Chaostheorie liefert Hinweise zur Steuerung des Wetters

Im Rahmen eines vom RIKEN Center for Computational Science geleiteten Projekts haben Forscher mit Hilfe von Computersimulationen gezeigt, dass Wetterphänomene wie plötzliche Regengüsse möglicherweise durch kleine Anpassungen bestimmter Variablen im Wettersystem verändert werden können. Dabei machten sie sich ein in der Chaostheorie als „Schmetterlingsattraktor“ bekanntes System zunutze, bei dem ein System einen von zwei Zuständen einnehmen kann – wie die Flügel eines Schmetterlings – und je nach kleinen Änderungen bestimmter Bedingungen zwischen den beiden Zuständen hin und her wechselt.

Während Wettervorhersagen dank Methoden wie Supercomputer-basierten Simulationen und Datenassimilation, bei der Beobachtungsdaten in die Simulationen einfließen, ein hohes Maß an Genauigkeit erreicht haben, hoffen Wissenschaftler seit langem, das Wetter kontrollieren zu können. Die Forschung in diesem Bereich hat sich aufgrund des Klimawandels, der zu extremeren Wetterereignissen wie sintflutartigen Regenfällen und Stürmen geführt hat, intensiviert.

Derzeit gibt es Methoden zur Wetterbeeinflussung, die jedoch nur begrenzt erfolgreich waren. Das Impfen der Atmosphäre, um Regen auszulösen, wurde bereits demonstriert, ist aber nur möglich, wenn sich die Atmosphäre bereits in einem Zustand befindet, in dem es regnen könnte. Geo-Engineering-Projekte wurden geplant, aber nicht durchgeführt, weil man sich Sorgen über die unvorhersehbaren langfristigen Auswirkungen machte.

Als vielversprechenden Ansatz haben die Forscher des RIKEN-Teams die Chaostheorie herangezogen, um realistische Möglichkeiten zur Abschwächung von Wetterereignissen wie sintflutartigen Regenfällen zu schaffen. Konkret haben sie sich auf ein Phänomen konzentriert, das als Schmetterlingsattraktor bekannt ist und von dem Mathematiker und Meteorologen Edward Lorentz, einem der Begründer der modernen Chaostheorie, vorgeschlagen wurde. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um ein System, das eine von zwei Umlaufbahnen einnehmen kann, die wie die Flügel eines Schmetterlings aussehen, die aber aufgrund kleiner Schwankungen im System zufällig wechseln können.

Um die Arbeit durchzuführen, ließ das RIKEN-Team eine Wettersimulation laufen, die als Kontrolle der „Natur“ selbst dienen sollte, und führte dann weitere Simulationen durch, bei denen kleine Variationen in einer Reihe von Variablen verwendet wurden, die die Konvektion beschreiben – wie sich Wärme durch das System bewegt – und entdeckte, dass kleine Veränderungen in mehreren der Variablen zusammen dazu führen können, dass sich das System in einem bestimmten Zustand befindet, sobald eine bestimmte Zeitspanne verstrichen ist.

Laut Takemasa Miyoshi vom RIKEN Center for Computational Science, der das Team leitete, „eröffnet dies den Weg zur Erforschung der Kontrollierbarkeit des Wetters und könnte zu einer Technologie zur Wetterkontrolle führen. Wenn diese Forschung umgesetzt wird, könnte sie uns helfen, extreme Stürme wie sintflutartige Regenfälle und Taifune zu verhindern und abzuschwächen, deren Risiken mit dem Klimawandel zunehmen.“

„Wir haben eine neue Theorie und Methodik für die Untersuchung der Kontrollierbarkeit des Wetters entwickelt“, fährt er fort. „Auf der Grundlage der Simulationsexperimente mit Beobachtungssystemen, die in früheren Studien zur Vorhersagbarkeit verwendet wurden, konnten wir ein Experiment zur Untersuchung der Vorhersagbarkeit entwerfen, das auf der Annahme beruht, dass die wahren Werte (die Natur) nicht verändert werden können, sondern dass wir die Vorstellung dessen, was verändert werden kann (das zu kontrollierende Objekt), verändern können.“

Mit Blick auf die Zukunft sagt er: „In diesem Fall haben wir ein ideales niedrigdimensionales Modell verwendet, um eine neue Theorie zu entwickeln, und in Zukunft planen wir, tatsächliche Wettermodelle zu verwenden, um die mögliche Kontrollierbarkeit des Wetters zu untersuchen.“

Die in der Zeitschrift Nonlinear Processes of Geophysics veröffentlichte Arbeit wurde im Rahmen des Moonshot R&D Millennia-Programms durchgeführt und trägt zum neuen Moonshot-Ziel Nr. 8 bei.

Datum: März 28, 2022
Quelle: RIKEN


Journal Reference:

  1. Takemasa Miyoshi, Qiwen Sun. Control simulation experiment with Lorenz’s butterfly attractorNonlinear Processes in Geophysics, 2022; 29 (1): 133 DOI: 10.5194/npg-29-133-2022

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