Kann ein Schmetterling, der mit den Flügeln schlägt, wirklich einen Hurrikan verursachen?

Sie haben wahrscheinlich von dem sogenannten "Schmetterlingseffekt" gehört, einer populären Wissenschaft, die darauf hinweist, dass die geringfügigen Störungen eines einzelnen Schmetterlings, der mit den Flügeln schlägt, die Kraft haben, eine Reihe eskalierender Ereignisse auszulösen, die zur Bildung von führen können ein Hurricane.

Es ist freilich eine mächtige Metapher (ein Blockbuster-Film mit Ashton Kutcher wurde sogar darauf gesetzt), ein überzeugendes Konzept, das auch einiges an komplexer Wissenschaft und Mathematik hinter sich hat. Trotzdem ist es, wie bei den meisten populären wissenschaftlichen Metaphern, auch eine Idee, die ziemlich ... verschönert wurde. Kann das Flattern der Flügel eines kleinen Schmetterlings wirklich einen Hurrikan verursachen? Es stellt sich heraus, dass die Antwort nein ist. Aber es ist kompliziert.

Die Metapher des Schmetterlingseffekts wurde zuerst von dem Mathematiker Edward Lorenz formuliert, einem der Pioniere der sogenannten "Chaostheorie", einem ernsthaften Zweig der Mathematik, der sich auf dynamische Systeme konzentriert, die sehr empfindlich auf Anfangsbedingungen reagieren. Mit anderen Worten, die Chaostheorie befasst sich mit der Mathematik des Versuchs, Ergebnisse komplexer Systeme vorherzusagen, wenn die Anfangsbedingungen dieser Systeme nicht vollständig überwacht werden können.

Nehmen Sie zum Beispiel den Verkehr. Ein einzelnes Auto, das zu einem ungünstigen Zeitpunkt auf die Bremse tritt, um ein Eichhörnchen auf der Straße zu vermeiden, könnte möglicherweise eine Kette von Ereignissen auslösen, die zu einem großen stundenlangen Stau führen. Die Vorhersage der Bewegungen und der Ursachen von Bewegungen aller Autos auf einer Autobahn (ganz zu schweigen von allen Eichhörnchen!) Macht die Vorhersage solcher Verkehrsprobleme jedoch unlösbar. Die Börse ist ein weiteres ähnliches Beispiel. So ist auch das Wetter.

Und es stellte sich heraus, dass Lorenz das Wetter vorhersagen wollte, als er sich fragte, ob es tatsächlich ausreichen könnte, etwas so Geringes wie einen Schmetterling zu berücksichtigen, der mit den Flügeln schlägt, um unsere Computermodelle für Wettervorhersagen zu ändern. Kann ein flatternder Flügel den Unterschied zwischen einem sonnigen Tag und einem wilden Sturm ausmachen?

Chaostheorie und das Wetter

Der Mathematiker Edward Lorenz befasste sich mit Wettermodellen, als er seine Theorie zum ersten Mal entwickelte. (Foto: FrameStockFootages / Shutterstock)

Nach Lorenz 'rudimentären Vorbildern ja. Bereits 1961, als Computer riesige Maschinen in Raumgröße waren, ließ Lorenz Wettermodelle laufen und stellte fest, dass er durch Eingabe des Anfangszustands von 0, 506 anstelle eines volleren, genaueren Werts von 0, 506127 den Computer dazu bringen konnte, eher einen Sturm vorherzusagen als ein sonniger Tag. Der Unterschied in der Präzision zwischen diesen beiden Werten ist unglaublich gering, etwa so groß wie ein Schmetterling, der mit den Flügeln schlägt.

Es scheint intuitiv unwahrscheinlich, dass ein Schmetterlingsflügel so viel Kraft haben könnte - und nun, es ist unwahrscheinlich. Aber ist es unmöglich?

Hier wird die Mathematik - und die Philosophie - kompliziert und kontrovers. Mit unseren heute ausgefeilteren Modellen der Wettervorhersage ist der allgemeine wissenschaftliche Konsens ziemlich fest: Eine Flügelklappe kann unsere groß angelegten Wettervorhersagen unmöglich ändern.

Hier ist der Grund. Während Flügelklappen sicherlich einen Einfluss auf den Luftdruck um den Schmetterling haben, wird diese Schwankung durch die Tatsache begrenzt, dass der etwa 100.000-mal größere Gesamtdruck der Luft sie vor solch winzigen Störungen schützt. Die Veränderungen, die mit der Luft um den Schmetterling geschehen, sind im Wesentlichen in einer Druckblase eingeschlossen, die sofort gedämpft wird, wenn sie sich von dort ausbreiten.

Die Tatsache, dass Lorenz 'Computermodelle große Veränderungen aufgrund derart kleiner Auseinandersetzungen vorhersagten, hat mehr mit der Einfachheit dieser Modelle als mit irgendetwas anderem zu tun. Zum Beispiel treten die gleichen Ergebnisse, auf die Lorenz gestoßen ist, in modernen Computermodellen des Wetters nicht auf. Sobald Sie relevantere Faktoren eines sich entwickelnden Wettersystems eingegeben haben, z. B. Meerestemperaturen, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Windscherung usw., hat die Flügelklappe oder deren Fehlen keinen Einfluss darauf, ob ein Sturmsystem entwickelt sich oder nicht.

"Natürlich hat die Existenz eines unbekannten Schmetterlings, der mit den Flügeln schlägt, keinen direkten Einfluss auf die Wettervorhersage, da es viel zu lange dauern wird, bis eine so kleine Störung eine signifikante Größe erreicht, und wir haben viele weitere unmittelbare Unsicherheiten, über die wir uns Sorgen machen müssen. Daher wird der direkte Einfluss dieses Phänomens auf die Wettervorhersage oft etwas überbewertet ", erklärten die Klimaforscher James Annan und William Connolley.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass andere relativ kleine Faktoren keinen großen Einfluss haben können. Wettersysteme sind immer noch chaotisch und empfindlich gegenüber Anfangsbedingungen. Es sind nur die richtigen Anfangsbedingungen erforderlich, und dies kann auf eine einzelne Wolke oder auf Änderungen unserer Messungen der atmosphärischen Konvektion usw. zurückzuführen sein.

Während der Schmetterlingseffekt eine grob vereinfachte Metapher sein mag, ist er dennoch eine mächtige. Kleine Änderungen in den Anfangsbedingungen eines komplexen Systems können unsere Modelle dieses Systems drastisch verändern. Ein Schmetterlingsflügel vielleicht nicht. Aber Windkraftanlagen oder Sonnenkollektoren sind groß genug? Möglicherweise.

Die Vorhersage des Wetters ist vielleicht nie perfekt, aber ihre Genauigkeit hängt weit weniger von Schmetterlingen ab, als die Populärkultur vermuten lässt. Die Tatsache, dass Meteorologen ihre Wettervorhersagen mehrere Tage später so realitätsnah wie möglich erhalten können, ist ein Beweis für unsere Fähigkeit, die Mathematik chaotischer Systeme in Angriff zu nehmen.

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