Сегодня день рождения одного из моих кумиров в метеорологии!!!

Сегодня день рождения одного из моих кумиров в метеорологии!!! Хотелось бы, чтобы эффект бабочки был известен всем, тогда сразу отпадут претензии и ожидания 100% прогнозов, причем, не только погоды, но, и во многих других областях.

Итак, 23 мая 1917 года родился Эдвард Нортон Лоренц – американский математик и великий метеоролог, один из основоположников теории хаоса, автор выражения «эффект бабочки», а также создатель аттрактора Лоренца. Ученый, который доказал, что эффект бабочки - не случайность, это суть красоты природы, ее неповторяемости и разнообразия.

Что это за «эффект бабочки»??? Свое знаменитое открытие "эффект бабочки", который описывает зависимость поведения системы от начальных условий, Лоренц иллюстрировал примером бабочки из Бразилии, взмах крыла которой вызывает цепочку сложных климатических изменений и приводит к урагану в далеком от Бразилии Техасе. К этому выводу Лоренца подтолкнули его многочисленные наблюдения, где он увидел и сумел доказать, что даже небольшие изменения, происходящие в атмосфере или аналогичных ей моделях, могут приводить к обширным и неожиданным последствиям. Он заметил, что пробеги его погодной модели с первоначальными данными о состоянии, которые были округлены, казалось бы, несущественным образом, не смогут воспроизвести результаты пробегов с неокругленными исходными данными о состоянии. Это явление он назвал «сильной зависимостью от начальных условий» и в 1972 г. опубликовал научную статью "О возможности предсказаний: может ли взмах крыльев бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе?". Так из этой работы родилась теория хаоса, которая сейчас играет важную практически во всех областях современной науки - от математики до биологии.

Немного погрузимся в теорию хаоса вместе со знаменитым метеорологом. Лоренц показал, что сложные системы со множеством причинно-следственных связей имеют порог предсказуемости (сейчас в предсказании погоды этот порог не превышает 7-10 дней), став одним из основателей третьей научной революцией XX в. после теории относительности и квантовой физики". Ученым понадобилось около десяти лет после публикации работы Лоренца, чтобы окончательно принять его пугающие выводы: мир больше хаотичен, чем упорядочен, и наши идеальные модели на самом деле чаще искусственны и далеки от действительности, а чтобы изучать саму действительность, нам нужны новые инструменты и критерии точности. В тоже время Лоренц также показал, что среди, казалось бы, полнейшего хаоса, есть некий порядок, выдающий себя за случайность, остается самое сложное, это понять, как его систематизировать. Но, не стоит расстраиваться, ведь наличие элемента хаоса делает наш окружающий мир гораздо интереснее, и ради этого можно пожертвовать парочкой солнечных дней, не дождавшись 100% прогноза погоды.

Таким образом, несмотря на глубокое понимание природных процессов, метеоролог Лоренц практически ничем не мог помочь улучшить результаты прогнозов погоды. Поэтому справедлив призыв: «Внимание, штормовое предупреждение: возможны частичные разрушения традиционных научных взглядов, и сильные возмущения авторитетных ученых. Убедительно просим оставаться в рамках старой научной школы».

Несмотря на то, что уравнения в модели Лоренца были лишь грубым приближением к реальным погодным процессам, он понял, что мы никогда не сможем добиться решения проблемы долгосрочного прогнозирования. И дело не столько в сложности вычислений, сколько в этом злополучном эффекте бабочки, в результате которого даже небольшие возмущения и неточности с течением времени накладываются друг на друга, как снежный ком, и перерастают в огромные ошибки. «Погода постепенно приходит в норму, но ветер детерминизма меняется на ветер хаоса, так что не планируйте свой отпуск заранее, это бесполезно».

Мечта Дж. фон Неймана (Neuman) о суперкомпьютере для учёта всех исходных данных и идеального прогноза оказалась несостоятельной. В режиме детерминированного хаоса система сочетает устойчивость поведения, в смысле удержания своих переменных в определённой зоне фазового пространства, называемой странным хаотическим аттрактором, с неустойчивостью, зыбкостью конкретного поведения в аттракторе в смысле быстрого нарастания любой ошибки, любого малого отклонения. В результате минимальная и практически неизбежная неточность в начальных условиях или в параметрах модели быстро приводят ошибку прогноза к значениям, соизмеримым с размерами аттрактора. Затем эта ошибка уменьшится, и прогноз наконец-то сбудется, но никто не знает, когда это произойдёт».

Хотя стоит отметить, что и у Лоренца были оппоненты, которые считали, что погодная система не так чувствительна к начальному состоянию. Например, Дэвид Оррелл утверждал, что основной причиной ошибки прогноза погоды является ошибка модели, при этом чувствительность к начальным условиям играет относительно небольшую роль. Стивен Вольфрам считал, что уравнения Лоренца очень упрощены и не содержат характеристик, которые представляют вязкие эффекты; поэтому эти показатели будут иметь тенденцию заглушать небольшие возмущения.

"Еще мальчиком я любил проделывать разные штуки с цифрами, кроме того, меня завораживали погодные явления", - вспоминал Лоренц. В детстве он очень любил наблюдать за природой и даже вел дневник наблюдений. Три главных опоры его жизни: природа (он был заядлым походником), наука и семья – то, что составляло основу счастья метеоролога и математика Эдварда Нортона Лоренца. Будем помнить, что ежесекундно миллиарды бабочек взмахивают крыльями, и как мы можем утверждать, что ураган - результат именно этого взмаха крыльями именно этой бабочки?

Источник: vk.com

Комментарии: