Veðurspá – "ónákvæm vísindi"

Til að spá fyrir um veðrið í dag þarf veðurfræðingur að stunda nám í loftslagsfræðum. Nákvæmnin í veðurspá er hins vegar oft málið hjá grínistum – allir vita jú hversu nákvæm „spáin“ er, ekki satt? Starfsmaður bandarísku veðurstofunnar sagði eftirfarandi eftir að ofsaveður lagði brúðkaupsveislu eftir hádegi í rúst:

„Veðurspá er enn ónákvæm vísindi“, segir Charles McGill sem starfar í Burlington skrifstofu Veðurstofunnar (NWS). Daginn fyrir brúðkaupið hafði veðurstofan spáð stormi seint um kvöldið, en ekki síðdegis. „Kannski verða spálíkönin einhvern tímann nógu góð til að tiltaka nákvæmlega hvenær og hvar einstaka þrumuveður muni gerast, en ég tel þann dag vera langt í burtu.“ (Weather Forecasting, National Geographic, júní 2005, bls. 95).

Hvers vegna, eftir meiriháttar tækniframfarir og rannsóknir í áraraðir, er veðurspá enn „ónákvæm vísindi“?

Jafnvel eftir meiriháttar tækniframfarir og rannsóknir í áraraðir er uppruni veðurs ennþá leyndardómur.

Áður en Kepler uppgötvaði lögmálin um hreyfingu himintunglanna, voru hreyfingar plánetanna í sólkerfinu leyndardómur, af sömu ástæðu og veðrið er leyndardómur í dag – náttúrlögmálin sem stjórna veðrinu eru ekki skilin.

Löngu fyrir tíma stjörnusjónaukanna voru pláneturnar bara þekktar sem ljóspunktar á himninum sem virtust reika um, en enginn vissi hvers vegna. Þar til mannkynið gat spáð fyrir um hvar pláneta myndi birtast á himninum og hvenær hún myndi birtast þar, þá urðu þeir sem rannsökuðu þær að viðurkenna að þeir skildu ekki hreyfingar þeirra. Nýju lögmál Keplers um hreyfingu himintunglanna breytti þessu öllu. Með sólina í miðju kerfinu leyfði nýskilgreindu lögmálin vísindamönnum að sjá fyrir sér pláneturnar á sporbrautum í sólkerfinu sem færði þeim skilning á hreyfingu plánetanna.

Það sama gildir um veðrið. Svo lengi sem við getum ekki spáð fyrir um hvenær og hvar miklir stormar og veðurmynstur munu geysa, getum við ekki sagt að við skiljum náttúrulögmál veðursins. Og við getum ekki spáð fyrir um veðrið fyrr en við skiljum hvaðan veðrið á uppruna sinn.

Myrku tímar vísindanna hafa haldið flestum loftslagsfræðingum frá því að læra það að náttúran öll, þar á meðal veðrið, er grundvölluð á náttúrulögmálum. Til dæmis lýsti veðurfræðingur þessu yfir:

Allt sem þarf til að skapa veður er loft og upphitun frá sólinni. (Weather Forecasting, National Geographic, júní 2005, bls. 95).

Við munum læra að þessi yfirlýsing er röng. Hvernig getur slík yfirlýsing í rauninni verið gerð þegar veðurspá er viðurkennd að vera „ónákvæm vísindi“? Þar til við getum spáð fyrir um veðrið með nokkurri nákvæmni, á hvaða hátt erum við betur stödd en stjörnufræðingar fyrr á tímum sem reyndu að spá fyrir um tíma og staðsetningu reikistjarnanna áður en lögmál Keplers voru uppgötvuð?

Eins og með öll svið vísindanna, vöntun náttúrulögmála í loftslagsvísindum hefur leitt til margra kenninga sem hafa lítið gert fyrir þennan geira. Til dæmis er ein vinsæl kenning sem við köllum fiðrilda-veðurkenninguna sem heldur áfram að hafa áhrif á veðurspá:

Litlir hlutir geta haft gríðarlegar afleiðingar. Þetta var þrýstikraftur áhrifamikils fyrirlesturs veðurfræðingsins Ed Lorenz frá 1972 undir heitinu „Predictability: Does the Flap of a Butterly´s Wings in Brazil Set Off a Tornado in Texas?“ [Forspárgildi: Setja vængjaslættir fiðrildis í Brasílíu af stað hvirfilvind í Texas?]. Lorenz kom með þau rök að flókin kerfi eins og lofthjúpur Jarðarinnar geta breyst vegna, að því er virðist, þýðingarlítilla þátta – vindhviðu hér, auka varma þar. Þetta er áskorun fyrir þá sem spá fyrir um veður. (Weather Forecasting, National Geographic, júní 2005, bls. 98).

Þetta er rétt grundvallarregla – að út frá litlum hlutum geta miklir hlutir gerst. En fiðrildi er örugglega ekki að fara að hafa mælanleg áhrif á hvirfilvind. „Fiðrildaveður“ virðist vera áhugaverð hugmynd sem er gaman fyrir prófessora í veðurfræði að kenna, en hún ögrar heilbrigðri skynsemi og hefur óvart valdið því að veðurfræðingar glati trú sinni á þeim möguleika að einhver geti nokkurn tímann „tiltekið nákvæmlega hvenær og hvar einstaka þrumuveður muni gerast.“

Að sjálfsögðu benda veðurfræðingar á betrumbætur í veðurspám á síðastliðnum áratugum, en ástæðan fyrir því að spár þeirra hafa bæst á stuttum tíma ein einföld: þeir geta bókstaflega séð veðrið koma langt að. Framfarir í tækni, einkum í gervitunglum, gefa veðurfræðingum stöðugt myndir af hnattrænum veðurfyrirbærum. Þessi rauntíma gögn hafa haft mikil áhrif, segir National Geographic:

Þökk sé aðallega skarpari tólum og öflugri tölvum, geta veðurfræðingar teigt sig lengra inn í óþekkta framtíð. (Weather Forecasting, National Geographic, júní 2005, bls. 94).

Að öðlast fleiri gögn með nýrri tækni eykur aðeins þekkinguna á veðurmynstri eins og þau gerast, en þau hjálpa lítið við að spá lengra fram en um nokkra daga, enda er uppruni veðurs enn ekki skilinn. Gervitungl sem líta niður á ský sem hreyfast í áttina til okkar leyfa veðurfræðingum að spá um veðrið á sama hátt og forfeður okkur gerðu það, bara með örlítið meiri fjarlægð!

Hvers vegna getur veðurfræðin með öllum sínum mælitækjum, tölvulíkönum og þekkingu í vísindum ekki spáð fyrir um veðrið með meiri nákvæmni? Þekking okkar á veðrinu er greinilega enn mjög takmörkuð.

Leyndardómurinn um veðrið

McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology er alfræðiorðabók um vísindi, en hún skilgreinir veður á eftirfarandi hátt:

Ástandið í andrúmsloftinu eins og það er ákvarðað af samtíma atburðum nokkurra fyrirbæra í veðurfræðinni á ákveðnu landfræðilegu svæði eða á stórum svæðum Jarðarinnar.

Flest okkar hafa þá tilhneigingu að tala um veðurþætti þegar talað er um veðrið.

Veðurþættir eru hvaða einstaka eðlisfræðilegi þáttur andrúmsloftsins sem er. Á hverjum stað er hægt að fylgjast með a.m.k. sjö slíkum þáttum í einu. Þessir eru ský, úrkoma, hitastig, rakastig, vindhraði, þrýstingur og skyggni. (McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology – fjórða útgáfa, Sibyl B. Parker ritstjóri, Lakeside Press, 1998, bls. 2123).

Þessir þættir veðurs er það sem flest okkar þekkja venjulega sem „veður“. En það eru aðrir þættir tengdir veðri, þótt þeir séu ekki endilega álitnir sem veðurþættir. Þessir eru útskýrðir í sömu alfræðiorðabók:

Ákveðnir ljósfræði- og rafmagnsfyrirbæri hafa verið athugaðir í nokkurn tíma meðal veðurþáttanna. Þar á meðal eru eldingar, norðurljós, sólkóróna og rosabaugar.

Hvernig eru þessir rafmagnsfyrirbæri tengd veðri?

Þessi mikilvæga spurning og svarið við henni er viðfangsefni fyrsta undirkafla 9. kafla í UM og útskýrt þar ítarlega. Hún mun hjálpa til við að opinbera hinn raunverulega uppruna veðurs.

Alfræðiorðabókin talar einnig um aðra „veðurtengd fyrirbæri“ eins og:

…öldur á hafinu og flóð á landi.

Horfa þarf til fyrri kafla um allsherjar flóðið og hugsa um þær vísbendingar sem þar eru að finna sem olli flóðinu. Hlutverk þyngdarkraftsins og áhrif hans á jarðskorpuna er miklu viðameiri en margir hafa talið. Hann gegnir einnig mikilvægu hlutverki í veðri Jarðarinnar. Þegar við höldum áfram í þessum níunda kafla, kemur mikilvægi tveggja ósýnilegra þátta sem hafa áhrif á veðrið betur og betur í ljós. Þessir þættir eru þyngdaraflið og raki.

Veðurfræði og veðurfarsfræði eru bæði nátengd fræðum sem kallast loftslagsfræði, en þau rannsaka m.a. veðrið. Veðurfræði fjallar aðallega um eðlisfræðina í veðrinu en veðurfarsfræði einblínir hins vegar á hina eðlisrænu landafræði. Mig langar á líta á einstaka hluti veðursins á næstu færslum til þess að sýna nýleg uppgötvuð náttúrulögmál sem snúa að veðrinu.

Eitt af stórkostlegum atriðum veðurlíkansins er það, hversu stór vídd vísindafræða sem eru samansett, hjálpa okkur að skilja og ná leyndardóma veðursins.

Bólstraský í góðu veðri

Fyrir nokkrum árum síðan þegar ég bjó austan Hellisheiði en starfaði í Reykjavík, sátum við daglega nokkur samferða í bíl. Þegar við fórum upp Kambana og litum niður yfir Reykjadalssvæðið, þá var það oft umræðuefni hvers vegna það væri að stundum gufuðu nánast óteljandi margir hverir en í önnur skipti þurfti að leita að þeim, aðeins til að finna einn og einn gufustrók. Mér fannst líkleg skýring að ef rignt hafði áður, væri mikið grunnvatn sem gæti skilað sér í gufu, en einnig kom til tals að það hafi verið einhverjir jarðskjálftar nóttina áður. Hið síðarnefnda er ef til vill illskiljanlegt sé þyngdarafls-núningslögmálið ekki skilið.

                 Þyngdarafls-núningslögmálið                        Núningshiti í jarðskorpunni (eða í skorpu hvers himintungls) er orsakað af togi og slökun á aðdráttarkrafti sem virkar á skorpunni vegna annarra himintungla.

Grunnvatnsyfirborð breytist ekki ört með rigningu og hefur lítið að segja um vatn sem hitnar á miklu meiri dýpi en grunnvatnsyfirborðið. Jarðskjálftar var einmitt málið!

Ég hafði aldrei ímyndað mér að ský mynduðust yfir Íslandi, að þau kæmu bara með lægðum en mynduðust í miklu heitari umhverfi en á Íslandi og kæmu síðan fljúgandi hingað. Þó sjást stundum einstaka ský nálægt Hellisheiðavirkjun sem má rekja til mikillar uppgufunar í virkjuninni. Þegar börnin voru lítil, sagði ég stundum í gríni þegar við ókum framhjá Hellisheiðavirkjun: „Sjáið, þarna er skýjaverksmiðjan!“.

Gufan sem við sjáum er rakamettað loft, 100% rakastig. Þegar hún stígur upp í andrúmsloftið, dreifast vatnssameindirnar og „hverfa“ þegar loftið er ekki lengur rakamettað. Engu að síður er vatnið (eða gufan) ennþá í andrúmsloftinu, nú ósýnileg vegna lægri rakastigs.

Vegna þess að við erum með nánast stanslausa jarðskjálfta á ákveðnum svæðum á landinu, myndast mikill núningshiti í jörðinni sem hitar vatnið sem þar er. Afleiðingin eru hverir af ýmsu tagi. Einstaka jarðskjálftar snögghita staðbundið vatn, nálægir hverir verða virkari og mikið magn vatnsgufu, bæði sýnileg og ósýnileg, sleppur út í andrúmsloftið. Á einhverjum tímapunkti mettast loftið af vatni og verður sýnilegt – bólstraský myndast!

Eftirfarandi myndir eiga að sýna nokkur jarðskjálftaský. Þær eru teknar á Reykjanesi og Hellisheiði á degi þar sem tilkynnt var í fréttum um töluverða jarðskjálfta við Bláfjöll.

Vefsíðan vedur.is greinir frá svokölluðum eldbólstrum, eða skýjum sem myndast yfir hitauppsprettu:

Afmarkað hitauppstreymi, svo sem frá eldgosum, gróðureldum eða stórum iðjuverum, myndar oft sérstaka bólstra… Pyrocumulus (eldbólstrar) er nafn sem stundum er notað á bólstraský sem myndast yfir ákafri hitauppsprettu við jörð, svo sem orkuveri eða gróðureldi.

Allar þessar myndir sýna að jarðskjálftaský eru raunveruleg. Á samsettri mynd hér að neðan má sjá nýlega jarðskjálfta á jarðskjálftakorti vinstra megin en hægra megin er mynd tekin með vefmyndavél á Hellisheiði þar sem staðbundin skýjabreiða er augljós. Neðsta myndin er tekin á sama tíma, horft á Hellisheiði að austan, nálægt Ingólfsfjalli.

Uppruni veðurs er greinilega ekki rétt skilgreindur í veðurfræðinni. Hún talar um eina varmauppsprettu, sólina, en þær eru raunverulega tvær: sólin og núningshiti í jörðinni!

Saga gosbrunna

Áður hefur lítillega verið fjallað um gosbrunna, en gosbrunnur er gufugos ofurhitaðs vatns allt frá lítilli stærð (t.d. Strokkur í Haukadal) í verulega stór gos. Þegar vatn breytist í gufu, getur það þanist út um 1700 sinnum upphaflegt rúmmál sitt. Vatn í jarðskorpunni sem hitast upp vegna þyngdaraflsnúnings (skilgreining sjá grænan texta hér) getur þanist það mikið út að það leiði til þess að það sleppur út í formi gufuhvers í gegnum náttúrulegar neðanjarðar vatns- eða gosrásir. Fastar bergmyndanir geta átt sér stað og jafnvel fjöll myndast við gosbrunna undir miklu vatnsdýpi. Það gerist þegar hitastigið eða þrýstingurinn lækkar aðeins. Stundum springur hin ofurhitaða gufa sig í gegnum jarðskorpuna og skilur þá eftir sig vatnsgíg, en með slíkri sprengingu fylgir venjulega mikið af grjóti, seti og steindum sem fljúga upp á yfirborðið. Í hraungosum á Íslandi í dag gjósa eldfjöll storkubergi sem eru steinefni sem eru orðin glerkennd vegna bráðnunar en þau innihalda lítið af vatni. Í atburði hins allsherjar vatnsflóðs hins vegar átti meiriháttar bergmyndun sér stað í vatnsdýpi þar sem vaþrývarma steindir mynduðust, þ.e. steindir sem myndast í vatni, við ákveðinn þrýsting og við ákveðið hitastig. Slíka steina er algengt að finna nálægt yfirborði jarðarinnar í dag.

Gamlir steingervðir gosbrunnar gefa áþreifanlegar vísbendingar um að stórir og miklir gosbrunnar gusu einu sinni út um allan heim og vegsummerkin sem þeir skildu eftir sig gefa sönnun fyrir því hvenær þeir gusu. Í fyrsta sinn í sögunni mun uppruni áður óþekktra seta vera útskýrð sem nútíma jarðfræði hefur skilgreint sem „frávik“.

Erfitt er að ímynda sér stærðargráðu gosbrunnanna í hinu allsherjar flóði sem átti sér stað á jörðinni, jafnvel eftir að hafa séð svipaða gosbrunna annarsstaðar í sólkerfinu (Enkeladus). Þessi ímyndaða mynd á að sýna hvernig gosbrunnur sem gýs á flekaskilum gæti hafa litið út. Neðanjarðar vatn undir þrýstingi myndaði sjón sem aldrei áður (né síðan) hefur sést þegar það braust út í gegnum stóra gosbrunna fyrir þúsundum árum. Í dag eru ótal vísbendingar um þennan atburð til í allri jarðfræðinni sem leyfir okkur að sjá hvernig þessir gosbrunnar mótuðu landslagið.

Enn um gíga

Það sem flestum finnst sjálfsagt að séu árekstrargígar er gömul hugmynd sem spratt upp áður en ný þekking og athuganir síðustu áratuga kom í ljós. Í dag vitum við miklu meira en á dögum tunglfaranna.

Eins og áður hefur verið sagt (í síðustu bloggfærslu), þá er heill undirkafli í UM (7.9) tileinkaður gígum og eiginleikum þeirra. Þessir eiginleikar eru stærð, dreifing, lögun, útkast og margt fleira.

Þessi litla mynd er eitt dæmi af mörgum spurningum sem vakna við rannsóknir á gígum. Hún sýnir „beint í mark“ tvöfaldan gíg á tunglinu sem er næstum því ómögulegt að sé árekstrargígur. Það er eftirtektarvert að það er ekkert útkast eftir árekstur við slíka gíga, en samt gera enn flestir rannsakendur ráð fyrir að þeir mynduðust með loftsteinum. Vatnsplánetulíkanið útskýrir uppruna slíkra gíga.

Svipaða sögu er að segja um þessa mynd hér að ofan. Hún sýnir yfirborð tungls Júpíters, Ganymedes en hér sjást margir tvöfaldir gígar, en bæði ytri gígar annars vegar og innri gígar hins vegar eru ótrúlega svipaðir í stærð. Það er tölfræðilega ómögulegt að svo margir gígar hafi myndast með árekstri þar sem tveir árekstrar eru á nákvæmlega sama stað, endurtekið á öðrum stöðum með loftsteinum af svipaðri stærð. Tvöfaldir gígar eru samt sem áður algengir og koma þeir til vegna endurtekinna vatnsgosa. Þetta eru venjuleg fyrirbrigði vatnsgíga.

Ég lýk umræðunni um gíga með lista yfir þeim sönnunum sem fjallað er um í undirkafla 7.9 í UM sem sýna að flestir gígar komu ekki til vegna árekstra:

Árekstrar-falskenningin

Þegar við tölum um gíga, þá heldur árekstrarkenningin ekki velli vegna skorts á mælanlegum gögnum. Með mælingum eða athugunum á ég einfaldlega við eftirfarandi:

Enginn hefur raunverulega séð stóran atburð háhraða áreksturs og gert nánari athugun á árekstrargígnum.

Afleiðing þessarar staðreyndar teygir anga sína lengra en maður myndi halda. Heil ný vísindagrein varð til á síðustu áratugum vegna þess að rannsakendur trúðu því að jörðin hefði stóra árekstrargíga í hundraða- eða jafnvel þúsundartali og að tunglgígarnir væru árekstrargígar. Enginn hafði rannsakað raunverulegan árekstrargíg vegna atburðar háhraða árekstrar, vitandi að svo sé vegna frásagnar sjónarvotta. Þetta þýðir að rannsakendur hafa gert ráð fyrir að vita hvernig stórir háhraða árekstrargígar líta út. Það eru til a.m.k. þrír þekktir atburðir áreksturs sem eru aðgengilegir fyrir athuganir okkar, a.m.k. að einhverju leyti. Þessir eru:

1. Deep Impact geimkönnuðurinn við halastjörnu (2005)
2. Shoemaker-Levy halastjarnan við Júpíter (1994)
3. Árekstur á Mars (2006)

Deep Impact (2005)

Eitt af nýlegum rannsóknarverkefnum með háhraða árekstur var þegar Temple 1 halastjarnan skall í geimkönnuð úr kopar sem kallaður var Deep Impact á hraðanum 10 km/s. Eftirfarandi mynd sýnir þennan atburð, en hann er í sjálfu sér frábært verkfræðilegt afrek. Verkefnið gaf okkur góða hugmynd um samsetningu halastjarna úr vatni en engin mynd var tekin af árekstrargígnum. Rannsakendur voru ekki vissir um þéttleika yfirborðsins sem varð fyrir árekstrinum en jafnvel þótt við hefðum fengið ljósmyndir af árekstrargígunum, þá er yfirborð Temple 1 líklega ekki sambærilegt skorpu tunglsins né heldur jarðarinnar og væri þess vegna kannski ekki passlegt dæmi um hvernig háhraða árekstrargígar ættu að líta út á tunglinu eða á jörðinni.

Áreksturinn á Júpíter 1994

Annar stórmerkilegur háhraða árekstur átti sér stað árið 1994 þegar halastjarnan Shoemaker-Levy rakst á plánetuna Júpíter. Myndir af þessum árekstri má sjá hér að neðan, en þær voru teknar af Hubble geimsjónaukanum. Innrauða myndin kemur frá 2,2 m löngum stjörnusjónauka Háskólans á Havaí.

Í grein sem fjallar um topp 10 uppgötvanir Hubble geimsjónaukans, kom áreksturinn á Júpíter í fyrsta sæti:

Frá sjónarmiði alheimsins var árekstur halastjörnunnar Shoemaker-Levy 9 á Júpíter ómerkilegur: gígþakin yfirborð á bergreikistjörnum og tunglum bera nú þegar vitni um að sólkerfið sé vettvangur skothríðar. En frá sjónarmiði mannsins hins vegar var áreksturinn viðburður sem upplifaður er einu sinni á ævi: það er talið að halastjarna skýst í plánetu aðeins einu sinni á 1.000 ára fresti að jafnaði. (Hubble‘s Top 10, Mario Livil, Scientific American, júlí 2006, bls. 44).

Ef til vill finna sumir huggun í því að gígþakin yfirborð bergreikistjarnanna „bera vitni“ um að við búum á vettvangi skothríðar, en rannsakendur sem skoðuðu hinn stórfenglega árekstur á Júpíter hafa að mestu leyti gleymt því að gígar geta myndast á meiri en einn hátt. Á jörðinni til dæmis, þar sem hægt er að skoða gíga gaumgæfilega, verða rannsakendur að viðurkenna að vatnsgígar eru miklu fleiri en árekstrargígar, eða í hlutfallinu 100 á móti 1. En þó hafa þeir verið sefaðir í að halda nákvæmlega hið gagnstæða fram varðandi aðra hnetti eins og tunglið, að næstum allir gígarnir þar séu vegna árekstrar.

Auk þess sjáum við að það er algengt að höfundar skjóti inn litlum kenningum í ummælum sínum, hugmyndum sem reyndar hafa engan grunn. Þar sem þetta var í eina skiptið sem mannkynið hefur orðið vitni að stóru himintungli rekast á annað stórt himintungl, þá höfum við enga hugmynd um það hversu oft þetta getur gerst. Það eru ekki til nægileg gögn til að gera tölfræðilega ágiskun um það hversu oft árekstrar gerast og það að segja að „einu sinni á 1.000 ára fresti“ er hrein fegrun á vísindaskrifum.

Hægt er þó að tilgreina tvær staðreyndir varðandi áreksturinn á Júpíter. Í fyrsta lagi voru engir gígar sjáanlegir eftir atburðinn (enda alltaf skýjað) og í örðu lagi myndaðist gífurlegur hiti sem hélst í marga daga, sem sannar það klárlega að svipaður árekstur á jörðinni eða á tunglinu myndi mynda gífurlegan hita sem mjög líklega myndi bræða allt nálægt efni. Þetta er mjög mikilvægur punktur en ástæðan fyrir því mun koma í ljós síðar.

Árekstur á Mars (2006)

Árið 2006 fengust myndir af Mars þar sem sýndir voru árekstrar. Þessir atburðir voru uppgötvaðir þegar eins til tveggja ára gömlum myndum sem teknar voru af Mars geimkönnuði voru bornar saman við nýlegri myndir. Kom þá í ljós að yfirborð Mars hafði orðið fyrir árekstrum af utanaðkomandi hlutum. Myndin hér að neðan sýnir sama staðinn fyrir og eftir einn slíkan atburð.

Því miður er gígurinn of lítill til að geta séð hann í smáatriðum, en stórt lag af útkasti er sjáanlegt sem er um það bil 20 sinnum stærri en þvermál gígsins. Enn fremur eru geislar af útkasti sem eru 50 sinnum stærri en þvermál gígsins augljósir og sjáanlegir.

Aftur á móti sýnir næsta mynd (hér að ofan) hvernig lághraða árekstur lítur út. Genesis gervitunglið féll á jörðina á hámarksfallhraða sem er venjulega um 300 km/h. Andrúmsloft jarðar hægir á fallandi hluti, t.d. fallhlífarstökkvara sem nær hámarkshraða eða laufblað sem hægir á sér í falli vegna loftmótstöðu. Þegar hlutir verða stærri, þyngri eða hraðari, þá hefur andrúmsloftið minni áhrif á hraðann.

Heill undirkafli í UM (7.9) er tileinkaður gígum og eiginleikum þeirra. Þar er hægt að lesa um stórkostlegar uppgötvanir sem varpa mikilvægu ljósi á uppruna gíga.

"Nú vitum við"

Það er forvitnilegt í ljósi mikilvægi myndunar gíga, að umræðan heldur áfram í dag með þessa tvo keppinauta:

Goskenningin og árekstrarkenningin

Goskenningin er auðvitað grundvölluð á sprengikrafti sem streymir út að neðan yfirborðinu á meðan að árekstrarkenningin gerir ráð fyrir sprengikrafti sem kemur ofan á yfirborðið. Ef við skoðum þessar tvær kenningar náið, getum við byrjað að skilja hvers vegna svo langvarandi umræða um myndun gíga hafi verið í gangi.

Gos er venjulega hugsað sem kvika sem rís í gegnum jarðskorpuna þar sem hún flýtur út og ofan á yfirborðið frá eldgíg eða sprungu. Keilulaga eldfjöll er yfirleitt ekki hægt að sjá á tunglinu. Án skilnings á gosbrunnum og  vatnsgígum er ekki mikið vit í eldvirkni á tunglinu og flestir vísindamenn hafa kastað þessari hugmynd á brott.

Árekstrarkenningin fann einn af sínum fyrstu áhangendum snemma á fimmta áratug síðustu aldar með Ralph Baldwin, áhugastjörnufræðingi. Í fyrstu voru hugmyndum hans hafnað af þremur tímaritum um stjörnufræði, en hann hélt áfram rannsóknum sínum á tunglinu og fann áþreifanlegan stuðning á þeim eftir að hafa rannsakað sprengjugíga í kjölfar loftárása bandamanna í Þýskalandi. Hann útbjó línurit úr athugunum sínum og mat sambandið sem „of jákvætt til að vera tilviljun…“ Þó svo að hann hafi verið nálægt sannri uppgötvun af „tilviljun“, þá gaf þáverandi þekking vísindanna (ekkert vatnsplánetulíkan) honum fáa aðra valkosti:

Eina skynsama túlkun á þessu línuriti er að tunglgígarnir, stórir sem litlir, mynda samfellda röð af sprengiholum, sérhver þeirra grafin út af einni sprengingu. Ekki er vitað um nein önnur upptök nægilegrar orku en þá sem loftsteinar myndu veita. (Ralph Baldwin eins og vitnað er í The Modern Moon, Charles A. Wood, 2003, bls. 11).

Árekstrarkenningin hélt áfram að bæta við sig vægi inn í áttunda áratuginn með áframhaldandi átaki í geimkönnun. Þekkingin um háhraða árekstra kom þó síðar, laust fyrir aldamót, en upp að þeim tíma eða á u.þ.b. síðustu 25-30 árum síðustu aldar, voru fáar beinar athuganir á háhraða árekstra í gangi, hvorki í tilraunastofum né í náttúrunni. Tilraunir með hámarkshraða, sprengjur og jafnvel riffilkúlum skilaði engum hraða nálægt þeim hraða sem þörf er á, til að skilja háhraða eða ofurhraða árekstra. Til þess að líkja eftir ofurhraða atburð, þarf nefnilega hraða upp á 10.000 m/s en hraðskreiðasta byssukúla hreyfist á lítilfjörlegum 1.500 m/s hraða. Háhraða árekstrar sem hafa verið athugaðir, mynda nefnilega allt öðruvísi sprengingar og leiða til eiginleika á gígum sem ekki var áður búist við.

Jafnvel þótt flestir rannsakendur halda að fyrrum umræða um gíga sé útkljáð, þá var hún það raunverulega aldrei. UM mun í fyrsta skipti koma fram með vísindalegar sannanir sem safnaðar hafa verið frá mörgum aðilum sem sýna að hvorki eldfjalla-kvikukenningin né árekstrarkenningin sé í raun ábyrg fyrir lang flesta gígana á tunglinu og reyndar á öðrum himintunglum.

Úr grein í Nature frá 1987 standa þessi orð:

Í stjarnfræðilegum skilningi hlýtur tunglið þess vegna að vera flokkað sem vel þekktan hlut, en stjörnufræðingar verða engu að síður að viðurkenna með skömm að þeir hafa enga hugmynd um hvaðan það kemur. Þetta er sérstaklega vandræðalegt vegna þess að lausn þessa leyndardóms var eitt af megin markmiðum bandarískra rannsóknarleiðangra til tunglsins. (The Open Question in Selenology, David W. Huges, Nature, Vol. 327, 28. maí 1987, bls. 291).

Þar sem bein tengsl eru á milli uppruna tunglsins og uppruna tunglgígana, og þar sem við höfum greinilega enga hugmynd um hvaðan tunglið kemur, hvernig getum við verið viss um hvaðan gígarnir koma? Flestir tunglvísindamenn eru sammála Spudis, höfund bókarinnar The Once and Future Moon:

Eftir framlengda umræðu í rúm 200 ár vitum við núna að mikill meirihluti gíganna á tunglinu eru komnir til vegna árekstra fastra hluta við yfirborð tunglsins. (The Once and Future Moon, Paul D. Spudis, Smithsonian Institution Press, 1996, bls. 24).

Hvernig geta vísindamenn „vitað núna“ hvaðan gígarnir koma? Ef við lítum aðeins nánar í vísindaritunum, þá finnum við að umræðan er ekki endilega útkljáð:

Þegar NASA íhugaði fyrst að senda menn til tunglsins, spratt upp mikil umræða um eðli tunglgíga. Þegar skilningurinn á mismun á milli árekstrar- og eldgíga jókst, fannst ein tegund af eldgígum (sprengi- og móbergsgígar) sem hafði svipað útlit og árekstrargígar.

Þessi umræða heldur áfram til þessa dags… (Wohletz, sjá hér).

Það er sjaldan að maður lesi yfirlýsingar eins og þessar, þar sem uppruni tunglgíga er enn talið vera í umræðu. Næstum allar vísindabækur og umsagnir segja að tunglgígarnir séu árekstrargígar. Þessi almenna viðurkenning um árekstra hefur vaxið gríðarlega síðustu tvo áratugi, en eftir sem áður er lítill minnihluti rannsakenda sem segir að umræðan sé enn í gangi – hvers vegna? Vegna þess að ósvaraðar spurningar frá báðum kenningum (árekstur og eldsumbrot) hrúgast upp með nýrri tækni og nýjum athugunum sem bæta við nýrri þekkingu inn í stóru myndina.

Úr 1998 útgáfunni af McGraw-Hill alfræðiorðabókinni um vísindi og tækni sjáum við að gömlu viðmiðin þessara tveggja kenninga hefur orðið æ „flóknara“:

Dældir á nærhlið tunglsins, þ.e. Imbrium, Serenitatis og Crisium, virðast vera barmfullar. Þessar dældir voru höf sem mynduðust við mikinn árekstur og myndaðist sig á árekstrarsvæðinu í kjölfarið en (sennilega miklu síðar) flæddi upp hraun úr iðrum tunglsins. Rannsóknir á smávægilegum frávikum í brautarhreyfingu tunglsins hafa sýnt að sérhvert hringlaga haf er svæði jákvæðs fráviks á þyngdarafli (umfram massi). Gamli ágreiningurinn um árekstur á móti eldsumbrotum sem aðal áhrifavaldur dælda tunglsins virðist vera að koma inn í nýja og flóknari stöðu með staðfestingunni á mikilfenglegu flæði hrauns í árekstrargígum á nærhlið tunglsins, á meðan á fjærhliðinni þar sem skorpan er þykkari, eru dældirnar að mestu leyti tómar.

Alveg sama hversu mikið er lagt á sig að púsla saman tveimur stykkjum sem ekki tilheyra saman, það mun aldrei gefa neitt framlag til heildarmyndarinnar. Að þröngva tveimur röngum stykkjum saman gerir ekkert nema að gera myndina „flóknari“, sem er nákvæmlega það sem mælingar á þyngdarafli tunglsins hafa gert við umræðuna um gíga. Sannsögull jarðfræðingur eins og John W. Valley hefur viðurkennt:

…jafnvel þótt að árekstrarlíkanið fyrir myndun tunglsins er almennt viðurkennt, þá þráast áfram þýðingamiklar spurningar. (A Cool Early Earth, John W. Valley og fleiri, 2002, Geology 30, bls. 353).

UM hefur umræðuna um gíga á ný með ný og áður óathuguð gögn sem sanna að vísindin vita ekki hvernig gígar mynduðust, hvorki á tunglinu né á jörðinni! Í tímanna rás hafa vísindamenn staðhæft að „nú vitum við“ að maðurinn getur aldrei flogið, að sýking kom ekki frá höndum læknis sem er jú hefðarmaður og að tunglið hafi ekki gíga, en samt hafa beinharðar sannanir tvímælalaust sýnt annað. Þetta hefur sýnt sig að vera bæði bölvun og blessun í vísindum. Engin þrjú orð hafa komið vísindamönnum í jafn mikið klandur og orðin „nú vitum við“. Sem afleiðing, og einmitt vegna þessa, forðast menn í laumi sannleikann – að vita hvað er, var og mun vera – í nútíma vísindum. Lykillinn að uppgötvunum er ekki bara að vita hvað er – það verður líka að innihalda þekkinguna á því hvað var og hvað mun vera. Ef restin af tímanum fylgir ekki, mun sérhver vísindamaður sem „veit nú“ þurfa að éta sín eigin orð í hádegismat.

Umræðan um gíga

Í Feneyjum sumarið 1609 var Galileó Galilei heillaður af nýuppfundnu tæki sem kallaðist perspicillum á latínu; tvær linsur í röri sem lét fjarlægan kirkjuturn birtast eins og hann væri nálægur. Hann smíðaði strax sjálfur einn slíkan sem var næstum tíu sinnum öflugri en hinn upprunalegi perspicillum og kallaði tækið sitt sjónauka. Þegar hann benti nýja tækinu sínu í áttina á tunglinu, sá hann gíga, fjöll og höf – hluti sem hafði djúp áhrif á hann sjálfan en eins á fjölda stjörnufræðinga og vísindamenn eftir hann. Mikil umræða átti sér stað á næstum öldum um uppruna gíganna.

Á sjöunda áratug síðustu aldar voru Bandaríkin með í æstu heimskapphlaupi til að senda mann til tunglsins og það varð mjög áríðandi að læra allt sem hægt var að vita um yfirborð tunglsins. Þjóðir flykktust bak við geimfarana sína og vísindamenn kepptust við að halda sínum áætlunum og urðu margir þeirra frægir.

Oflæti um geiminn greip um sig í Bandaríkjunum og víða annars staðar þegar fyrstu þættir hinna alvinsælu Star Trek þáttaraðanna var sýnd í sjónvarpinu og spenningurinn var gífurlegur við að geta séð ójarðneska hluti eins og loftsteinagíg.

Síðan þá hafa vísindamenn gefið hugdettunni um árekstrargíga rómantískan blæ og „uppgötvað“ óteljandi forna árekstrargíga, sumir hafa jafnvel orðið frægir fyrir ákveðinni útrýmingu lífríkis á jörðinni, til að mynda Chicxulub gígurinn við Yucatan skaga í Mexíkó sem á að hafa útrýmt risaeðlunum.

Umræðan um gíga er sögð vera útkljáð en vísbendingar úr vatnsgígalíkaninu sýna annað, enda hafa nútíma vísindi aldrei raunverulega skilið vatnsgíga. Getur umræðan um gíga verið útkljáð ef enginn hefur skilning á því hvernig flestir gígar mynduðust? Hún er langt frá því að vera útkljáð og það er margt sem hægt er að læra til viðbótar í umræðunni um gíga en UM hefur sýnt og metið vísbendingar sem virðast hafa verið skilin eftir óuppgötvuð.

Ég hef fjallað lítilsháttar um gosbrunna og vatnsgíga og sú stórfenglega staðhæfing að þetta tvennt hafi haft veruleg áhrif á breytingar á yfirborði jarðar, jafnvel meiri en nokkuð annað jarðfræðilegt ferli, þar á meðal rof. Í áframhaldandi leit okkar ættu viðfangsefni okkar að fjalla um árekstrargíga, loftsteina og samband þeirra við vatnsgíga.

Tunglið okkar, tungl annarra pláneta og jafnvel sum af minni plánetunum hafa lítinn eða engan lofthjúp og gefa þau okkur frábær tækifæri til að læra um myndun himintungla. Vegna þess að þau hafa engan lofthjúp, hafa þau ekkert veður til að afmynda yfirborð sitt, sem veitir okkur óveðrað svipmót inn í fortíðina en það er ómetanleg hjálp þegar við reynum að skilja hvernig okkar eigin pláneta myndaðist.

Gígar eru án efa ráðandi einkenni þegar horft er á yfirborð pláneta, þar sem þeir koma oftar fyrir en nokkuð annað landslag. Þar til við getum áttað okkur réttilega á því hvernig þessir gígar myndast, verður uppruni þeirra og uppruni pláneta og tungla þeirra áfram hulinn leyndardómur.

Það eru tveir möguleikar í boði. Gígarnir mynduðust annaðhvort af krafti niður á við ofan á yfirborðið, eða af krafti upp á við undir yfirborðinu – staðreynd sem fór ekki fram hjá vísindamönnum áður fyrr. Samtímamaður Isaac Newtons, Robert Hooke, gerði þessar athuganir fyrir rúmlega 300 árum síðan:

Árið 1667 skaut Robert Hooke kúlur ofan í stífan leir sem myndaði litla árekstrargíga. Á hinn bóginn hafði hann einnig soðið blöndu af vatni og mjólkursteini í duftformi, og sprungnu loftbólurnar höfðu líka myndað gíga. (The Cosmic Serpent, Clube og Napier, 1982, bls. 78).

Gæti það verið að margir gígar sem almennt eru taldir vera árekstrargígar séu raunverulega „loftbólugígar“?

Vatnsgígar

Ég ætla að birta nokkrar myndir af vatnsgígum í dag og byrja á St. Helen fjallinu sem fjallað var um síðast, sjá hér. Fáir (þar á meðal ferðamenn sem heimsækja gestamiðstöðina þar) vita að í gosinu 1980 mynduðust einnig vatnsgígar. Þessir gufu-sprengigígar eru vitnisburðir um hvernig vatnsgígar geta myndast í raun hvar sem er, að því gefnu að vatn og hiti sé fyrir hendi.

Öll eldgos eru tilkomin vegna núningshita úr jarðskjálfta. Núningshiti hitar upp berg en einnig vatn sem þar er. Í tilfelli St. Helen, náði frosið yfirborðsvatn og einnig vatn sem kom upp úr jörðinni – sem hafði hitnað vegna núnings – ákveðnu marki og sprakk og myndaði þessa vatnsgíga.

Vatnsgígar St. Helen fjallsins eru með þeim stærstu sem þekktir eru sem hafa myndast beint fyrir framan vísindalegum athugunum. Í dag eru nánast engin merki um þá þar sem þeir hafa fyllst af leðju og aurskriðum. Þeir eru nánast órannsakaðir enda er horft fram hjá þeim sem ómikilvægir í jarðvísindum í dag.

Hér sjáum við Panum vatnsgíg sem er í Kaliforníu, Bandaríkjunum. Hann minnir mig á sprungna loftbólu í morgunmatnum mínum úr blöndunartækinu.

Til viðbótar við vatnsgíga á landi, þá er hægt að læra heilmargt með því að líta ofan í hafið.

Á síðasta áratug eða svo hefur ný tækni gert okkur það kleift að skoða niður í dýpi sjávar á gersamlega nýjan hátt. Eins og svo oft áður, þá geta nýjar athuganir verið áskorun fyrir gamlar hugmyndir.

Það var eftir að við höfðum verið á tunglinu og sú rómantíska hugdetta loftsteinagíga hafði fast grip á vísindunum, að mikill fjöldi vatnsgíga, sumir enn að myndast, uppgötvuðust handan meginlandsstalls við Nova Scotia, Kanada.

Þessi "formfræðileg" einkenni á sjávarbotninum, uppnefnd "bóluör", voru fyrst uppgötvuð árið 1970. Þær vöktu litla athygli þar til nýlegar tækninýjungar leyfði rannsakendum að skoða þær á miklu dýpi. "Bóluörvar" voru útskýrðar þannig í grein í Marine Geology tímaritinu árið 2003:

Nú til dags er því almennt trúað að bóluörvar eigi upptök sín í gasuppdrifi úr þunnum gaspokum í yfirþrýstingi sem sundrar setið í vatninu, eða í miklum og linnulausum vökva sem losnar og sem hindrar að setið sest inn í og í kringum gegnumstreymið. (Deep Sea Pockmark Environments in the Eastern Mediterranean, Lyobomir Dimitrob, John Woodside Marine Geology, 195, 2003, bls. 263-264).

Bóluörvar líkjast mjög vatnsgígum, nema að þær eru neðansjávar. Þó svo að gufusprenging geti átt sér stað – undir áhrifum þrýstings vegna ofanáliggjandi vatninu – þá eru flest gos í eðli sínu úr vatni. Greinin í Marine Geology heldur áfram:

Bóluörvar [vatnsgígar] eru lang algengastar nálægt drulluspúandi fjöllum og meðfram sprungum á virkum vökvalosunarsvæðum.

Það að vatnsgígar geti spýtt út óbráðnaða steina upp á yfirborð meginlandanna og eins á djúpum hafsbotni hefur verið týndi hlekkurinn í skilningi okkar um hvernig yfirborð pláneta hafa myndast. Með þessum hlekki getum við séð gíga tunglsins, Mars og annarra pláneta í nýju ljósi þegar við setjum einstök púslustykki náttúrunnar saman.

Svipmót á milli bóluörva á sjávarbotni og gíga á yfirborði tunglsins eru tvímælalaus, eitthvað sem fór ekki fram hjá rannsakendum:

Bóluörvar [vatnsgígar] birtast á ómskjám sem svokallaðir tunglblettir. (Sama grein og áður).

Að sjálfsögðu vísa þeir til svipmótanna sem "svokallaðir", vegna þess að í hugum þeirra er enginn möguleiki að tunglið geti nokkurn tímann hafa verið þakið vatni. En sem betur fer eru sannleikur og tími í sama liði. Hliðrun í áttina að vatnsplánetulíkans og framfarir í tækni munu skipta gamalli kenningu sem ósamrýmanlegri út fyrir nýjar athuganir. Vísindamenn spáðu einu sinni í því hvort Mars hafi nokkurn tímann verið þakinn hafi. Síðan, fyrir nokkrum árum, safnaði Mars Exploration Rover verkefnið fullt af gögnum til stuðnings fyrir því að Mars hafi einmitt verið þakið höfum.

Uppruni Mars og tunglsins hefur enn ekki verið tengt vatni, en rannsóknarverkefni framtíðarinnar munu halda áfram með að útvega upplýsingar til stuðnings á uppruna þeirra í vatnsplánetulíkani.

Vatnsgígavísindi er á byrjunarstigi en með bjarta framtíð fyrir sér.

Áskorun fyrir þig, kæri lesandi: Skrifaðu í athugasemd hér að neðan hvaða gígur á Íslandi gæti flokkast sem vatnsgígur. Legðu nú höfuð í bleyti!

Vatnsgos

Hugmyndir okkar um eldfjöll er oftast einhæfar: eldspúandi fjall með hraunflæði. Íslendingar hafa almennt aðeins meiri þekkingu á jarðfæði og eldfjallafræði en almenningur í löndum sem upplifa ekki eldgos á sama hátt og við gerum. Þess vegna vitum við að eldgos getur verið meira en þetta, t.d. svokölluð sprengigos á borð við Eyjafjallajökul, þar sem lítinn eða engan „eld“ og hraunflæði er að sjá. Í færslu um Kerið sýndi ég nýlega hvernig vatnsgígar myndast og að sprengikraftur eldgosa á uppruna sinn í vatni sem fasaskiptist í gufu og vill þenjast út – og springur ef það gerist nógu fljótt og í nægilega miklu magni.

Sumir vatnsgígar á Íslandi eins og Kerið hafa myndast í einni slíkri sprengingu en einnig eru dæmi um að heilu eldgosin hafa í raun verið vatnsgos. Í slíkum tilfellum er hægt að tala um vatnseldfjöll. Eld-hluti orðsins er í raun villandi og setja mætti gæsalappir utan um hann (vatns“eld“fjöll) en ekki er þá um sjáanlega kviku að ræða.

Gos í Eyjafjallajökli 2010 var ekkert annað en vatnsgos. Gífurlegt magn af vatni í formi gufu fór upp í loftið, miklu meira en hægt er að skrifa á bráðnun jökulsins. Það skapar svolítið vandamál á Íslandi þegar um er að ræða gos undir jökli, vegna þess að þá er því strax trúað að öll vatnsgufan stafi af bráðnun og uppgufun jökulsins, þó svo að hún stafi einnig af henni.

Aðdragandi hins mesta eldgoss (einmitt: „eld“goss) í Bandaríkjunum, St. Helen gosið árið 1980, voru þau að röð jarðskjálfta átti sér stað á tveggja mánaða tímabili á undan gosinu.

Núnings-hitalögmálið segir okkur til um uppruna hita og útskýrir hvernig heitt hraun myndast vegna núnings. Þyngdarafls-núningslögmálið útskýrir hins vegar uppruna þeirrar hreyfingar sem myndar núning.

                                Núnings-hitalögmálið                                     Núningshiti framleiðir hraun (kviku) úr þrýstingi og hreyfingu á misgengis- og sprungusvæðum.

                         Þyngdarafls-núningslögmálið                       Núningshiti í jarðskorpunni (eða í skorpu hvers himintungls) er orsakað af togi og slökun á aðdráttarkrafti sem virkar á skorpunni vegna annarra himintungla.

Tunglið okkar veldur flóðkröftum, jarðskorpan (líkt og flóð og fjara sjávar) lyftist og sígur, mikil núningur myndast, hreyfingar í jarðskorpunni (jarðskjálftar) valda núningshita sem getur brætt berg sem hitar vatn í jörðu og sem getur skilað sér á yfirborðið sem eldsumbrot.

St. Helen gosið var hrint af stað af jarðskjálftum en gosið sjálft var vatnsgos. Í gosinu kom upp mikil gufa og mikið vatn en ekkert hraun var sjáanlegt. Vatnið skilaði sér ekki bara í gufu, heldur í mikilli vatnssósu þegar mikill aur rann niður fjallið og reyndar tók með sér norðurhluta fjallsins. Menn tala um mestu aurskriður sem sögur fara af.

Ofangreind mynd sýnir einnig hvernig askja myndast en hún er ekki hrun fjallsins niður í tómt kvikuhólf, heldur frekar gufusprenging upp á við. St. Helen fjallið í dag minnir á Dyrfjöll og önnur íslensk fjöll sem eflaust hafa ummyndast á svipaðan hátt og St. Helen gerði árið 1980.

Eftirfarandi mynd er samanburður á St. Helen fjallinu fyrir og eftir gosið 1980. Hvernig má það vera að ekkert hraun flæddi og enginn „eldur“ var sjáanlegur? Með hvaða krafti sprakk fjallið upp í loft? Í stað hraunflæðis áttu sér stað miklar og kílómetralangar aurskriður, hver er útskýringin á því? Universal Model gefur svör við öllum þessum spurningum, á einfaldan og auðskiljanlegan hátt.