Az ún. pillanatkép attraktorok elmélete alapján
kimutatjuk, hogy a korunkban zajló klímaváltozás fontos vonásai
akkor érthetők meg, ha ahelyett, hogy csakis az egyetlen megfigyelt
Földünket vizsgálnánk, elképzelünk mellette sok hasonló földi
klímarendszert, amelyek nincsenek egymással kölcsönhatásban. Ezek
éghajlatai időben párhuzamosan, de nem azonos módon fejlődnek, ámbár
mind ugyanazon fizikai törvényeknek engedelmeskednek. A különbségek
abból adódnak, hogy a néhány évszázaddal korábban megválasztott
kiindulási adataik (hőmérséklet, szél, csapadék stb. eloszlásai)
mások. A különböző kezdeti állapotokból kifejlődő földi klímák egy
sokaság elemeinek tekinthetők. Amellett érvelünk, hogy Földünk
éghajlati rendszerének változatosságát sokkal inkább a párhuzamos
éghajlati világok közötti különbség jellemzi, mint az a
változékonyság, amelyet a megfigyelt egyetlen múltunkban
tapasztaltunk. A klímadinamika sajátossága, hogy nem sokkal a
kiindulási időpont után a kezdeti adatok elfelejtődnek, és a sokaság
egyes elemei adott pillanatban éppen a lehetséges éghajlati
állapotok gazdag tárházát, a klíma belső változékonyságát jelenítik
meg.
A klímakutatás szemléletéről
A klímaváltozás aktuális állapotáról a hivatalos képet az IPCC
(Éghajlatváltozási Kormányközi Testület) kiadványaiból tudhatjuk
meg, köztük a fizikai hátteret is megadó, a kutatói közösség által
összeállított kötetekből, amelyek közül a legutóbbi 2013-ban jelent
meg (IPCC, 2013).
A szöveg a legkülönfélébb szinteken beszél a
klímáról, általában abban az értelemben, hogy a „klíma az átlagos
időjárás”, amit hétköznapi megfogalmazásban sokszor abban a formában
ismerünk, hogy „a klíma az, amit várunk, az időjárás pedig az, ami
megvalósul”. Mindkét változat utal valamilyen valószínűségi
szemléletre, de nem adja meg, mi az a valószínűség-eloszlás, amely
szerint az átlagot kell képeznünk, illetve azt, hogy várakozásunkat
mire alapozzuk. Az utóbbi értelemszerűen tekinthető a múltbeli
tapasztalatnak, amit alátámaszt az az állítás is, hogy „az átlagolás
klasszikus periódusa 30 év”. Ha azonban változik a klíma, akkor azt
a múltra alapozva nem feltétlenül lehet megítélni. Szükség van tehát
egy finomabb fogalomrendszerre, amely képes megragadni a változás
pillanatnyi jellegét is.
A harmincéves átlagolás hagyománya még a
korunkban zajló klímaváltozást megelőző időszakból ered, s abban
feltehetően szerepet játszott a statisztikus fizika klasszikus
ágaiban érvényes, s már a XIX. század végén megfogalmazott,
ergodikus hipotézis, miszerint „elegendően hosszú időbeli átlag
megegyezik egy megfelelő sokaság feletti pillanatnyi átlaggal”. Az
itt felmerülő sokaság klímánk lehetséges állapotait jellemezheti,
amelyek halmaza változatlan klímában nyilván nem is függ az időtől.
Arra a természetes kérdésre, hogy a harminc év tekinthető-e
„elegendően hosszúnak”, főleg ismerve, hogy a hipotézis igazából
végtelen hosszú időátlaggal érvényes, általános értelemben nemleges
lesz a válaszunk.
A káoszelmélet tanulságai
Akik átélték a 80-as években a káoszelmélet által hozott
szemléletváltást, emlékezhetnek, hogy abban az időben a kaotikus
rendszerek vizsgálata mögött az a remény is meghúzódott, hogy rajtuk
keresztül közelebb kerülünk a fizika egy nagy megoldatlan
problémájához, a turbulencia kialakulásához, s valóban sokat
olvashattunk például a turbulencia felé vezető
Ruelle−Takens−Newhouse-féle útról (Szépfalusy − Tél, 1982). Jó
évtizeddel később azonban kiderült, hogy a remény nem vált be, azok
az utak csak a káosz (és nem a turbulencia) kialakulásának módjait
írják le. A tudomány sajátos fejlődését jól mutatja, hogy a
káoszelmélet végül mégiscsak rendkívül hasznosnak bizonyult a
turbulencia bizonyos oldalról történő megértéséhez. A 90-es években
robbant (Tóth − Kalnay, 1997; Götz, 2001), hogy a káoszelmélet
alapján érdemben javítható a meteorológiai előrejelzések
megbízhatósága (azt is sikerült a gyakorlatba átültetni, hogy noha a
légkör állapota numerikusan soha, sehol nem jelezhető előre hosszan,
bizonyos napokon és helyeken a hagyományos előrejelzés különösen
megbízhatatlan, amikor is újabb mérési adatok begyűjtése válik
szükségessé, és azok ismeretében az új előrejelzés már
megbízhatóbb).
Feltehetően a meteorológiában bekövetkezett
fejlődésnek köszönhető, hogy a klímaváltozásról történő
gondolkodásban mára alapvető szerepet játszik a káoszról kialakított
helyes kép. Ez azonban nem jár feltétlenül együtt a káoszelmélet
mára már kialakult szóhasználatának és technikájának használatával,
ezért egyfajta szótár kialakítása szükséges.
Az IPCC szóhasználatában alapvető szerepet
játszik a klíma belső változékonyságának fogalma. Ezt értelmezhetjük
úgy, mint annak általánosítását, hogy alacsony dimenziós disszipatív
kaotikus rendszerekben hosszú idő után minden pillanatban végtelen
sok különböző mozgásforma létezik együtt (már itt utalunk előre az
ezt jól szemléltető 2. ábrára). Ez élesen szemben áll a nem
kaotikus rendszerekkel, amelyekben hosszú idő után mindig csak
egyfajta mozgásforma, például periodikus lüktetés állhat be. A
sokfajta mozgásállapot szimultán jelenlétét a nemlineáris rendszerek
szóhasználata általában az előrejelezhetetlenség említésével jelzi,
vagy – még inkább szaknyelven − azzal a tulajdonsággal, hogy a
kaotikus attraktor kiterjedt (ugyanakkor nulla térfogatú, azaz
fraktál) objektum a fázistérben, amint a 2. ábra is mutatja
(Ott, 1993; Tél − Gruiz, 2002). A belső változékonyság tehát a klíma
káoszszerű tulajdonságát, előrejelezhetetlenségét is jelzi.
Érdemes felidézni a káoszelmélet néhány további
állítását, amelyek hasznosak lesznek a következők szempontjából. A
sokféle állapot szimultán jelenléte a rendszer inherens, objektív
tulajdonsága, amely külső hatásra (pl. pontosabb mérés, jobb
numerikus eljárás alkalmazása) nem csökkenthető. Ezek a
mozgásállapotok nagyobb vagy kisebb sűrűséggel halmozódhatnak az
egyes fázistérbeli pontok környékén, s ezzel valószínűség-eloszlást
definiálnak (példaként előre utalunk a 3. ábrára). A káosztan egyik
fontos állítása, hogy miközben egyedi mozgásokat követve az
előrejelezhetőség gyorsan elvész, az eloszlások szintjén a káosz
tetszőleges pontossággal jelezhető előre (Ott, 1993; Tél − Gruiz,
2002) hosszú távon.
A káoszelmélet első évtizedeiben olyan
disszipatív rendszereket vizsgált, amelyekben a súrlódás okozta
veszteséget időben állandó vagy periodikusan változó külső hatás,
gerjesztés pótolja. Az elsőre példa a klasszikus Lorenz-modell
(amelyben a gerjesztés állandósága különösen világos az ekvivalens
vízikerék esetén [Gleick, 1999; Tél − Gruiz, 2002], amelyben az
egyenletesen folyó víz adja a gerjesztést), a másodikra pedig a
periodikusan húzogatott felfüggesztésű inga esete. A jelenségeknek
ebben az osztályában bizonyított tény az ergodicitás: egyetlen
fázistérbeli pálya, azaz trajektória mentén vett hosszú időátlag
megegyezik az attraktor természetes eloszlásával vett
sokaságátlaggal (Eckmann − Ruelle, 1985). Egy kaotikus attaktort
leggyakrabban egyetlen tetszőleges helyről indított mozgás hosszú
idejű követésével szokás kirajzolni, de ugyanazt kapjuk, ha sok
különböző kezdőfeltételt indítunk, s bizonyos idő elteltével
hirtelen megállítjuk az összes mozgást.
A 90-es évektől megjelent a káoszelméletben az az általánosabb
fogalmi háttér, amely tetszőleges időfüggésű gerjesztések esetén is
alkalmazható: a pillanatkép attraktor (snapshot attractor) fogalma.
Már a Filipe Romeiras, Celso Grebogi és Edward Ott által írt első
cikk (Romeiras et al., 1990) érdekes különbségre hívta fel a
figyelmet: egyetlen hosszú zajos trajektória szétkent alakzatot
rajzol ki a fázistéren, míg a sok különböző kezdőfeltételből induló
mozgás, a sokaság, ugyanazt a zajfüggvényt alkalmazva mindegyik
pálya mentén, strukturált rajzolatot alkot minden adott pillanatban,
és ez változik az időben.
Ebből rögtön következik, hogy az ergodikus
hipotézis nem teljesül a tetszőleges gerjesztésű esetekben. A
fogalom segítségével magyarázhatóvá váltak olyan jelenségek,
amelyeket a hagyományos képben nem értettünk, így például egy időben
szabálytalan áramlásban kialakuló fraktálsodródási mintázat mint
pillanatkép attraktor, amely a Science címoldalára is felkerült
(Sommerer − Ott, 1993).
A párhuzamos földi klímák elmélete
A pillanatkép attraktor fogalmának a dinamikai rendszerek területén
zajló lassú terjedését felgyorsította, hogy Michael Ghil és
munkatársai nagyjából egy évtizede újra felfedezték, és kissé
általánosították a pillanatkép attraktor fogalmát (ők a visszahúzási
attraktor [pullback attractor] elnevezést használták) (Ghil et al.,
2008), s rögtön utaltak a klímadinamikában várható fontos szerepére.
Világossá vált, hogy a klímaváltozás összefüggésében nem a zajos
gerjesztés, hanem a paraméterek folyamatos csúszása (mint például az
üvegházhatású gázok koncentrációjának emelkedése, amely globális
felmelegedést eredményez) a fontos, amelyet a gerjesztés
determinisztikus (zajmentes) változása ír le.
Képzeljük el egy pillanatra azt, hogy a
klímarendszert egy kezdeti eloszlásból indítjuk, azaz sok különböző
kezdőfeltételt választunk. A súrlódásos rendszerek általános
viselkedése alapján a rendszer elfelejti kezdeti eloszlását. A
kezdőfeltételekből kifejlődő sokaságra nézve ez azt jelenti, hogy az
összes mozgás pillanatnyi állapota egy idő után már teljesen
független attól, hogy honnét indultak. Az ehhez a viselkedéshez való
közeledés a disszipáció tulajdonságai alapján exponenciális jellegű,
gyors, ezért azt mondhatjuk, hogy valamely tc konvergenciaidő után a
kezdőfeltételek már elfelejtődtek. Tehát a tc idő után a sokaság már
nem a szimuláció inicializálását tükrözi, hiszen azt elfelejtette,
hanem a rendszer belső dinamikájából adódóan spontán módon
előforduló állapotok összességét. Ebből az következik, hogy a
sokaság elemei ettől kezdve helyesen reprezentálják ezen lehetséges
állapotok tárházát. Definíció szerint ez a klímánk pillanatkép
attraktora.
A klímaváltozás viszonylatában az attraktort
kirajzoló sokaság a lehetséges földi klímák összessége: párhuzamos
földi klímákon a klímánk ezen különféle lehetséges viselkedéseit
értjük. Szemléletesen fogalmazva, képzeljük el a Föld-rendszer
számos másolatát, amelyek különböző hidrodinamikai pályákon
mozognak, azonos fizikai törvényeket, peremfeltételeket követve,
adott besugárzás mellett. Párhuzamos földi klímaállapotoknak
nevezzük a sokaság elemeit adott pillanatban, de csakis a tc
konvergenciaidő eltelte után, időfejlődésüket pedig
klímatörténeteknek. A párhuzamos földi klímatörténetek tehát éppen a
klímánk belső változékonyságát tükrözik. Összességük
valószínűség-eloszlást is meghatároz, a pillanatkép attraktor
természetes eloszlását, minden egyes pillanatban, s ezekkel
képezhetők például pillanatnyi átlagok. Így megteremtődik a keresett
lehetőség arra, hogy klímánk pillanatnyi változását is értelmezzük:
ez a sokaságátlag időderiváltja. A statisztikus fizika szempontjából
ez a természetes eloszlás a Gibbs-féle sokaság általánosítása időben
változó paraméterű nemegyensúlyi rendszerekre.
Így a klímadinamikai vizsgálatokban is el kell
fogadnunk, hogy a hosszú idejű időátlag egészen más mennyiség, mint
a sokaságátlag. Az előbbi már fogalmilag sincs jól definiálva (mi
értelme lehet például egy ezeréves időátlagnak?), míg az utóbbi
elméletileg releváns, egyúttal jól használható mennyiség. A tc
konvergenciaidő numerikus szimulációkban is megmutatkozik, a
tapasztalat szerint ez a vizsgált, számunkra érdekes
időintervallumnak csupán töredéke.
Klímaváltozás Lorenz elemi modelljében
Több mint húsz évvel klasszikus modellje (a Lorenz-attraktor)
(Szépfalusy − Tél, 1982; Gleick, 1999; Götz, 2001) publikálása után
Edward Lorenz megfogalmazta a mérsékelt övi légkörzés elemi
modelljét mindössze három elsőrendű differenciálegyenlet formájában,
amelyben a nemlineáris tagok szintén kizárólag másodfokúak (Lorenz,
1984). Az x, y, z változókhoz meteorológiai jelentést rendel: x
jelenti a nyugati szél pillanatnyi erősségét egy féltekére (például
az északira) átlagolva, y és z pedig az egyenlítőtől a sarkvidék
felé mutató hőtranszport két módusának időfüggő együtthatója,
szemléletesen a ciklonális aktivitás mérőszámai. A rendszer
hajtóereje természetesen a Napból beérkező sugárzás energiája, amely
konkrétan egy F-fel jelölt paraméterben jelenik meg. Ez az egyenlítő
és a sarkvidék közötti hőmérséklet-különbséggel arányos (és a légkör
átlagos szén-dioxid tartalmával is kapcsolatba hozható). A modell
egyszerűsége ellenére a légkör fontos tulajdonságait írja le,
például a telek (nagyobb F érték) aktívabbak (erősebb időfüggés),
mint a nyarak (kisebb F). Létrehozását többen a modellalkotás
mesterművének tekintik (Provenzale − Balmforth, 1999), s számos
publikáció foglalkozik ezzel az egyszerű rendszerrel (például
Nicolis et al., 1995; Freire et al., 2008; Bódai − Tél, 2012; Drótos
et al., 2015) .
A modell időegysége öt napnak (a ciklonok átlagos
élettartamának) felel meg, s ezért Lorenz számára is természetes
volt az évszakos ingadozás bevezetése, az F mennyiséget szinuszos
időfüggésűvé tette T = 73 időegység = 365 nap periódussal valamely F0
átlagérték körül (Lorenz, 1990).
A napjainkban megfigyelt klímaváltozásban a
globális felmelegedés elsősorban a sarkvidékek melegedéséből adódik,
azaz a hőmérsékletkontraszt időben átlagosan csökken. Ez a modellben
úgy vehető figyelembe, hogy az F0 átlagértéket magát is
időfüggővé tesszük. Az időszámítás kezdetét úgy választjuk meg, hogy
a változás a t = 0 pillanatban kezdődjék, előtte F0
állandó, utána pedig az egyszerűség kedvéért időben egyenletesen
csökken 150 évig, ahogyan az 1.
ábra mutatja.
A pillanatkép attraktor
A modellklíma belső változékonyságát tükröző pillanatkép attraktort
úgy állítjuk elő, hogy kezdeti feltételként N = 106 számú
véletlenszerűen elosztott pontot veszünk az (x,y,z) fázistér nagy
tartományában, a t0 = -250 évben. A részletes vizsgálat
szerint az attraktorhoz tartás öt év alatt mindig bekövetkezik
legalább ezrelékes pontossággal, a konvergenciaidő tehát tc
= 5 év. Mind az N trajektóriát követjük a t > t0 (negatív
vagy pozitív) időpontig, s a sokaság t > t0 + tc után nem
más, mint a pillanatkép attraktor. Minden pont pillanatnyi
koordinátái egy-egy lehetséges párhuzamos klímatörténet pillanatnyi
állapotának felelnek meg. Az attraktor alakja a t = 0 pillanat
elérésig nem változik, hiszen nincs klímaváltozás, utána azonban
minden pillanatban más és más. Ezt a
2. ábra illusztrálja, ahol a
jobb áttekinthetőség kedvéért csak azokat a nyugati szél és
ciklonaktivitás koordinátákat ábrázoltuk, amelyekben a z változó
értéke éppen zérus, hogy jól követhető síkbeli ábrákhoz juthassunk.
Elsőként arra hívjuk fel a figyelmet, hogy a
pontok eloszlása mindegyik esetben kiterjedt, mutatva modellklímánk
jelentős belső változékonyságát. Utóbbi hiányát az jelenti, ha az N
számú sokaságelem mind az (x,y) sík egyetlen pontja körül halmozódna
az év ugyanazon napján: a klíma dinamikája ekkor nem lenne
káoszszerű. Ez az egyszerű modell már jól illusztrálja, milyen
drámai tulajdonság a belső változékonyság. Az attraktor kiterjedt
mivoltát a hagyományos káoszelméletben az előrejelezhetetlenség
következményeként szokás kezelni, hiszen akármilyen kis tartományból
indulnak is a pontok, rövid idő (tc) után erősen
szétszóródnak. Mi most azt látjuk, hogy a szétszóródás végeredménye
ugyanaz akkor is, ha nagyobb fázistérbeli tartományból indul a
sokaság, hiszen, mint említettük, a kezdőfeltétel elfelejtődik. A
következő fontos vonás az, hogy a ponthalmaz, a pillanatkép
attraktor változik időben. Mindegyik ábra N sokaságelemet tartalmaz,
de ezek a sík más-más pontjai köré esnek, vagyis a lehetséges
klímaállapotok mások az egyes években. Példaként tekintsük a 25.
évben az x = 0 … 0,5, y = 1,2 … 1,4 tartományba eső szigetszerű kis
alakzatot. Ez egyfajta extrém időjárást reprezentál, amelyben alig
fúj a szél, a ciklonaktivitás viszont lényeges. Az 50. évre a sziget
mérete lecsökkent, azaz ilyen típusú extrém időjárás egyre kevésbé
valószínű, majd a 100. évtől teljesen el is tűnik. Ugyanakkor számos
más változás is zajlik a pillanatkép attraktor finomszerkezetében,
ahogy múlik az idő. Absztrakt szinten fogalmazva azt mondhatjuk, a
klímaváltozás nem más, mint a pillanatkép attraktor (a párhuzamos
klímaállapotok tárházának) időbeli változása (Bódai − Tél, 2012).
Vegyük észre, hogy a pillanatkép attraktor
kiterjedése korlátos, azaz nagyon nagy x vagy y értékek nem
fordulhatnak elő (a nyugati szél és a ciklonaktivitás nem lehet
tetszőlegesen erős). A maximális ciklonaktivitás fokozatosan csökken
2,5-ről valamivel 2 alá, míg a maximális szélerősség alig változik.
Érdemes itt megemlíteni a periodikus külső
gerjesztések esetén megjelenő hagyományos kaotikus attraktorok és a
pillanatkép attraktorok közötti lényegi különbséget. Alakjukban ez
nem mutatkozik meg, hiszen a 2. ábra bármelyik rajzolata
tartozhatna hagyományos attraktorhoz is. Ez utóbbiakra érvényes a
sokszor hallott állítás: „egyetlen hosszú trajektória bejárja a
kaotikus attraktort”. Ez az a szemlélet, amellyel most szakítanunk
kell, hiszen az állítás nem más, mint az ergodikusság kifejezése,
amely tetszőlegesen változó gerjesztés esetén nem érvényes. Ilyenkor
a pillanatkép attraktort nem lehet bejárni, az csak a sokaság tagjai
pillanatnyi állapotainak összességeként értelmezhető.
A pillanatnyi természetes eloszlás
Amint említettük, a sokaság elemei nagyobb vagy kisebb sűrűséggel
halmozódhatnak az egyes fázistérbeli pontok körül, amit az egyes
képek egyenetlen pontsűrűsége mutat a 2. ábrán. Az (x,y)
síkot pixelekre bontva a sokaság tagjainak halmozódása
valószínűség-eloszlást definiál minden t időpontban, amit a
pillanatkép attraktor |
|
természetes eloszlásának nevezünk. Ez azt mutatja
meg, hogy az egyes pixelek által reprezentált klímaállapotok
mennyire gyakoriak a párhuzamos klímatörténetek sokaságában. A
3. ábrán ez a természetes
eloszlás látható a klímaváltozás különböző pillanataiban.
Ami leginkább szembeszökő, az az eloszlások
nagyfokú inhomogenitása: nemcsak a tartójuk, hanem az
eloszlásfüggvények maguk is fraktálok. A két utolsó évet azért
választottuk egymást követően, hogy demonstrálják, egyetlen év
eltelte után (miközben a pillanatkép attraktor alakja − a lehetséges
klímaállapotok összessége − alig változik) az egyes állapotok
gyakorisága drámaian különbözővé válhat. Érdemes tudatosítani azt
is, hogy az attraktor korlátos kiterjedése most úgy tükröződik, hogy
nagy x,y értékekre az eloszlás eltűnik, ezek tehát nem kis
valószínűségű állapotok, hanem meg nem valósuló, azaz lehetetlen
klímaállapotok.
Itt érdemes röviden visszatérni a tc
konvergenciaidő jelentésére. Mint tudjuk, ez öt év, s ez azt is
jelenti, hogy ha sokaságunkat nem a t0 = -250 évben indítjuk, hanem
ugyanabból a fázistérbeli tartományból csak mindössze öt évvel a
3. ábra bármelyik t időpontja előtt, akkor numerikusan ugyanazt
az eloszlást kapjuk a t pillanatra, mint amit az ábrán látunk (noha
az ahhoz tartozó sokaság a -250. évben indult). Azt mondhatjuk
tehát, hogy a 3. ábra természetes eloszlásai objektívek (nem
függnek az előállításuk részleteitől, amíg csak t > t0 +
tc). Így joggal jelenthetjük ki, hogy ezek a statisztikus
fizikából ismert Gibbs-féle eloszlások, vagy a
Maxwell−Boltzmann-eloszlás általánosításai a klímaváltozás esetére,
vagyis olyan nem egyensúlyi rendszerre, amelynek paraméterei
tolódnak az időben. Ezen eloszlások nem adhatók meg egyszerű
képletekkel, de mint láttuk, numerikusan könnyen meghatározhatók.
Sokaság- és időátlagok
A természetes eloszlás ismeretében lehetőség nyílik arra, hogy
bármelyik t pillanatban megadjuk valamely fizikai mennyiség átlagát
(vagy bármely magasabb momentumát). Az egyedi történet és a
sokaságátlag drámai különbségét mutatja a
4. ábra felső képe. Itt vékony
vonallal látjuk az N elemű sokaság egyik kiválasztott tagjában a
nyugati szél erősségét. Feltűnő az x értékek széles tartományban
történő ingadozása már a klímaváltozás előtt (t < 0-ra) is, és ehhez
képest alig látunk változást a klímaváltozás utáni években. Hasonló
a viselkedés bármely másik klímatörténetben is. Ezzel szemben az x
mennyiség sokaságátlaga (vastag vonal) tisztán láthatóan konstans a
negatív években, s csak utánuk kezd változni. A sokaságátlag tehát
hűen visszaadja a klímaváltozás folyamatát. (A vastag vonal
klímaváltozás alatti ingadozásai abból adódnak, hogy a természetes
eloszlás egy év alatt is drámaian átrendeződhet, amint a 3. ábra
két utolsó képe illusztrálja.) Az egyes történetek a
sokaságátlagtól jelentősen eltérnek mind a klímaváltozás előtt, mind
alatta, ezért egyik egyedi klímatörténet sem reprezentatív.
Végül rátérhetünk a harmincéves időátlagok
hasznosságának kérdésére. A 4. ábra jobb oldali képe a bal
oldali képre szürke vonallal rárajzolva mutatja a vékony vonal
egyedi idősora felett képzett harmincéves mozgóátlag időfüggését.
(Az időátlagokat az időintervallumok közepéhez rendeltük, ezért
szakad meg a szürke vonal a 135. évben.) Látszik, hogy a harmincéves
átlagok természetesen simítják az eredeti idősort, de jelentősen
eltérnek a sokaságátlagtól. Egészen eltérő trendeket sugallnak, ami
különösen feltűnő a stacionárius klímán belül, ahol a példában a
-30. és -20. év között jelentős csökkenést mutat a harmincéves
átlag. Az eltérés jelen van a változó klímában is, a 65. és 70. év
között például a harmincéves átlag nő, míg a sokaságátlag csökken.
Azt mondhatjuk tehát, hogy a harmincéves időátlag modellünkben még a
változatlan klímában (ami pedig ergodikus) sem elég hosszú ahhoz,
hogy jól közelítse a sokaságátlagot. Becsléseink szerint ebben a
modellben a 10%-os egyezéshez kétszáz éves, az 1%-oshoz húszezer
éves átlagra lenne szükség (Drótos et al., 2016). Tehát a
klímaváltozás során az időátlag és a sokaságátlagok egyezése még
közelítőleg sem garantált, hiszen a probléma nem ergodikus.
Klímaváltozás a Planet Simulator nevű
globális klímamodellben
A Planet Simulator (PlaSim) közepes összetettségű Föld-rendszer
modell, amelyet a Hamburgi Egyetemen dolgoztak ki; szabadon
letölthető (URL1).
Legfontosabb tulajdonságai: A fontos fizikai törvényeket, pl. a
megmaradási tételeket pontosan tartalmazza, és egyszerű
paraméterezéseket használ a turbulencia és csapadékképződés
követésére. A domborzatot kb. 5°os (600 km-es) felbontásban
tartalmazza, tíz légköri réteget különböztet meg, az óceánt hő- és
vízforrásként kezeli. A diszkretizációk következtében a szabadsági
fokok száma százezres nagyságrendű. A futásokból számos kimenő
mezőadat kapható, például hőmérséklet, szél a különböző
légrétegekben, felszíni nyomás és csapadék. Mindezek eloszlása
földrajzi térképeken is megjeleníthető, és ezen eloszlások időben
természetesen változnak. Egyetlen futtatás tehát a különböző mezők
időfejlődését, „mozijait” eredményezi. Az előző elemi modellel
ellentétben most lehetőség nyílik tehát nemcsak globális, hanem
különböző lokális mennyiségek (például a Kárpát-medence
hőmérséklete) és az ezek közötti korrelációk vizsgálatára is. A
párhuzamos klímatörténetek számát a jelentős futási idő
természetesen korlátozza, ezért vizsgálatainkban negyvenelemű
sokaságot használunk. A kezdeti mezők csak a felszíni
nyomáseloszlásban különböznek kismértékű véletlen perturbációk
erejéig. Amit e nagy modellben elveszítünk, az a természetes
eloszlás közvetlen ábrázolása, hiszen ennek a függvénynek 105
változója van. Amire lehetőségünk van, az ezen eloszlás vetületének
vizsgálata néhány kiszemelt változóra.
A modellben előírható a légkör emberi eredetű CO2-koncentrációjának
változása. Az 5. ábra
mutatja a forgatókönyvet. Az első 600 évben a koncentráció
változatlan, értéke az ezredforduló környékén mért valóságos adat. A
600. és 700. év között a koncentráció megkétszereződik (ahogy számos
klímamodellben szokás). Eddig a forgatókönyv jellege megfelel az
1. ábrán látottnak, hiszen a CO2-szint növekedése
globális felmelegedéshez, s ezzel az Egyenlítő és a sarkvidék
közötti hőmérsékletkontraszt csökkenéséhez vezet. A 700. évtől
kezdve új vonásként megjelenik egy 350 év hosszúságú CO2-plató,
amelyet egy száz év alatt lezajló visszacsökkenés követ (ebben
globális lehűlést várunk) az eredeti értékre.
Az eredmények bemutatása előtt hangsúlyozzuk,
hogy nem célunk semmiféle előrejelzés, a számértékeket nem tekintjük
feltétlenül megbízhatónak, csak a pillanatkép-koncepciót kívánjuk
tesztelni e globális modellen.
Lokális hőmérséklet
Meghatároztuk a Kárpát-medence földrajzi helyén (a környező hegyeket
is beleértve) a helyi felszíni hőmérsékletet mind a negyven
sokaságelemben az 1500. év végéig. Ezeket ábrázolják a vékony
vonalak a 6. ábrán. Érdemes
ezeket rögtön összevetni a sokaságátlaggal, amelyet a vastag vonal
ad meg. A vékony vonalak és az átlag közötti eltérés most is nagy:
bármelyik szürke görbét kiválasztva hasonló különbséget találnánk a
vastag vonalhoz képest, mint a 4. ábrán, szakaszonként még a trendek
is különbözhetnek. Most is arra jutunk tehát, hogy az egyedi
idősorok nem reprezentatívak.
Szembetűnő, hogy az első 600 éven belül konstans hőmérsékletet
találunk, kb. a 150. évtől kezdve. Az ehhez a konstanshoz vezető
lecsengés annak tulajdonítható, hogy a kezdeti feltétel egyéni
választásunk volt, s nem remélhettük, hogy pontosan rajta lennénk az
attraktoron. A tc =150 év a korábban is említett
konvergenciaidő, amennyi idő alatt a rendszer elfelejti
kezdőfeltételét. T > tc (=150 év)-re a vékony vonalak
összessége, illetve az átlag a CO2-szint időfüggéséhez
hasonló rajzolatot ad, s mutatja, hogy a pillanatkép attraktor mozog
az időben a klímaváltozás kezdetétől kezdve. Pontosabban, amit
látunk, az a párhuzamos klímatörténetek egyedi időfüggései által
feltérképezett belső változékonyság vetülete a Kárpát-medence
hőmérsékletének változójára. Ennek megfelelően a vastag vonal a
helyi hőmérséklet pillanatkép attraktor feletti átlaga. Az attraktor
objektív létezésének bizonyítékaként újabb negyvenelemű sokaságokat
indítunk az 570. és az 1020. évben (ugyanolyan típusú
kezdőfeltétellel, mint t = 0-ban). Az ezekkel képzett
sokaságátlagokat a vastag szürke vonalak mutatják, s jól látszik,
hogy viszonylag gyorsan elérik az először indított sokaság átlagát.
Ráadásul az elérési idő mindkét esetben kb. 150 év, azaz a tc
konvergenciaidő gyakorlatilag nem is függ a kezdőponttól. Akármelyik
t0 időpontban is indítunk egy sokaságot, az a t > t0
+ tc időtartományban (éppúgy, ahogyan a 3. ábra
kapcsán láttuk) helyesen jeleníti meg a modellklíma belső
változékonyságát.
Hiszterézis
A hőmérséklet átlagának jelentős emelkedése láthatóan nem a 600.
évben kezdődik, hanem némi késleltetéssel. A maximumhoz tartozó
platót a hőmérséklet csak a 800. év körül éri el, majd a csökkenés
is némi késéssel kezdődik, és a hőmérséklet alapszintjéhez történő
visszatérés is csak az 1250. év körül következik be. Mindezek a
tulajdonságok egyedi idősorokból aligha olvashatók ki. Ráadásul a
hőmérséklet menete nem is szimmetrikus a 875. évre, szemben a CO2-szint
függvényével. A visszatérés tehát nem ugyanazon a módon történik,
mint a távolodás, s ez előrevetíti a hiszterézis jelenségét.
Ha a hőmérsékletet (mind az egyes idősorokat,
mind a sokaságátlagot) a CO2-szint függvényében
ábrázoljuk (7. ábra), az
utóbbiban tiszta hiszterézishurkot látunk, míg az egyes idősorokban
ez jóval kevésbé egyértelmű. A hiszterézis fontos következménye,
hogy ha a CO2-szint csökkenése közben ugyanannál a
koncentrációértéknél járunk, mint a növekedési szakaszban, a
hőmérséklet még jóval magasabb. Hiába állítunk tehát vissza egy
csökkentett CO2-tartalmat, a klíma még jóval melegebb
lehet, mint a felmelegedés szakaszában volt ugyanennél a
koncentrációnál.
Összefoglalás
Vizsgálatainkból következik, hogy Földünk éghajlati rendszerének
változatosságát sokkal inkább a párhuzamos éghajlati világok közötti
különbség jellemzi, mint az a változékonyság, amit a megfigyelt
egyetlen múltunkban tapasztaltunk. A klímaváltozásról érdemes a
pillanatkép attraktorok fogalmi hátterével sokaságképben
gondolkozni. Elméleti szinten a pillanatkép attraktor objektív
létező, a klímánk belső változékonyságának kifejeződése, ami
szerencsére technikailag is jól előállítható: a tc
konvergenciaidő a tapasztalat szerint rövid, és a pillanatkép
attraktor még nagy numerikus modellekben is jól követhető.
A változó külső gerjesztés (például
hőmérsékletkontraszt vagy CO2-tartalom) miatt az
ergodikusság elvileg nem teljesül a klímaváltozás során, sőt még
állandó klíma esetén is csak nagyon hosszú idejű átlagolás után
lenne igaz általában, hogy az időátlag jól közelíti a sokaságátlagot
(Drótos et al., 2016). Klímaváltozásban a kettő tehát elválik, s
csak az utóbbi képes arra, hogy adott pillanatra jellemző
kijelentések legyenek vele tehetők. Mindenképpen arra jutunk, hogy
az egyedi idősorok szokásosan használt harmincéves átlagai nem
feltétlenül relevánsak.
A pillanatnyi klímát a pillanatkép attraktor és
természetes eloszlása jellemzi jól. Ennek segítségével meg tudjuk
állapítani, mi tekinthető tipikusnak klímánkban (mi az átlag), és
ettől mekkora eltérések (szórások) várhatók bármely pillanatban. Azt
azonban nem, hogy pontosan mi következik majd be a lehetőségek közül
saját klímatörténetünkben. Ezen nem kell csodálkoznunk, hiszen azzal
kezdtük, hogy a belső változékonyság megléte az
előrejelezhetetlenséget jelenti (2. ábra).
Mire számíthatunk tehát egyetlen megfigyelt
klímánk kapcsán? Először érdemes felidézni a káoszelméletből, hogy
van, amit biztosan tudhatunk: az attraktoron kívülre nem kerülnek
pontok. Láttuk, hogy a pillanatkép attraktor mérete véges, s ebből
az következik, hogy bármely vetülete is véges. Vagyis, minden
mérhető mennyiségre igaz, hogy biztosan nem eshet egy véges
intervallumon kívülre. A mennyiség jellegétől és az időpillanattól
függ, hogy mekkora ez az intervallum. Ha kicsi, a sokaságátlagtól
csak kis eltérések fordulhatnak elő, az adott mennyiség jól
jósolható. Ha pedig nem, a sokaság ismeretében meg tudjuk határozni
az adott mennyiség eloszlását a párhuzamos klímatörténetek
sokaságában. Ezzel tehát nemcsak az átlag kapható meg, hanem az is,
hogy bármely érték mekkora valószínűséggel fordul elő a megengedett
értékek intervallumán belül. Példaként a
8. ábra a Kárpát-medence
hőmérsékletének eloszlását mutatja 1°C-os osztásokban a 650. és az
1100. évben.
Klímánk különböző jellemzőit tehát szintén
valószínűségi szemléletben érdemes előre jelezni, ahogyan az
időjárást is. Az átlag és az attól történő eltérés megjelenik az
IPCC-jelentésben is (IPCC, 2013), ott azonban az átlag a relevánsnak
tekintett klímamodellek egyetlen futtatása fölötti átlag. A
különböző modellek viszont „különböző fizikájú” párhuzamos klímákat
írhatnak le, amelyek egymástól mutatott eltérése nem klímánk belső
változékonyságát, hanem a modellek jelentős pontatlanságait tükrözi.
A cikk szellemében megfelelőbbnek tűnik az egyetlen (megbízható)
modell párhuzamos klímatörténetei alapján történő előrejelzés.
A cikket Szépfalusy Péter emlékének ajánljuk, akinek köszönhetően a
káosztudomány nemzetközi viszonylatban is korán honosodhatott meg
Magyarországon.
Köszönettel tartozunk a Rácz Zoltánnal folytatott mélyreható
eszmecserékért, amelyekben évek óta arra biztatja a kutatói
közösséget, hogy a klímaváltozás kapcsán (is) csak tudományosan
megalapozott állításokat tegyenek.
A munka az NK100296 OTKA-pályázat támogatásával született.
Kulcsszavak: klíma, klímaváltozás, sokaság, pillanatkép
attraktor, konvergenciaidő, globális klímamodell, ergodikusság
IRODALOM
Bódai Tamás – Tél Tamás (2012): Annual
Variability in a Conceptual Climate Model: Snapshot Attractors,
Hysteresis in Extreme Events, and Climate Sensitivity. Chaos. 22,
023110 DOI: 10.1063/1.3697984 •
WEBCÍM
Drótos Gábor – Bódai Tamás – Tél Tamás
(2015): Probabilistic Concepts in a Changing Climate: A Snapshot
Attractor Picture. Journal of Climate. 28, 3275 DOI:
10.1175/JCLI-D-14-00459.1 •
WEBCÍM
Drótos Gábor – Bódai Tamás – Tél Tamás
(2016): Quantifying Nonergodicity in Nonautonomous Dissipative
Dynamical Systems: An Application to Climate Change, Physical Review
E 94, 022214 DOI: 10.1103/PhysRevE.94.022214 •
WEBCÍM
Eckmann, Jean-Pierre – Ruelle, David
(1985): Ergodic Theory of Chaos and Strange Attractors. Reviews of
Modern Physics. 57, 3, 617–656. •
WEBCÍM
Freire, Joana G.– Bonatto, Cristian –
DaCamara, Carlos C. – Gallas, Jason A. C. (2008): Multistability,
Phase Diagrams, and Intransitivity in the Lorenz-84 Low-order
Atmospheric Circulation Model. Chaos. 18, 033121 DOI:
10.1063/1.2953589 •
WEBCÍM
Ghil, Michael – Chekroun, Mickaël D. –
Simonnet, Eric (2008): Climate Dynamics and Fluid Mechanics: Natural
Variability and Related Uncertainties. Physica D: Nonlinear
Phenomena, 237, 2111–2126. DOI: 10.1016/j.physd.2008.03.036 •
WEBCÍM
Gleick, James (1999): Káosz – egy új
tudomány születése. Budapest: Göncöl Kiadó
Götz Gusztáv (2001): Káosz és
prognosztika. Budapest: Országos Meteorológiai Szolgálat
Herein Mátyás – Márfy János – Drótos
Gábor – Tél Tamás (2016): Probabilistic Concepts in
Intermediate-Complexity Climate Models: a Snapshot Attractor
Picture. Journal of Climate. 29, 259–272. DOI:
10.1175/JCLI-D-15-0353.1 •
WEBCÍM
IPCC (2013): Intergovernmental Panel on
Climate Change, 5th Assessment Report. The Physical Science Basis.
Cambridge: Cambridge University Press •
WEBCÍM
Lorenz, Edward (1984): Irregularity: a
Fundamental Property of the Atmosphere.Tellus. 36A. 98–110. •
WEBCÍM
Lorenz, Edward (1990): Can Chaos and
Intransitivity Lead to Interannual Variability. Tellus. 42A,
378–389. •
WEBCÍM
Nicolis, Catherine – Vannitsem, Stéphane
– Royer, Jean François (1995): Short-range Predictability of the
Atmosphere: Mechanisms for Superexponential Error Growth. Quarterly
Journal of the Royal Meteorological Society. 121, 523, 705–722. DOI:
10.1002/qj.49712152312 •
WEBCÍM
Ott, Edward (1993): Chaos in Dynamical
Systems. Cambridge: Cambridge University Press •
WEBCÍM
Provenzale, Antonello – Balmforth, Neil
J. (1999): Chaos and Structures in Geophysics and Astrophysics.
(Woodshole Lecture Notes) •
WEBCÍM
Romeiras, Filipe – Grebogi, Celso – Ott,
Edward (1990): Multifractal Properties of Snapshot Attractors of
Random Maps. Physical Review A. 41, 2, 784 DOI:10.
1103/PhysRevA.41.784 •
WEBCÍM
Sommerer, John – Ott, Edward (1993):
Particles Floating on a Moving Fluid: A Dynamically Comprehensible
Physical Fractal. Science. 259, 335 DOI:
10.1126/science.259.5093.335
Szépfalusy Péter – Tél Tamás (1982): A
káosz. Véletlenszerű jelenségek nemlineáris rendszerekben. Budapest:
Akadémiai Kiadó
Tél Tamás – Gruiz Márton (2002):
Kaotikus dinamika. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó
Tóth Zoltán – Kalnay, Eugenia
(1997): Ensemble Forecasting at NCEP and the Breeding Method.
Monthly Weather Review. 125, 3297–3319. •
WEBCÍM
|
|