Lorenz und der Schmetterlingseffekt

Im Folgenden sollen kurz die herausragenden Erkenntnisse von Edward Lorenz dargestellt werden, die gerade für die Meteorologie Pioniercharakter in Bezug auf das grundlegende Verständnis atmosphärischer Prozesse haben.

Edward Norton Lorenz, (geboren am 23. Mai 1917 in West Hartford, Connecticut, USA, gestorben am 16. April 2008 in Cambridge, Massachusetts, USA) war ein amerikanischer Mathematiker und Meteorologe. Lorenz galt und gilt als der Pionier und Entdecker des grundlegenden Mechanismus sowie der Formulierung des so genannten deterministischen Chaos (also nur bedingt vorhersagbare Prozesse), was andererseits eines der Prinzipien der Komplexität gerade bei den der Wettervorhersage zugrundeliegenden physikalischen Prozessen in der Atmosphäre darstellt. In diesem Zusammenhang soll auch auf das Thema des Tages vom 01.07.2021 verweisen werden
(https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2021/7/1.html). Nachdem er am "Dartmouth College" und an der "Harvard University" Mathematik studiert hatte, wandte sich Lorenz 1942 beim U.S. Army Air Corps mehr und mehr der numerischen Wettervorhersage zu. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde er Forscher am "Massachusetts Institute of Technology", wo er den Master- (1943) und Doktortitel in Meteorologie (1948) erwarb, aber auch weiterhin in der Lehre tätig war. Später wurde er dann Leiter der meteorologischen Abteilung des Instituts. In den frühen 1960er Jahren entdeckte Lorenz, dass die atmosphärischen Prozesse gerade aufgrund thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten in deren zeitlichem Ablauf nichtlineare Strukturen (keine einfache bzw. abhängige Abfolge von Prozessen) aufweisen. Diese Eigenschaft ist auch als sensitive bzw. stark empfindliche Abhängigkeit der zeitlichen Entwicklung diverser Kenngrößen (auch Parameter genannt) von den jeweiligen Anfangsbedingungen bekannt (siehe auch Thema des Tages vom 01.07.21).

Lorenz konstruierte unter anderem ein Wettermodell, das zeigte, dass zwei sehr nahe beieinanderliegende bzw. benachbarte Ausgangspunkte (oder Parameter), die das aktuelle Wetter anzeigen, in ihren Bahnen (kennzeichnend für die dynamische Veränderung der Parameter) zeitlich ziemlich schnell auseinanderdriften und recht häufig in unterschiedlichen Strukturen enden, die entweder ruhigem oder eben stürmischem Wetter entsprechen.

Dieses Phänomen, das eine langfristigere Wettervorhersage scheinbar unmöglich macht, erklärte er der Öffentlichkeit als "Schmetterlingseffekt": In China schlägt ein Schmetterling mit seinen Flügeln, was ein paar Tage später zu unvorhersehbaren Veränderungen des Wetters in den USA führt. Für seine bahnbrechenden Arbeiten (seine Erkenntnisse wurden 1963 in einem Artikel mit dem Titel "Deterministic Nonperiodic Flow" veröffentlicht) erhielt Lorenz 1983 den Crafoord-Preis der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften und wurde 1991 mit dem Kyoto-Preis ausgezeichnet.

Abschließend lässt sich festhalten, dass einerseits viele Prozesse in der Atmosphäre, die mit dem Eintrag von Wärmeenergie (fühlbare und latente Wärme) verbunden sind, prinzipiell die Unordnung oder Entropie des Gesamtsystems teilweise bzw. regional differenziert erhöhen können. Dieser Faktor wirkt daher immer limitierend auf den zeitlichen Verlauf der Prognosegüte. Andererseits gelingt es der modernen Meteorologie dank verfeinerter Fern- und
Naherkundungsverfahren sowie exakterer Darstellung der physikalischen Prozesse in den Wettermodellen immer besser, sowohl die Anfangsbedingungen genauer zu erfassen als auch die Vorhersagefehler gerade in der kurz- und mittelfristigen Wettervorhersage (auch durch kontinuierliche Datenerfassung und entsprechende Modellanpassung) zu reduzieren. Damit wird auch die von Lorenz beschriebene Unschärfe längerfristiger Vorhersagen zumindest etwas verringert.

Dipl.-Met. Dr. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 16.07.2021