Wetter und Chaos

Auf Guardis Gemälde sind Wolken zu sehen. Es ist wohl eine der am häufigsten diskutierten Fragen, wie das Wetter am nächsten Tag sein wird: mehr Wolken, heiter, bedeckt, regnerisch, stürmisch, Schnee? Auf diese simple Fragestellung gibt es allerdings keine einfache Antwort.
Eine naheliegende Antwort liefert die Wahrscheinlichkeitsrechnung. Für wettbegeisterte Menschen empfehlen sich zwei Strategien: Erstens dass das Wetter morgen so bleibt, wie es heute ist. Und zweitens, dass das Wetter gleich ist wie am gleichen Tag des vergangenen Jahres. Beide Strategien liefern eine Trefferquote von weit über 50 %. Über Jahrtausende hinweg bestand die Wettervorhersage tatsächlich nur aus einer Beobachtung der Natur und einem Vergleich mit früheren, ähnlichen Umständen. Dies entspricht einfach einer Verbesserung der zwei obigen Methoden, indem mehr Einflüsse berücksichtigt werden. Ein gutes Beispiel dafür liefern Bauernregeln.
Mit der Entwicklung von Computern wurde ab 1950 auch versucht, das Wetter vorauszuberechnen. Dabei wurde entdeckt, dass kleinste Abweichungen von den Anfangsbedingungen große Änderungen bei der Prognose nach sich ziehen. So machten Temperaturänderungen um wenige tausendstel Grad aus einem Lüftchen einen Orkan, also sprichwörtlich die Mücke zum Elefanten. Oder kleinste Änderungen des Luftdrucks entschieden über Regen oder Sonnenschein. Dies war die Geburtsstunde der Chaostheorie.
Der Grund für die empfindliche Abhängigkeit von den Parametern liegt in den Gleichungen, die chaotische Systeme beschreiben. Diese Gleichungen sind nichtlinear. Ihr Lösungsverhalten lässt sich ohne genaueste Kenntnis der Anfangsbedingungen nicht vorhersagen. Ein Beispiel dazu ist das Würfelwerfen. Selbst bei ruhigster Hand lässt sich ein Würfelergebnis nicht absichtlich wiederholen. Der Grund dafür sind kleinste Zitterbewegungen der Hand und weitere Störungen wie Luftzug, vorbeifahrende Fahrzeuge, etc.
Chaotische Systeme sind eine der grundlegenden Erscheinungen in der Natur und viel Forschung wird auf diesem Gebiet betrieben. Ausgangspunkt beim Studium der Technischen Physik ist dabei die Mechanik, in der chaotische dynamische Systeme klassifiziert und qualitativ untersucht werden. In der Mathematik werden diese Systeme theoretisch untersucht (z.B. Ergodentheorie). Anwendungen reichen von der Modellierung von Weltwirtschaftsmodellen bis zum Eurofighter. Bei letzterem wird die Technik des „Controlling Chaos“ eingesetzt, die ein schnelles Manöver in der Luft ermöglicht.