduší velké množství aerosolů, které mohou sluneční záření blokovat a Zem ochlazovat.

Ze skleníkových plynů je nejdůležitější vodní pára. Vytváří přibližně 60% přirozeného skleníkového efektu. Když se zvýší globální teplota o 1 stupeň, promítne se to do zvýšení koncentrace vodní páry v ovzduší o 7%. Vodní pára tak působí jako tzv. zesilující zpětná vazba. Je hlavním důvodem, proč malé změny teploty způsobují poměrně velké výkyvy. Naštěstí vodní pára ze vzduchu do 14 dní vyprší, systém se dostává rychle do rovnováhy. Na dlouhodobý trend růstu teploty tedy nemůže mít určující vliv.

Vliv lidských faktorů

Nejzásadnější vliv na změnu klimatu dnes mají lidské faktory. Z nich je nejdůležitější oxid uhličitý. Od roku 1850 se v důsledku spalování fosilních paliv a odlesňování zvýšila jeho koncentrace v atmosféře o 40%. Ze satelitních měření víme, že přesně na frekvencích, na kterých CO2 infračervené záření pohlcuje, je naše atmosféra čím dál tím matnější. Infračervené paprsky, které by normálně vysvítily energii do vesmíru, se zachycují o molekuly CO2 v naší atmosféře jako ryby do čím dál tím početnějších sítí.

Jak si celou tu složitost vlivů na klima představit? Pokud bychom přirovnali teplotu ke hlasitosti hudby, pak Slunce je jako muzikant, který stojí na rohu náměstí a brnká na kytaru. Milankovičovy cykly jsou jako pohyb muzikanta před mikrofonem, někdy je dál, někdy blíž. Vodní pára je jako předzesilovač, který automaticky zdvojnásobí hlasitost signálu. Jaká je v tomto obraze role CO2? CO2 je zesilovač. Zesilovač, jehož knoflík s nápisem „hlasitost“ točí lidské prsty čím dál tím víc doprava.

Dobře, dobře, v čem by to ale měl být problém? Uděláme si aspoň pořádnou párty, nebo ne? Pokud stoupne teplota, bude u nás příjemně a pokud stoupne hladina moří, aspoň to budeme mít blíž na pláž. Může nám tato hudba lahodit, nebo protrhnout bubínky? To si řekneme příště.

Tento i ostatní záznamy pořadu Meteor najdete v našem Archivu pořadů.