إدوارد نورتون لورنز

في أواخر الأربعينيات وأوائل الخمسينيات من القرن العشرين، عمل لورنز مع فيكتور ستار في مشروع الدوران العام في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لفهم دور النظام الجوي في تحديد طاقة الدوران العام للغلاف الجوي. وانطلاقًا من هذا العمل، نشر لورنز في عام 1967 بحثًا رائدًا بعنوان "طبيعة ونظرية الدوران العام للغلاف الجوي"، تناول فيه دوران الغلاف الجوي من منظور طاقي، مما أسهم في تطوير مفهوم الطاقة الكامنة المتاحة . ^{[ 10 ]}

في خمسينيات القرن العشرين، أبدى لورنز اهتمامًا بالتنبؤ العددي بالطقس ، وبدأ العمل عليه، وهو مجال يعتمد على الحواسيب للتنبؤ بالطقس من خلال معالجة البيانات الرصدية المتعلقة بعوامل مثل درجة الحرارة والضغط والرياح. وقد انطلق هذا الاهتمام جزئيًا بعد زيارة قام بها إلى معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، نيوجيرسي، حيث التقى بجول شارني ، الذي كان آنذاك رئيسًا لمجموعة أبحاث الأرصاد الجوية في المعهد، وأحد أبرز علماء الأرصاد الجوية الديناميكية في ذلك الوقت. ^{[ 11 ]} (انضم شارني لاحقًا إلى لورنز في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عام 1957 كأستاذ للأرصاد الجوية). ^{[ 12 ]} وفي عام 1953، تولى لورنز قيادة مشروع في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، حيث أجرى محاكاة معقدة لنماذج الطقس التي استخدمها لتقييم تقنيات التنبؤ الإحصائي. ^{[ 11 ]} بحلول أواخر الخمسينيات، كان لورنز متشككًا في مدى ملاءمة النماذج الإحصائية الخطية في علم الأرصاد الجوية، نظرًا لأن معظم الظواهر الجوية التي تدخل في التنبؤ بالطقس غير خطية . ^{[ 2 ]} وخلال هذه الفترة، اكتشف الفوضى الحتمية . ^{[ 13 ]}

في عام ١٩٦١، استخدم لورنز، بمساعدة مارغريت هاميلتون ، ^{[ ١٤ ]} حاسوبًا رقميًا بسيطًا، من طراز رويال ماكبي LGP-30 ، لمحاكاة أنماط الطقس من خلال نمذجة ١٢ متغيرًا، تمثل أشياء مثل درجة الحرارة وسرعة الرياح. أراد لورنز رؤية سلسلة من البيانات مرة أخرى، ولتوفير الوقت، بدأ المحاكاة من منتصف مسارها. فعل ذلك بإدخال نسخة مطبوعة من البيانات التي تتوافق مع الظروف في منتصف المحاكاة الأصلية. ولدهشته، كان الطقس الذي بدأ الجهاز بالتنبؤ به مختلفًا تمامًا عن الحساب السابق. والسبب: رقم عشري مُقرَّب في النسخة المطبوعة من الحاسوب. كان الحاسوب يعمل بدقة ستة أرقام، لكن النسخة المطبوعة كانت تُقرِّب المتغيرات إلى ثلاثة أرقام، لذا طُبعت قيمة مثل ٠٫٥٠٦١٢٧ على أنها ٠٫٥٠٦. هذا الفرق ضئيل، وكان الرأي السائد في ذلك الوقت أنه لا ينبغي أن يكون له أي تأثير عملي. ومع ذلك، اكتشف لورنز أن التغييرات الطفيفة في الظروف الأولية تُحدث تغييرات كبيرة في النتائج طويلة المدى. ^{[ 15 ]}

أظهر اكتشاف لورنز، الذي سُميت جاذبات لورنز نسبةً إليه ، أن حتى النماذج الجوية التفصيلية لا تستطيع، بشكل عام، تقديم تنبؤات دقيقة طويلة المدى للطقس. وقد تُوِّج عمله في هذا الموضوع، بمساعدة إيلين فيتر ، بنشر بحثه عام 1963 بعنوان "التدفق غير الدوري الحتمي" في مجلة علوم الغلاف الجوي ، والذي وضع معه أسس نظرية الفوضى . ^{[ 2 ] [ 13 ]} ويذكر في ذلك البحث ما يلي:

"قد تتطور حالتان تختلفان بمقادير غير محسوسة في نهاية المطاف إلى حالتين مختلفتين بشكل كبير ... إذا كان هناك أي خطأ مهما كان في رصد الحالة الحالية - وفي أي نظام حقيقي تبدو مثل هذه الأخطاء حتمية - فقد يكون من المستحيل التنبؤ بشكل مقبول بحالة لحظية في المستقبل البعيد ... ونظرًا لعدم دقة وعدم اكتمال رصدات الطقس بشكل حتمي، يبدو أن التنبؤ الدقيق بعيد المدى للغاية غير موجود."

وصفه لتأثير الفراشة ، وهي فكرة أن التغييرات الصغيرة يمكن أن يكون لها عواقب كبيرة، جاء في عام 1969. ^{[ 2 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

في كتاب "جوهر الفوضى"، وتحديدًا في فصل "طقسنا الفوضوي" الصادر عام ١٩٩٣، والذي ألفه إدوارد لورنز وكريستوف هامان ، تعمّق المؤلفان في تحديات التنبؤ بالطقس. يناقش الكتاب عواقب الفوضى في الغلاف الجوي وتأثيرها على التنبؤات الجوية. ويصفان سيناريو يقوم فيه خبراء الأرصاد الجوية، في عصر الحوسبة، بإنشاء تنبؤات جوية طويلة المدى متعددة بناءً على ظروف جوية أولية مختلفة ولكنها متشابهة. وتنشأ الاختلافات في نتائج التنبؤات نتيجة لحساسية النظام للظروف الأولية. ^{[ ٢٢ ]}

لاقت رؤى لورنز حول الفوضى الحتمية صدىً واسعاً بدءاً من سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، حيث حفزت ظهور مجالات دراسية جديدة في جميع فروع العلوم تقريباً، من علم الأحياء إلى الجيولوجيا إلى الفيزياء. وفي علم الأرصاد الجوية، أدت هذه الرؤى إلى استنتاج مفاده أنه قد يكون من المستحيل أساساً التنبؤ بالطقس بدقة معقولة لأكثر من أسبوعين أو ثلاثة أسابيع. ومع ذلك، فقد أدى إدراك الفوضى إلى تحسينات في التنبؤات الجوية ، حيث يدرك المتنبئون الآن أن القياسات غير كاملة، وبالتالي يُجرون العديد من عمليات المحاكاة بدءاً من ظروف مختلفة قليلاً، وهو ما يُعرف بالتنبؤ الجماعي . ^{[ 23 ]}

وقد صرح كيري إيمانويل ، وهو عالم أرصاد جوية وعالم مناخ بارز في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بشأن الأهمية المحورية لعمل لورنز : ^{[ 24 ]}

"من خلال إظهار أن بعض الأنظمة الحتمية لها حدود تنبؤ رسمية، وضع إد المسمار الأخير في نعش الكون الديكارتي وأثار ما أسماه البعض الثورة العلمية الثالثة في القرن العشرين، في أعقاب النسبية وفيزياء الكم."

في أواخر مسيرته المهنية، بدأ لورنز يحظى بالتقدير الدولي لأهمية عمله في مجال الفوضى الحتمية. في عام 1983، مُنح، بالاشتراك مع زميله هنري ستوميل ، جائزة كرافورد من الأكاديمية السويدية للعلوم ، والتي تُعتبر مُساوية لجائزة نوبل تقريبًا . ^{[ 24 ]} كما مُنح جائزة كيوتو للعلوم الأساسية في مجال علوم الأرض والكواكب عام 1991، ^{[ 25 ]} وجائزة بويز بالوت عام 2004، وجائزة توماسوني عام 2008. ^{[ 26 ]} وفي عام 2018، أُنتج فيلم وثائقي قصير يُسلط الضوء على إرث لورنز العلمي الهائل، والذي شمل مجالاتٍ عديدة، بدءًا من كيفية التنبؤ بالطقس وصولًا إلى فهمنا للكون. ^{[ 27 ]}

تم نشر كتاب معاد طبعه يحتوي على أوراق بحثية مدعوة حول تأثيرات الفراشة احتفالاً بالذكرى الخمسين لتأثير الفراشة المجازي. ^{[ 28 ]}

في عام 2011، تم تأسيس مركز لورنز، وهو مركز أبحاث مناخي مكرس للبحث العلمي الأساسي، في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تكريماً للورنز وعمله الرائد في نظرية الفوضى وعلم المناخ . ^{[ 29 ]}

في فبراير 2018، استضاف مركز إدوارد لورنز وصندوق هنري هوتون ندوةً بعنوان "معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حول الفوضى والمناخ"، احتفاءً بالذكرى المئوية لميلاد لورنز وتشارني . ^{[ 12 ]} تضمن الحدث، الذي استمر يومين، عروضًا تقديمية من خبراء عالميين حول الإسهامات العلمية العديدة التي قدمها هذان الرائدان في مجالات التنبؤ العددي بالطقس ، وعلم المحيطات الفيزيائي ، وديناميكيات الغلاف الجوي ، وديناميكيات الموائع التجريبية ، فضلًا عن إرثهما الشخصي المتمثل في النزاهة والتفاؤل والتعاون. ويُبرز فيديو أُنتج خصيصًا لهذا الحدث البصمة الراسخة التي تركها تشارني ولورنز في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومجال الأرصاد الجوية ككل. ^{[ 30 ]}