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.