Kvikksølv, Kaos og Klima

Jeg holdt foredrag i P2-akademiet i går. Lydklippet finner du her, og her er teksten:

Erik Kolstad: «Kvikksølv, kaos og klima: værvarslingens historie»; foredrag i P2-Akademiet

Været er ofte det første man tyr til i samtaler med folk som det er vanskelig å samtale med. Alle har en god værhistorie. Det uventete fenger mest; en skypumpe på fisketur eller en hvit jul i Bergen.

Været kan skifte raskt, men det følger også en del faste sykluser. Temperaturen synker som regel om natten og stiger om dagen. Det er varmere om sommeren enn på vinteren. Hvorfor er det da så vanskelig å forutsi hvordan været blir den neste uken? Og hvorfor har vi større forutsetning for å vite hvordan klimaet blir i fremtiden enn om det kommer til å regne til helgen?

Dette er sentrale problemstillinger i faget meteorologi, et ord som er utledet av det greske ordet meteoros, som betyr «høyt oppe». Dette ordet, som kanskje gir sterkere assosiasjoner til meteorer og astronomi enn vær, kan spores tilbake til Aristoteles. For 2350 år siden skrev han en bok med tittelen Meteorologica, som handlet litt om Melkeveien, kometer og meteorer, litt om jordskjelv, men også mye om vær, eller med Aristoteles’ ord: «fallende tordenstråler, virvelvinder og ildvinder».

Før vi ler høyt av at vinder og jordskjelv nevnes i samme åndedrag, må vi huske på at Aristoteles levde i en verden hvor det ennå ikke var klart opptegnete grenser mellom astronomi, kjemi, fysikk og matematikk, eller filosofi for den saks skyld. I dag finnes disse grensene, og meteorologien er dypt forankret i fysikken – altså den delen av naturvitenskapen som dreier seg om energi og materie, eller «ting» på godt norsk.

Her kan man innvende at været har mer med luft enn «ting» å gjøre. Riktignok fører været til at det faller ting, nærmere bestemt nedbør – eller hydrometeorer, som det heter på fagspråket – fra himmelen, men vind er luft i bevegelse. Og lenge trodde man at luften ikke hadde masse, og at den dermed ikke var en «ting» på linje med for eksempel vann eller is. I så måte kom et av de store gjennombruddene i meteorologien i år 1683.

Italieneren Evangelista Torricelli var i likhet med mange naturfilosofer besatt av det bedragerske fenomenet vakuum – det totale tomrom. Fantes det i det hele tatt? Platon og Aristoteles trodde ikke det. Araberne var mindre skråsikre, og allerede på begynnelsen av 1200-tallet konstruerte Al-Jazari, som var fra dagens Irak, den første vannpumpen. I dag er det åpenbart at både støvsugere og vannpumper fungerer ved at man mekanisk tvinger bort luft, som da umiddelbart blir erstattet av henholdsvis luft og vann – altså en vakuumeffekt. Like åpenbart var det ikke i middelalderen. Man kunne risikere å bli brent på bålet dersom man trodde på det ugudelige vakuumet. Men denne floken ble delvis løst i år 1277, da biskopen i Paris erklærte at Gud, siden han er perfekt, i prinsippet kunne ha bestemt seg for å lage et vakuum, selv om det var ugudelig. Likevel var det helt frem til Torricellis tid helt legitimt å betvile vakuumets eksistens. (Av puristiske hensyn føler jeg meg her tvunget til å påpeke at den moderne fysikken viser at vakuumets eksistens faktisk er høyst tvilsom, men det er en annen historie som ikke er relevant for værvarsling.)

Torricelli og hans kompanjonger var på jakt etter et vakuum. Det de gjorde var å fylle et langt, tynt glassrør med kvikksølv og sette det opp-ned i en vase som også var fylt med kvikksølv. Dersom man gjør dette med vann i stedet for kvikksølv – og dette hadde både de og andre prøvd – skjer det ikke så mye, men kvikksølv er så tungt at litt av vesken rant ned i vasen og etterlot seg et tomrom i bunnen av røret, som nå stakk opp i været. Dette tomrommet var rett og slett et laboratorieskapt vakuum, og at man kunne fremprovosere et vakuum med så enkle hjelpemidler, var oppsiktsvekkende nok i seg selv. Men det som for oss er enda mer besnærende, er Torricellis tanker om hvorfor ikke alt kvikksølvet rant ut i vasen. Noe måtte holde det igjen, og Torricelli fastslo helt korrekt at luften i atmosfæren presset ned på overflaten av kvikksølvet i vasen. Og dersom atmosfæren kunne trykke kvikksølvet ned, måtte den ha masse. Da vår helt innså dette, utbrøt han begeistret i et brev at «vi lever på bunnen av et hav av luft». Akkurat da han lyktes i å skape vakuumet, ropte han nok «Eureka» også, i hvert fall inni seg.

Torricellis eksperiment gjorde furore, og det varte ikke lenge før mange slike instrumenter dukket opp rundt omkring i Europa. Dermed oppdaget man også at høyden på søylen med kvikksølv varierte med værets svingninger. Når søylen sank, og dermed trykket fra luften også sank, gikk det gjerne mot dårligere vær. Og motsatt, i godværsperioder stod søylen høyt i glassrøret.

Barometrene (fra gresk baros «vekt» og metron «mål»), som de nye instrumentene ble hetende, var de første vitenskapelig funderte værvarslingsverktøyene. Selv om det i første omgang var basert mer på erfaring – altså at lavtrykk gir dårlig vær og høytrykk gir godt vær – enn teori, tok det ikke lang tid før noen begynte å spørre seg hvorfor det var sånn, slik det gjerne går i vitenskapens verden.

For dagens meteorologer og andre som er interessert i vær og klima, er det en kjent sak at det er lokale forskjeller i lufttrykk som skaper vind. Stormer og orkaner er ikke noe annet enn kraftige lavtrykk som gjør at de lokale trykkforskjellene blir store. Dermed er det kort vei til å forstå hvorfor raske trykkfall på barometrene kan forventes å etterfølges eller ledsages av væromslag.

Det skulle likevel ta lang tid før man fant skikkelig ut av sammenhengen mellom lufttrykk og vær og vind. Dette til tross for at den ble regnet som viktig, og da særlig for de store sjøfartsnasjonene. Den østlige medvinden i tropene var til stor hjelp for seilskutene som hadde rundet det sørlige Afrika på vei hjem til Europa. Det var verre når man hadde krysset ekvator og ble offer for nordøstlig motvind, men disse vindene var til gjengjeld viktige når man skulle krysse Atlanteren fra Europa mot Amerika. De fikk navnet handelsvinder, og det var avgjørende å få kunnskap om hva som styrte dem.

Storheter som Galileo Galilei, Edmond Halley – han med kometen, samt erkefiendene og universalgeniene Robert Hooke og Isaac Newton, prøvde å knekke koden, men først i år 1735 kom det første store gjennombruddet. Da ble George Hadley (1685–1768) tatt opp som medlem av Royal Society i London. Her kan jeg nevne at et medlemsskap i dette selskapet – 350 år etter dets fødsel – er den ultimate æresbevisningen også for dagens forskere. Hadleys oppgave var å administrere de meteorologiske målingene som strømmet inn fra hele Europa, og allerede det første året som medlem publiserte han sin forklaring på handelsvindene.

Hadleys hypotese var at jordens rotasjon var den avgjørende faktoren. Som en rund snurrebass med pinnen stikkende ut gjennom de geografiske polene svirrer jorden helt rundt én gang i døgnet. Bevegelsen går slik at alle punkter på jordkloden, unntatt de geografiske polene, alltid er i bevegelse fra vest mot øst. Et punkt på ekvator går rundt og rundt med en hastighet på 465 m/s, eller nesten 1700 km/t, mens vi på våre breddegrader kun beveger oss halvparten så fort som dette. Hadleys tanke var at luft som flyttet seg mot nord eller sør ville få endret hastigheten sin. For eksempel ville luft som beveget seg sørover «henge igjen» i forhold til jorden og dermed bli tvunget mot vest.

Dette var en brukbar teori, rent bortsett fra at den overhodet ikke stemte overens med vindene i den virkelige verden. Men det som Hadley hadde skjønt var hvorfor luften beveger seg mot ekvator. Det er også denne delen av hans teori han er kjent for i dag.

Solstrålingen nede ved jordoverflaten er sterkest ved ekvator. Dermed er det luften i tropene som i størst grad blir varmet opp på dagtid. Og varm luft stiger, ettersom den er lettere enn kald luft. Altså er tropene en eneste stor maskin som tvinger luftmasser oppover, noe som er tydelig på dagens satellittbilder, der vi til enhver tid kan se et belte med skyer som omslynger ekvator. Søk for eksempel på den intertropiske konvergenssonen, som dette beltet heter, på internett. Slike bilder hadde ikke Hadley tilgang på, men han visste likevel at det er mye skyer og stigende luft i tropene. Han tenkte som så: «Dersom luften stiger langs ekvator, oppstår det et lavtrykk, og det må komme luft til fra både nord og sør for å ta plassen til de stigende luftmassene. Denne nye luften vil bli dratt mot vest på grunn av jordens rotasjon. Ergo østlige vinder.» Og dette er for så vidt korrekt, om enn ikke akkurat slik Hadley så for seg.

På første halvdel av 1800-tallet ble det vist matematisk at alle ting som er i bevegelse på den nordlige halvkule blir dratt mot høyre. Sør for ekvator blir de dratt mot venstre. Årsaken er jordrotasjonen. Tenk deg at du står på en karusell. Dersom du kaster en ball til en person som står tvers overfor deg, må du sikte litt til venstre for mottakeren for å treffe han. Det virker som at ballen skrur seg mot høyre, selv om det egentlig bare er karusellen som har flyttet seg mens ballen var i luften. Det samme prinsippet gjelder på den roterende jordkloden, slik at man må kompensere dersom man for eksempel skal skyte langt med en kanon.

Vinden, eller luften, som vi nå vet har masse, blir også dratt mot høyre. Derfor går ikke luften rett mot midten av et lavtrykk; den går i spiralbevegelser rundt lavtrykket, mot klokken på den nordlige halvkule, og med klokken på den sørlige halvkule. På samme måte vil luften som er på vei mot den intertropiske konvergenssonen fra nord, bli dratt mot høyre og vestover. Dette hadde amerikaneren William Ferrel (1817–1891) forstått, og i 1856 publiserte han en artikkel som forklarte det. Men som alltid i vitenskapen, selv en god forklaring er aldri komplett, og den egentlige årsaken til de østlige vindene er enda mer kompleks. Vi stopper likevel her. Ferrels teori er mer enn god nok til at vi kan fortsette.

Ferrel kunne også forklare hvorfor vindene på våre breddegrader, langt utenfor tropene, hovedsaklig kommer fra vest. At de gjør det er noe alle vestlendinger kan bekrefte. På Vigra utenfor Ålesund har de til og med et gjestehus som heter «Vestavind», formodentlig ikke uten grunn. De standhaftige vestavindene gir opphav til mange av værtegnene våre, for eksempel: «Aftenrøde gjør en god natt, men morgenrøde drypper i hatt». Hvis morgenen er rød, betyr det at det er pent vær i øst. Da er det en viss sjanse for at det er et lavtrykk og styggevær på vei fra vest. Og tilsvarende, dersom kvelden er rød, er det pent i vest og godvær på vei.

Disse værtegnene er basert på erfaring gjennom generasjoner, og er eksempler på at man ofte kan gi ganske presise værvarsler bare ved å holde øye med skyene. Det værtegnene egentlig sier er at dersom det er dårlig vær nå, så kommer det til å bli bra igjen snart. Og motsatt, hvis det er fint vær nå, kan du være sikker på at det snart blir dårlig. Meteorologisk sett gir dette en viss mening; lavtrykkene bruker ofte en dag eller to på å passere, så får man gjerne en liten pause før neste lavtrykk slår inn.

Men hvorfor er det sånn? Ferrel hadde skjønt mye, men han visste ikke hva som skjedde inni og rundt lavtrykkene. Hvorfor oppstod de plutselig ute i Atlanteren, og hvorfor skjedde det nesten alltid på samme sted? Det ble tidlig klart at dersom man ikke skjønte dette, så kunne man heller ikke drive med presis værvarsling.

Spørsmålet om hvorvidt det var mulig å forutse været dukket nemlig tidsnok opp. I andre deler av fysikken var man tidlig ute med prediksjoner. Det er og var forholdsvis enkelt å regne ut at Halleys komet vil være i perihelium, altså nærmest solen, 28. juli 2061. Men mens én komet er greit å forholde seg til, er det mange luftmolekyler å ta hensyn til i atmosfæren. Det er mange usikkerhetsmomenter, og mye rart kan skje. Og dersom man ikke forstår prosessene som gjør at ting faktisk skjer, så kommer man ikke særlig langt.

Mange var likevel optimistiske med tanke på mulighetene for å drive værvarsling i forrige århundre. Mye takket være pionérene i gruppen til Vilhelm Bjerknes ved Universitetet i Bergen, begynte man å få rimelig god oversikt over hva som styrte værutviklingen. Bjerknes hadde blitt lokket til Bergen under første verdenskrig for å etablere et værvarslingssystem i Norge. Dette var et naturlig valg av base; Bergen er en regnfull by og har i tillegg norgesrekorden i lavt lufttrykk. Bjerknes’ gruppe, som nå er kjent internasjonalt som Bergensskolen i meteorologi, fikk i de følgende årene gode muligheter til å observere lavtrykkene fra orkesterplass.

Det store bidraget fra Bjerknes og hans elever var at de kom opp med en teoretisk modell som forklarte de vesentligste kjennetegnene til et lavtrykk. Den er fremdeles i bruk, og er kjent som Den norske syklonmodellen. Syklon er et synonym for lavtrykk, og sykloner dannes fordi det er ubalanser i luftens temperaturfordeling. Langs det vi kaller fronter er de lokale temperaturforskjellene store, og det er de som er lavtrykkenes arnesteder. Vi vet at når kald luft kommer i kontakt med varm luft, for eksempel hvis man åpner et vindu om vinteren, så begynner den varme og kalde luften å blande seg med en gang. Det blir kaldt i rommet. Før tenkte man at naturen avskydde vakuum, men det er som om den også avskyr temperaturforskjeller, og lavtrykkene er dens beste måte å kvele dem på.

Bjerknes og gjengen hans la merke til at lavtrykkene aller helst oppstod langs polarfronten, som vi gjerne kaller grensesonen mellom polar og tropisk luft midt ute i Atlanteren et sted. Dette er fordi lavtrykkene bruker polarfronten til å lage sine egne fronter. Hvis vi ser på satellittbilder, ser vi et tett bånd med skyer til venstre og litt nedenfor lavtrykkets sneglehusaktige sentrum. Dette er kaldfronten, og her er kalde luftmasser i ferde med å trenge seg inn i den varmere luften i sør. Og siden kald luft er tettere og tyngre enn varm luft, så vil den trenge seg inn under den varme luften. Da blir varmluften presset oppover, og dette kan føre til intens skydannelse. Det er derfor langs kaldfronten det oftest oppstår uvær som torden, hagl og styrtregn.

Til høyre for lavtrykket finner vi varmfronten. Der er det den varme luften som beveger nordover, men siden den er så lett, legger den seg fint oppå den kaldere luften i nord. Langs varmfronten er det også nedbør, men mest sannsynlig bare lett regn eller yr. Til gjengjeld kan det stå på i lang tid. For eksempel var det en varmfront som drev over Vestlandet natt til 14. september 2005, da det ble satt ny rekord for døgnnedbør i Bergen og fire mennesker mistet livet i et jordskred på Hatlestad terrasse.

Etter noen dager vil frontene ha flyttet så mye rundt på luftmassene at temperaturforskjellene forsvinner. Da mister lavtrykket sin motor, og det dør stille ut etter vel gjennomført oppdrag. Men det er garantert nye fronter i emning ute i Atlanteren, og et nytt lavtrykk er i ferd med å dannes. Og slik fortsetter det hele høsten og vinteren gjennom, ganske enkelt fordi det er da temperaturforskjellene mellom tropene og polområdene er størst.

Ved hjelp av en unik blanding av matematisk teori og nitidige observasjoner av lavtrykkene i de norske havområdene, utviklet Bjerknes og hans gruppe sin syklonmodell. Dette gikk ikke upåaktet hen. Med matematikken på plass var det mulig å lage enkle modeller for værvarsling. En av utfordringene var å uttrykke dagens vær, det vi kaller værets initialtilstand, på matematisk form. Men hvis man klarte det, kunne man i prinsippet bruke ligninger til å regne ut hvordan det kom til å utvikle seg fremover i tid. Først ble dette gjort for hånd med blyant og papir. Man var tvunget til å gjøre grove forenklinger for å holde antall utregninger nede på et overkommelig nivå. Likevel hadde man en viss suksess. Det viste seg at noen av ligningene var særlig viktige, og ved hjelp av bare noen få av dem kunne man ofte si noe fornuftig om værutviklingen de nærmeste dagene.

Etter hvert gikk man over til å bruke datamaskiner, og optimismen tiltok i styrke. Den amerikanske meteorologen Edward Lorenz (1917–2008) var en av pionerene. Til tross for at de ligningene han brukte var temmelig enkle, så det ut til at værsystemene i modellen hans utviklet seg noenlunde i tråd med virkeligheten. Han ville derfor sette i gang en lengre simulering, eller «modellkjøring» som vi kaller det. For å spare regnetid tenkte han at det var lurt å bruke tall fra en tidligere simulering som utgangspunkt. Han punchet derfor inn tallene fra midtveis i den gamle kjøringen og satte i gang modellen på nytt.

Lorenz forventet selvsagt at været i den nye kjøringen skulle følge den videre utviklingen i den gamle. Men som ved magi skilte været i de to kjøringene lag og utviklet seg i forskjellige retninger. Årsaken var like enkel som den var uventet. For å spare litt tid hadde Lorenz punchet inn tallene med kun tre desimaler. Dette til tross for at modellen egentlig lagret tallene med seks desimaler. Selv slike små avrundingsfeil var store nok til å få de to modellkjøringene til å ende opp med to ganske ulike værtyper.

De praktiske implikasjonene er besnærende. Bittesmå variasjoner i værets initialtilstand er nok til å endre den videre utviklingen, noen ganger til det ugjenkjennelige. Som Lorenz skrev: «Kan en sommerfugls vingeslag i Brasil sette i gang en tornado i Texas?» Hans oppdagelser danner grunnlag for begrepet sommerfugleffekten, og bidro til at det oppstod en helt egen disiplin innen matematikken og fysikken: kaosteorien. Været, og naturen i det hele tatt, er preget av kaos, vet vi nå.

Den amerikanske forskeren Kerry Emanuel, en av Lorenz’ elever, har en analogi som illustrerer sommerfugleffekten. Vi slipper to blader ut i en bekk. Ti meter lenger nede i bekken plukker vi dem opp, samtidig som vi merker vi oss hvordan de hadde flyttet seg. Kan vi klare å reprodusere bevegelsene deres ved igjen å plassere dem i nøyaktig samme utgangsposisjon? Hadde vi kunnet forutse akkurat hvordan de skulle bevege seg selv med perfekt kunnskap om bekkens strømningsmønstre? Svaret på begge spørsmålene er nei. Det er like umulig som å skulle anslå på forhånd hvor hvert enkelt klesplagg i en vaskemaskin kommer til å ende opp.

Værets kaotiske natur og mangelen på gode nok målinger gjør at værvarsler for lengre enn en uke frem i tid må tas med en klype salt. Man gjør spede forsøk på sesongvarsling, altså varsler for den kommende årstiden under ett, men uten særlig suksess foreløpig. Faktisk er det lettere å varsle langt frem i tid. Men da varsler man klimaet i stedet for været.

Klimamodellene har mange fellestrekk med værvarslingsmodellene, men de består også av modeller for hav, sjøis, vegetasjon, kjemi og andre ting som endrer seg over lang tid. Med en klimamodell varsler man hvordan alt dette kommer til å se ut i fremtiden. Og selv om klimaets utvikling styres av mange forhold, for eksempel endringer i styrken på solinnstrålingen eller vulkanutbrudd, skjer alt dette på forskjellige tidsskalaer. Det tar mange hundre eller tusen år for at solstrålingen endrer seg nok til at det endrer klimaet i særlig grad, mens et vulkanutbrudd kun påvirker klimaet i noen få år.

Når det gjelder klimautviklingen de neste hundre årene, er det én faktor som er mye viktigere enn de andre. Det kommer neppe som en bombe at dette er økningen av drivhusgasser i atmosfæren, og CO₂ i særdeleshet. Drivhusgasser, som også inkluderer metan, ozon, lystgass og de skumle KFK-gassene, hindrer varme som er på vei ut mot verdensrommet i å forlate atmosfæren. De tar opp noe av varmen og varmer opp luften rundt seg. Så, i neste steg, stråler de noe av denne overskuddsvarmen ned igjen mot jorden. På lang sikt fører dette til at temperaturen stiger mer eller mindre overalt på kloden.

Oppvarmingen, eller pådrivet, fra drivhusgassene er så sterk at den så å si kveler den kaotiske komponenten i været. Derfor kan man ikke si hva temperaturen på 17. mai i år 2030 kommer til å være, men man kan si at 17. maiene på den tiden etter all sannsynlighet blir varmere enn 17. maiene i dagens klima. Mot slutten av dette århundret regner man med en oppvarming på flere grader globalt sett, og den aller største endringen forventes å komme i Arktis og i sårbare områder som Afrika og Midt-Østen.

Det har skjedd mye innen meteorologien siden Aristoteles skrev at skyene inneholdt «en slags ild». Vi forstår ganske mye om både vær og klima, og tross alt er ikke værvarslene så elendige når det kommer til stykket. Da hadde ikke yr.no vært Norges mest besøkte nettsted. Mange, deriblant jeg, er innom flere ganger om dagen for å sjekke værutsiktene. Yr er veldig nyttig, men det mangler fremdeles noen små detaljer: på siden for Bergen ønsker jeg meg for eksempel en knapp som det står ”Hvit jul” på, rett ved siden av den med ”Tørr høst”.