Streven. Jaargang 24

[p. 1089]

Weervoorspelling: wetenschap of kunst?
F. Bertiau

Weervoorspelling is een van de oudste geestelijke activiteiten van de mens: het weer beheersen is een droom waar geen meteoroloog aan durft te denken, maar het voorspellen is de ambitie van boeren en geleerden. Tot voor enkele jaren moest de weerkundige uit zeer schaarse gegevens in een minimum van tijd het weer voorspellen aan de hand van wetten die feitelijk te complex zijn om ze te kunnen gebruiken. Toen in 1960 de eerste weersatelliet gelanceerd werd die in staat was een groot gedeelte van het aardoppervlak te zien, was de eerste stap gezet voor een revolutie in de meteorologie. De Verenigde Naties gaven aan de World Meteorological Organization (W.M.O.), waarvan alle landen deel uitmaken die een meteorologisch instituut bezitten, de opdracht om het waarnemen van het weer en het uitwisselen van de informatie internationaal te organiseren.

De World Weather Watch (W.W.W.) werd effectief in 1967 en bestaat in hoofdzaak uit een keten van hoofdstations die alle meteorologische gegevens welke ze via secundaire ketens toegezonden krijgen, concentreren en doorzenden naar het volgende station van de hoofdketen. De hoofdketen omspant de aardbol en bestaat uit de volgende stations: Melbourne (Australië) - Tokyo - Washington - Londen - Parijs - Offenbach (Duitsland) - Praag - Moskou - Kairo - New Delhi - Melbourne. Ukkel zendt zijn waarnemingen door naar Londen en Parijs; De Bilt zendt ze door naar Londen. Kinshasa in Kongo zendt door naar Brazzaville, dat verder doorzendt naar Dakar, dat op zijn beurt doorzendt naar Parijs, waar de gegevens de hoofdketen bereiken. Ieder meteorologisch gegeven moet deze keten binnen de drie uren doorlopen. Dit plan is reeds min of meer verwezenlijkt, al blijven er nog wel enkele moeilijkheden bestaan op gebied van voorrang. Maar hiermee is nog slechts het gemakkelijkste gedeelte van de opgave uitgewerkt.

De weervoorspelling kan blijkbaar op twee manieren gebeuren. Ofwel tracht men de weerkaart voor het eigen land en de omliggende landen op te stellen en door analogie met vroegere gevallen het weer voor de volgende dag te voorspellen. Dat was zo ongeveer de methode waarmee men zich tot

[p. 1090]

nog toe moest behelpen. Ze steunde voor een groot deel op ervaring en gaf gemakkelijk aanleiding tot vergissingen: de analogie met vroegere gevallen is nooit volledig, een kleine afwijking volstaat soms om de weervoorspelling waardeloos te maken. Ofwel verzamelt men voldoende gegevens over het hele aardoppervlak om dan via fysische wetten en wiskundige berekeningen de toestand van de atmosfeer voor de volgende periode af te leiden. Maar deze methode is, althans voorlopig, niet te gebruiken.

Wanneer we de wereldkaart van de meteorologische stations bekijken is het duidelijk dat waarnemingsstations alleen veelvuldig voorkomen in economisch ontwikkelde landen. De oceanen, die het grootste gedeelte van het aardoppervlak omvatten, zijn bijzonder slecht voorzien van waarnemingsstations. We kunnen dus niet zeggen dat we over een netwerk beschikken waarvan de mazen min of meer even groot zijn. Bovendien zitten in dit net ook enkele politieke ‘gaten’: Communistisch China bijvoorbeeld is geen lid van de W.M.O. en werkt dus niet mee aan de World Weather Watch. Het weer stoort zich echter niet aan politieke of economische systemen. Ook op dit gebied zullen de mensen moeten leren samenwerken zonder onderscheid van ras of politiek systeem.

Op het 6e Wereldcongres van de W.M.O. in april 1971 werd door de Russische afgevaardigde de volgende moeilijkheid naar voren gebracht: dank zij de W.W.W. bezitten we nu 30 maal meer informatie dan 10 jaar geleden; maar de hersens van de weerkundige die hiermee zijn weerkaart en zijn weervoorspelling moet opmaken, zijn nog altijd even groot. Waarop de afgevaardigde van de USA antwoordde dat men juist daarom computers moet bouwen die deze taak overnemen. De computer kan inderdaad de weerkundige nu reeds helpen om de gegevens te concentreren in een meer bruikbare vorm. Weerkaarten kunnen door een computer getekend worden. Op dit ogenblik bezit men echter geen computer met de nodige capaciteit en snelheid om het probleem van de weervoorspelling op te lossen. Het tekenen van een weerkaart is slechts een hulpmiddel dat een visueel beeld geeft van de kwantitatieve gegevens. Het is echter te verwachten dat computers in de komende jaren zullen blijven groeien zoals ze de laatste tien jaar hebben gedaan, en men kan er min of meer op rekenen dat men rond 1976 over een computer zal kunnen beschikken die de weervoorspelling voor heel de aarde zal kunnen uitwerken. Dan moet tegen die tijd wel het waarnemingsnet voldoende uitgebreid zijn en moet er een oplossing zijn gevonden voor enkele dringende problemen, waarvan het belangrijkste is: welk is de dynamica van de luchtmassa's aan de evenaar en hoe moet de daarmee samenhangende wolkenvorming fysisch worden verklaard?

Voor het eerste punt - de uitbreiding van het waarnemingsnet - is al een oplossing in het vooruitzicht: vier stationaire weersatellieten zullen zo

[p. 1091]

boven de evenaar worden geplaatst, dat ze de tropische en subtropische zones voortdurend aftasten en dag en nacht de wolkenverdeling weergeven. Verder zullen twee weersatellieten van pool tot pool rond de aarde wentelen, zodat de wolkenverdeling over heel de aarde bekend zal zijn. De stationaire weersatellieten zullen een totaal beeld geven van de wolkenverdeling; de polaire een detailbeeld, dat verschilt volgens de positie van de weersatelliet. Ieder weerstation op aarde kan dan rechtstreeks de beelden opvangen uitgezonden door deze satellieten.

De informatie die verkregen wordt door deze wolkenfoto's vanuit weersatellieten, is natuurlijk van heel groot belang, maar ze volstaat niet: een wolkenfoto geeft bijvoorbeeld niet aan op welke hoogte de wolken zich bevinden; uit wolkenfoto's alleen kan de windsterkte op verschillende hoogte niet afgeleid worden. Grondmetingen en metingen vanuit weerballons en vliegtuigen blijven dus nodig. Wil men een waarnemingsstation voor elke 5000 km², dan betekent dat ongeveer 100.000 stations om het hele aardoppervlak te bestrijken. Een gedeelte van die stations kan volledig geautomatiseerd worden en kan op de oceanen drijven.

Het tweede probleem betreft een betere kennis van wat er gebeurt aan de evenaar. Het is duidelijk dat het grootste gedeelte van de energie die opgenomen is in de atmosfeer, afkomstig is van de zon en dat de zonne-energie vooral opgevangen wordt in de tropen. (De helft van de zonne-energie, opgevangen door de aardatmosfeer, wordt opgevangen in een zone van 24^o ten noorden en ten zuiden van de evenaar. Om de luchtverplaatsing over de hele aarde te voorspellen, moet men weten wat zich in de atmosfeer rond de evenaar afspeelt. Maar de meteorologische gegevens van de evenaarszone zijn helaas onvoldoende bekend. Het grootste gedeelte van deze zone bevindt zich in oceanen en onderontwikkelde landen. De overheersende winden en de eigenaardige wolkenconfiguraties die men er waarneemt, blijven voor het grootste gedeelte voorlopig zonder verklaring. Daarom heeft de W.M.O. besloten in de zomer van 1972 een reusachtig experiment op te zetten.

[p. 1092]

In een zone van 30^o breed aan de evenaar, tussen de oostergrens van Afrika en de westergrens van Centraal Amerika, zal gedurende drie maanden een ‘Global Atmospheric Tropical Experiment’ (G.A.T.E.) worden uitgevoerd, waaraan verschillende landen van de W.M.O. deel zullen nemen door het sturen van weerschepen (België rust het schip ‘Mechelen’ uit voor het experiment) en vliegtuigen, die in groepen van drie op verschillende hoogten de atmosferische kenmerken van deze zone zullen opmeten. Het aantal stations zal vermenigvuldigd worden en de V.S. zullen weersatellieten boven de zone plaatsen. In een beperkt gebied, ten zuiden van de Azoren, zal men speciaal de wolkenvorming bestuderen.

Dit wereldexperiment, dat alleen maar kan slagen als alle betrokken naties samenwerken, moet de sleutel bezorgen van de dynamiek van onze atmosfeer. Het zal tegelijk een algemene repetitie zijn voor een volgend wereldexperiment, dat voorzien is voor 1974: een ‘Global Atmospheric Research Programme’ (G.A.R.P.). De uiteindelijke bedoeling van dit laatste programma is, samen met het geschikte computermodel, het minimum waarnemingsnet op te stellen dat het mogelijk zal maken het weer voor heel de aarde in grote trekken te voorspellen. Alle bestaande weerinstituten zullen in G.A.R.P. betrokken worden en automatische stations zullen het bestaande waarnemingsnet aanvullen om het meer homogeen te maken. Verder zal men zoeken welk het minimum aantal waarnemingen is dat nodig is om de stromingen van de luchtmassa's over de gehele aarde zo te beschrijven, dat de ‘super-computer’ de evolutie van deze stromingen kan berekenen. De fijnere lokale details van het weer wil men (nog) niet voorspellen met de super-computer: het probleem bestaat juist hierin, dat men wil zoeken hoever de verfijning van de waarnemingen doorgedreven moet worden om de dynamiek van de atmosfeer te kunnen reproduceren met een super-computer.

Uit dit unieke wereldprogramma, dat in april jl. door het Congres van de W.M.O., d.w.z. door 133 landen, in Genève werd goedgekeurd, blijkt dat meteorologie definitief een volledig nieuwe richting uitgaat. Men verwacht dat de grote lijnen van de weervoorspelling door een super-computer bere-

[p. 1093]

kend zullen worden en dat de details door de lokale weerinstituten ingevuld kunnen worden.

Vraagt men zich af, welke elementen van de moderne technologie de droom van de meteorolgen helpen verweezenlijken, dan komen daarvoor in aanmerking:

de ruimtevaart, die het lanceren van satellieten heeft mogelijk gemaakt; de miniaturisatie van elektronische onderdelen, die de bouw van communicatie- en weersatellieten heeft mogelijk gemaakt (een weersatelliet is slechts een paar meter groot en wordt voorzien van elektrische energie door de zon);

de computer, die het mogelijk maakt wiskundige problemen op te lossen die twintig jaar geleden onoplosbaar werden geacht. Van 1953 tot 1960 is de snelheid van de computer gegroeid van 1 tot 10; in 1965 tot 80; in 1970 tot 2000; tegen het einde van 1972 zal ze waarschijnlijk 10.000 overschrijden. De capaciteit van het computergeheugen is even sterk gegroeid, zodat men mag vermoeden dat de computer in 1976 alle eigenschappen zal bezitten die nodig zijn voor het berekenen van de weervoorspelling, tenminste op wereldschaal.

Het zal de leek misschien verwonderen dat weervoorspelling zo'n lastig probleem is als men het langs zuiver wiskundige wegen wil oplossen. Men moet echter bedenken dat het aardoppervlak erg onregelmatig is. Bergen, begroeide vlakten, woestijnen en wateroppervlakken hebben heel verschillende invloeden op de ontwikkeling van het weer. Al deze elementen moeten in de computer opgenomen worden, niet kwalitatief, maar kwantitatief, en hun effect op het weer moet worden berekend. Zelfs indien de aarde een volmaakt homogeen oppervlak zou bezitten, bijvoorbeeld een wateroppervlak zonder continenten, blijft het wiskundig probleem nog steeds moeilijk numerisch op te lossen. Duizenden benaderingen zijn vaak nodig om dergelijke complexe problemen op te lossen.

Geautomatiseerde weervoorspelling is op dit ogenblik onmogelijk, niet alleen vanwege het gebrek aan gegevens en een voldoende grote computer, maar ook omdat we nog niet over een wiskundig computer-model beschikken dat voldoende ingewikkeld is om de werkelijkheid te benaderen en niet zo ingewikkeld dat de gegevens die voorhanden zullen zijn, niet volstaan om de berekening uit te voeren. Het zoeken naar het eenvoudigste model dat toch nog een bruikbare weervoorspelling mogelijk maakt, zal het voorwerp zijn van intense wiskundige studie in de komende jaren.

Uit dit W.M.O.-programma blijkt dat weervoorspelling in de toekomst niet langer een kunst zal zijn. Tot nog toe moest de weerman zich beroepen op een mengsel van wetenschap, vaardigheid en ondervinding om een min of

[p. 1094]

meer betrouwbare voorspelling uit te werken. Tegen 1980 zal hij waarschijnlijk op een globale weervoorspelling kunnen rekenen, uitgewerkt door een super-computer, waarop hij, geholpen door een kleinere computer, de details van zijn lokale weervoorspelling kan uitwerken.

Is een weervoorspelling dan zo belangrijk? Ongetwijfeld. De voedselproduktie zou veel efficiënter geregeld kunnen worden indien we dit probleem onder de knie hadden. De samenwerking tussen meteorologie, oceanografie en hydrografie is op het ogenblik onvoldoende. Schepen en vliegtuigen hebben betrouwbare weervoorspelling nodig. Overstromingen kunnen enkel vermeden worden door tijdige waarschuwingen. In het verre Oosten, India en Amerika komen stormen voor die alles verwoesten wat ze op hun weg ontmoeten. De banen van dergelijke meteoren moeten nauwkeurig voorspeld kunnen worden en middelen moeten gevonden worden om ze te remmen of zelfs te vernietigen. Meteorologie heeft niet alleen tot taak een betrouwbare weervoorspelling op te stellen, maar ook de mens te waarschuwen.

De luchtverontreiniging is een van de nieuwe factoren in de meteorologie; ze kan een ernstig gevaar worden voor de mensheid. In Genève werd erop gewezen dat luchtpollutie het klimaat dreigt te veranderen. Het gevaar dreigt dat het klimaat van Europa, Amerika en later van heel de aarde door de bevuiling door aerosols (vaste deeltjes die in de lucht zweven) langzaam van een gematigd klimaat naar een polair klimaat verschuift. Meteorologie kan de mensheid niet verplichten zichzelf te genezen, maar ze kan als een thermometer functioneren die de koorts meet. Wanneer de weerman regelmatig het koolzuur- en loodgehalte in de atmosfeer signaleert, zullen de landen misschien maatregelen gaan nemen om de luchtvervuiling te stoppen.

De ontaarding van de atmosfeer is nu reeds waarneembaar: de meeste Europese sterrenwachten zoeken naar nieuwe plaatsen waar ze hun telescopen kunnen opstellen, zodat ze aan de bevuilde atmosfeer ontsnappen die waarnemingen onmogelijk maakt. In Italië, het land van de zon, zijn alle plaatsen beneden de 1500 m al onbruikbaar geworden. Na jarenlang zoeken komt bijna ieder land tot dezelfde conclusie: West-Europa is voor de optische astronomie min of meer verloren.

Het Wereldcongres van meteorologie in Genève, dat niet minder dan 26 dagen duurde, is uniek in de geschiedenis van de wetenschap: nooit werd een grootser wetenschappelijk plan uitgewerkt dat de samenwerking van alle landen vereist, dat zelfs een beroep doet op computers die een orde groter zijn dan degene die nu bestaan, en dat voor de wereldbevolking van vitaal belang kan worden.