Ilmaston ennustettavuuden teoreettinen katto 129 päivää

Kuvittele herääväsi sääennusteeseen, joka on edelleen merkityksellinen neljän kuukauden päästä. Se kuulostaa tieteiskirjallisuudelta. Uusi tutkimus kuitenkin väittää, että ilmakehällä saattaa olla kova fyysinen yläraja sille, kuinka pitkään se voi säilyttää käyttökelpoista tietoa, noin 129 päivää.

Pitkän aikavälin ennustettavuuden kysymys on yhtä vanha kuin numeerinen sääennustekin. 1950-luvulta lähtien sääennustajat ja teoreetikot ovat tutkineet, miten pienet virheet alkuarvoissa paisuvat suuriksi ennustevirheiksi. Menetelmä, joka seuraa virheiden kasvua, on opettanut meille paljon, mutta siinä on sokea piste: mitä tapahtuu, jos nuo virheet olisivat paljon pienempiä kuin mitään, mitä nykyisin voimme mitata?

Kaksi ilmakehätutkijaa lähestyivät pulmaa eri näkökulmasta. Virheiden seuraamisen sijaan he seurasivat energiaa. Jos tietäisit ilmakehän tilan täydellisesti ja ymmärtäisit vallitsevan fysiikan, mikä voisi tuhota sen tiedon? Yllättävä syyllinen on auringonvalo. Ei sen lämpö vaan saapuvien fotonien kvanttitasoinen epävarmuus.

Auringosta saapuvilla fotoneilla on vaiheita, jotka ovat kvanttitasolla perustavanlaatuisesti tiedon ulottumattomissa. Nuo pienet tuntemattomat tekijät siirtyvät ilmakehään säteilyn kautta, ja tuulet, konvektio ja kemia sekoittavat ja vahvistavat niitä. Ajan myötä epävarmuus levittäytyy ja korvaa alkuperäisen, täydellisesti tunnetun tilan muistin. Tutkijaryhmä kutsuu tätä hetkeä energian kiertopisteeksi, hetkeksi jolloin ilmakehän sisäinen ennustettavuus ehtyy.

Kun tutkijat laskivat yhteen ilmakehän kokonaisenergian, auringon sisääntulevan energian ja realistiset havaintojen epävarmuudet, he päätyivät todennäköiseen sisäiseen ennustettavuuden rajaan, noin 129 ± 7 päivää. Luku on selvästi pidempi kuin nykyaikaisten korkeataitoisten ennusteiden noin kahden viikon horisontti. Se ei kuitenkaan tarkoita, että selkeys olisi yhtä hyvä kaikilla niillä lisäkuukausilla. Analyysin mukaan vain noin puolet tästä pidennyksestä antaisi aidosti taitavaa ohjausta. Esimerkiksi se varmuuden taso, jota nykyään odotamme viiden päivän ennusteelta, saattaisi periaatteessa säilyä suunnilleen 62 päivään asti, minkä jälkeen luottamus heikkenee.

Työ, joka on julkaistu lehdessä Ilmakehätieteiden edistys, on tohtori Wei Zhangin (Miamin yliopisto ja NOAA:n merellisten ja ilmakehätutkimusten yhteistyölaitos) sekä tohtori Zoltan Tothin (entinen NOAA:ssa) yhteisteos. Tulos on teoreettinen yläraja sisäiselle ennustettavuudelle. Ulkoiset vaikuttajat, kuten tulivuorenpurkaukset tai äkilliset merimuutokset, asettavat silti omat rajansa.

Tällainen teoria muokkaa tavoitteita. Se tarjoaa vertailupisteen: kaukaisen horisontin, joka erottaa sen, mitä fysiikka sallii, siitä, mitä laitteidemme ja malliemme on saavutettava. Nyt kirjoittajat ja muut tutkijat tekevät itsenäisiä arvioita testatakseen ajatusta. Jos 129 päivän luku pitää paikkansa, se merkitsee sekä kutsua että haasteen ennustetieteelle: kuinka lähelle sitä horisonttia pyrimme?