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Über dieses Buch

Die Verwendung von Mathematik bei der Vorhersage von Wetter, und damit einer der größten Erfolge moderner Wissenschaft, wird in diesem Werk erstmalig anschaulich dargestellt. Obwohl Menschen schon immer versucht haben, Wetter vorherzusagen, wurden mathematische Prinzipien erst mit Beginn des 20. Jahrhunderts regelmäßig dabei eingesetzt. In diesem Buch schildern Ian Roulstone und John Norbury die grundlegenden Veränderungen in der modernen Meteorologie - vom ersten Versuch an, Mathematik in der Wettervorhersage zu verwenden, bis hin zum Einsatz der heutigen Supercomputer, die meteorologische Informationen von Satelliten und Wetterstationen systematisch auswerten.

Bereits 1904 führte der norwegische Physiker und Meteorologe Vilhelm Bjerknes eine Methode ein, die unter dem Begriff "Numerische Wettervorhersage" Eingang in die Wissenschaft gefunden hat. Obwohl die von ihm vorgeschlagenen Berechnungen nicht ohne Computer durchgeführt werden konnten, stellten seine mathematischen Überlegungen, ebenso wie die von Lewis Fry Richardson, einen Wendepunkt in der atmosphärischen Wissenschaft dar. Roulstone und Norbury beschreiben die Entdeckung des Schmetterlingseffekts in der Chaostheorie, nach der selbst kleinste Veränderungen der Ausgangskonditionen erhebliche Variationen auf lange Sicht im System verursachen - eine Entdeckung, die die Hoffnung auf eine perfekte Vorhersehbarkeit des Wetters zunichtemachte. Die Autoren stellen dar, wie Meteorologen heute modernste Mathematik einsetzen, dabei aber doch den Grenzen der Vorhersagbarkeit unterliegen. Millionen von Variablen - bekannt, unbekannt und geschätzt - sowie Milliarden von Berechnungen sind heute Grundlage jeder Vorhersage und ermöglichen interessante und faszinierende moderne Computersimulationen des atmosphärischen Systems.

Dieses Werk erläutert auf leicht verständliche Weise die unverzichtbare Rolle von Mathematik bei der Vorhersage des sich immer wandelnden Wetters.​

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Vorspiel: Neuanfänge

Zusammenfassung
Ende des 19. Jahrhunderts nutzten die Menschen Newtons Gesetze der Bewegung und Gravitation, um die Sonnenauf- und -untergangszeiten, die Mondphasen und die Gezeiten von Ebbe und Flut zu berechnen. Sorgfältig trugen sie die Daten in Kalender und Tagebücher ein, sodass diese erfolgreichen Anwendung der Wissenschaft für viele Menschen, von Fischern bis hin zu Bauern, nützlich war. Im Jahr 1904 veröffentlichte dann ein norwegischer Wissenschaftler einen Aufsatz, in dem er umriss, wie man die Schwierigkeiten der Wettervorhersage als mathematische und physikalische Fragestellung formulieren könnte. Seine Betrachtungsweise wurde ein Eckpfeiler der modernen Wettervorhersage. Während 9 der nächsten drei Dekaden folgten viele junge, talentierte Wissenschaftler dieser Idee – ihre 10 Forschungen legten die Grundlage der heutigen Meteorologie.
Ian Roulstone, John Norbury

1. Eine Vision wird geboren

Zusammenfassung
Unsere Reise beginnt am Ende des 19. Jahrhunderts, kurz bevor die „Äthertheorie“ , die Raum, Zeit und Materie erklären sollte, von Einsteins Relativitätstheorie und der Quantenmechanik endgültig zu Grabe getragen wurde. Bei seinen Forschungen zum Äther machte ein norwegischer Wissenschaftler eine bemerkenswerte Entdeckung, welche der Meteorologie ganz neue Wege eröffnete.
Ian Roulstone, John Norbury

2. Von Überlieferungen zu Gesetzen

Zusammenfassung
In Kap. „1.​ Eine Vision wird geboren“ haben wir mit Wetterpixeln eine Grundeinheit eingeführt, mit der wir uns eine Vorstellung von der Atmosphäre bilden können. Als Nächstes benötigen wir nun Regeln, um die Pixel vorwärts zu bewegen, damit wir das Bild für den nächsten Tag vorhersagen können. Um 1700 hatte man erkannt, dass Newtons Mathematik erstaunlich gut vorhersagen kann, wie sich die Planeten im Sonnensystem bewegen.
Ian Roulstone, John Norbury

3. Fortschritte und Missgeschicke

Zusammenfassung
Lewis Fry Richardson, einer der schillerndsten britischen Wissenschaftler, war der Erste, der Bjerknes’ allgemeines Schema der Diagnose und Prognose in einen präzisen mathematischen Algorithmus verwandelte. Er führte seine Berechnungen während des Ersten Weltkrieges per Hand durch. Aber seine Prognosen waren falsch – aufgrund einer kaum wahrnehmbaren Abweichung in den Daten, aus denen die Vorhersage hervorging.
Ian Roulstone, John Norbury

4. Wenn der Wind den Wind weht

Zusammenfassung
Jedes Jahr wird die Wintersonnenwende vorhergesagt und die Sonne kehrt wie erwartet an die gleiche Position am Himmel zurück. Warum wiederholen sich die Winterstürme nicht genauso? Die meisten Winterstürme in den mittleren Breiten ähneln sich in Bezug auf Windstärke, Regen oder Schnee, aber sie treten dennoch auf unterschiedliche Weise auf.
Ian Roulstone, John Norbury

Zwischenspiel: Ein Gordischer Knoten

Zusammenfassung
In der ersten Hälfte dieses Buches haben wir einen Weg erörtert, wie man das Wetter mithilfe eines Computers beschreiben kann. Wir haben Wetterpixel eingeführt, die ein Hologramm vom Wetter unseres Planeten entstehen lassen. Das Hologramm zeigt Wärme, Wind, Wolken und Regen zu bestimmten Zeiten und an jedem festen Ort in unserer Atmosphäre.
Ian Roulstone, John Norbury

5. Begrenzung der Möglichkeiten

Zusammenfassung
Das quantitative Modell, das Bjerknes geplant und Richardson umgesetzt hat, ist eine Bottom-up-Sicht des Wetters. Es enthält so viele Details wie möglich und konzentriert sich darauf, wie lokale Luftströmungen ihre Umgebungen beeinflussen und mit ihnen wechselwirken. Sobald wir erst einmal die Gesetze aufgeschrieben haben, welche die detaillierte Physik der Kräfte und Winde, der Wärme und der Feuchtigkeit beherrschen, können wir fortfahren und das Wetter – die Folge dieser komplexen Wechselwirkungen – simulieren.
Ian Roulstone, John Norbury

6. Die Metamorphose der Meteorologie

Zusammenfassung
Rossby hatte den Gordischen Knoten der nichtlinearen Rückkopplungen in den Bewegungen der Atmosphäre gelöst, wenn auch nur für die großskaligen Jetstreams in den mittleren Breiten. Als Nächstes beschreiben wir, wie Meteorologen auf beiden Seiten des Atlantiks bezüglich der Entstehung von Zyklonen und ihren begleitenden Warm- und Kaltfronten umzudenken begannen – Themen, mit denen sich Wetterforscher auf der ganzen Welt beschäftigen.
Ian Roulstone, John Norbury

7. Mit Mathematik zum Durchblick

Zusammenfassung
Im Jahr 1948 zeigte Charney in seiner Veröffentlichung „On the Scale of Atmospheric Motion“ (Über die Größenordnung atmosphärischer Bewegungen), wie wir mithilfe des hydrostatischen- und geostrophischen Gleichgewichtes, zusammen mit der Erhaltung der potenziellen Temperatur und der potenziellen Vorticity, viel über das Wetter in den gemäßigten Breiten erfahren können. 15 Jahre später veröffentlichte Edward Lorenz einen Aufsatz mit dem harmlos klingenden Titel „Deterministic Nonperiodic Flow“ (Deterministische nichtperiodische Strömungen), in dem er folgerte, dass Menschen niemals eine langfristige Wettervorhersage werden erstellen können. Würde Chaos alle bisherigen Leistungen der theoretischen Meteorologie zunichte machen?
Ian Roulstone, John Norbury

8. Im Chaos vorhersagen

Zusammenfassung
Als sich das 20. Jahrhundert dem Ende neigte, flossen weitere Aspekte des Wetters und Klimas in die Computerprogramme. Auf welchem Stand ist die Wetter- und Klimavorhersage im 21. Jahrhundert? Messunsicherheiten erschweren es, die feuchte Luft transportierende Atmosphäre zu verstehen, und beeinträchtigen unsere Möglichkeiten, Wetterveränderungen zu prognostizieren.
Ian Roulstone, John Norbury

Nachspiel: Jenseits des Schmetterlings

Zusammenfassung
Astronomie und Meteorologie haben in der Geschichte der Entwicklung von Mathematik und Physik immer eine wichtige Rolle gespielt und sich wechselseitig befruchtet. Die Astronomie war eine der ersten Wissenschaften, die von den Fortschritten in der Mathematik profitierte.
Ian Roulstone, John Norbury

Backmatter

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