Miksi ilmastotiede ja ilmastonmuutos on niin vaikeaa – mallinnukset

On vaikea ennustaa mitään, varsinkaan tulevaisuutta!

-Niels Bohr

IPCC:n AR6 raporttia lukiessa, näillä palstoilla ilmastonmuutos vaikuttaisi edelleen olevan kiistanalainen ja valtavan keskustelun aihe. 

Matematiikkaan perustuvat monimutkaiset ilmastomallit, kuten IPCC:n käyttämät GCMs (General Circulation Models) auttavat ymmärtämään, miten nämä mallit toimivat. Ne ovat perustuneet ja perustuvat edelleen Navier-Stokesin yhtälöihin.

Navierin-Stokesin yhtälöt ovat differentiaaliyhtälöitä. Tämä tarkoittaa sitä, että toisin kuin algebralliset yhtälöt, jotka kuvaavat muuttujien kuten nopeuden ja paineen välisiä suhteita, nämä yhtälöt kuvaavat muuttujien muutosnopeuksien eli derivaattojen suhteita. 

Yksinkertaisimman muotonsa ne saavat ideaalifluidiin sovellettuina, jolloin viskoosit voimat ovat nollia. Nämä voimat johtuvat fluidin molekyylien vuorovaikutuksesta, ja niiden suuruus kuvaa, kuinka ”paksua” fluidi on. 

Tällöin yhtälö kertoo, että kiihtyvyys (nopeuden muutosnopeus) on verrannollinen sisäisen paineen muutokseen. Käytännössä kaikissa tapauksissa Navier – Stokesin yhtälöiden ratkaisut täytyy löytää numeerisesti tietokoneiden avulla. Tässä yhteydessä niiden esittely lienee turhaa, mutta kompaktiin muotoon puettuna eli lokaalina derivaattana ja advektio-operaattorin avulla esitettynä, ne näyttävät tällaisilta:

Kaiken kaikkiaan Navier – Stokesin yhtälöt on erittäin monimutkainen kokonaisuus, mutta niin on myös ilmastomallinnus. 

Käytännössä ilmastomalleissa on aina kysymys keskimääräisistä trendeistä; miten ne ovat kehittyneet, miten ne kehittyvät ja miten ne tulevat kehittymään. On myös luonnollista, että ilmastomalleissa voi olla inhimillisiä virheitä. Mutta onko täysin virheettömiä malleja olemassa, -ei todellakaan.

Kuinka siis ilmastoa voidaan ennustaa, kun on kyse kaoottisesta systeemistä. Tähän voisi vastata ”ehkä”.

Kun kysytään, että onko luonnolla järjestystä ja jokin malli. Ensimmäinen vastaus on ”kyllä”. Tiede etsii järjestystä ja malleja. Järjestystä ja malleja havaitaan joka puolella ympärillämme, ja useimmat niistä ovat käytännössä äärettömiä.

Yksi ehkä merkittävin havainto ja esimerkki ihmisen kyvystä löytää täsmällistä syklisyyttä, järjestystä, äärettömyyttä, on planeettojen kierto auringon ympäri. Isaac Newtonin esittämän painovoimateorian mukaan, Neptunus planeetta ennustettiin matemaattisesti ennen kuin se suoraan havaittiin.

Yhtälö näyttää yksinkertaisuudessaan tältä:

d2 x / dt2 = – GMx / [x]3

Tähän asti ilmastomallinnukset ja havainnot (keskimääräiset) ovat toimineet hämmästyttävän  hyvin. Ja oleellisin tieto joka mallinnuksista ja havainnoista saadaan on trendien kehitys, eli ovatko ne nousevia vai laskevia, vai peräti muuttumattomia.

A Tale of Two Hockey Sticks (AR6)

Kun yllä olevia kuvaajia seuraa, millä keskimääräisellä muutosnopeudella ilmasto on lämmennyt välillä 1850 – 2020 (~1.2°C / 170v) suhteessa muutosnopeuteen 1850 vuotta (~ -0.25°C / 1850v).

-0.25°C / 1850v = -0.00013°C/v

1.2°C / 170v = 0.0071°C/v

0.0071 / [-0.00013] ≈ 55 kertainen muutosnopeus

Onko lämpötilan nousu välillä 1850 – 2020 luonnollista?

Johtopäätöksiä:

Mitä matemaatikon pitäisi tehdä ilmastonmuutoksen suhteen?

  • Miettiä tapoja käyttää vähemmän energiaa
  • Miettiä parempia tapoja tuottaa energiaa
  • Olla tietoinen syyn ja seurauksen välisestä yhteydestä, sekä tietoinen siitä, mitä planeetallemme tapahtuu
  • Käyttämällä aina matemaattista harkintaa, kun seuraa mitä lehdistössä sanotaan
+1
HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

(el. vanh. tut. / FMI)

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu