Введение

Эдвард Нортон Лоренц (23 мая 1917 – 16 апреля 2008) – американский математик и метеоролог, заложивший теоретические основы предсказуемости погоды и климата, а также основу для использования компьютеров в атмосферной физике и метеорологии. Он наиболее известен как основоположник современной теории хаоса – раздела математики, изучающего поведение динамических систем, крайне чувствительных к начальным условиям. Его открытие детерминированного хаоса, согласно комитету, присудившему ему в 1991 году Киотскую премию по фундаментальным наукам в области наук о Земле и планетах, "оказало глубокое влияние на широкий спектр базовых наук и привело к одному из самых значительных изменений в понимании природы человечеством со времен сэра Исаака Ньютона".

Биографические данные

Лоренц родился в 1917 году в Вест-Хартфорде, штат Коннектикут. Он унаследовал любовь к науке от обеих сторон семьи. Его отец, Эдвард Генри Лоренц (1882–1956), изучал машиностроение в Массачусетском технологическом институте, а его дед по материнской линии, Льюис М. Нортон, разработал первый курс по химической инженерии в MIT в 1888 году. Его мать, Грейс Пелубет Нортон (1887–1943), привила Лоренцу глубокий интерес к играм, в особенности к шахматам. Позже Лоренц жил в Кембридже, штат Массачусетс, со своей женой Джейн Лобан и тремя детьми: Нэнси, Шерил и Эдвардом. Он был страстным любителем активного отдыха, увлекался пешими походами, скалолазанием и лыжными гонками, и продолжал этим заниматься до глубокой старости. 16 апреля 2008 года Лоренц скончался у себя дома в Кембридже от рака в возрасте 90 лет.

Образование

Лоренц получил степень бакалавра математики в Дартмутском колледже в 1938 году и степень магистра математики в Гарвардском университете в 1940 году. Во время Второй мировой войны он работал метеорологом в военно-воздушных силах армии США, что побудило его продолжить обучение в аспирантуре по метеорологии в Массачусетском технологическом институте.

Научная карьера

Лоренц провел всю свою научную карьеру в Массачусетском технологическом институте. В 1948 году он присоединился к Департаменту метеорологии МТИ в качестве научного сотрудника. В 1955 году он стал ассистент-профессором в этом департаменте и в 1962 году был повышен до профессора. С 1977 по 1981 год Лоренц возглавлял Департамент метеорологии МТИ. В 1983 году Департамент метеорологии и физической океанографии МТИ объединился с Департаментом геологии, образовав нынешний Департамент наук о Земле, атмосфере и планетах МТИ, где Лоренц оставался профессором до выхода на пенсию в 1987 году.

Атмосферная циркуляция

В конце 1940-х и начале 1950-х годов Лоренц совместно с Виктором Старром работал над проектом изучения общей циркуляции атмосферы в MIT, чтобы понять, какую роль играет погодная система в определении энергетических характеристик общей циркуляции атмосферы. По результатам этой работы, в 1967 году Лоренц опубликовал основополагающую статью под названием "Природа и теория общей циркуляции атмосферы", посвященную атмосферной циркуляции с энергетической точки зрения, и развившую концепцию доступной потенциальной энергии.

Числовое прогнозирование погоды

В 1950-х годах Лоренц заинтересовался и начал работу над численным прогнозом погоды, который основывался на использовании компьютеров для прогнозирования погоды путём обработки данных наблюдений, таких как температура, давление и ветер. Этот интерес возник, в частности, после посещения Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, где он встретился с Джулем Чарни, руководителем метеорологической исследовательской группы Института и ведущим специалистом в области динамической метеорологии того времени. (В 1957 году Чарни присоединился к Лоренцу в МТИ в качестве профессора метеорологии.) В 1953 году Лоренц возглавил проект в MIT, в рамках которого проводились сложные симуляции моделей погоды, использовавшиеся им для оценки статистических методов прогнозирования.

Теория хаоса

В 1961 году Лоренц использовал простой цифровой компьютер, Royal McBee LGP 30, для моделирования погодных условий, моделируя 12 переменных, представляющих такие параметры, как температура и скорость ветра. Он хотел повторно увидеть последовательность данных и, чтобы сэкономить время, начал симуляцию в середине ее хода. Он сделал это, введя распечатку данных, соответствующих условиям в середине исходной симуляции. К его удивлению, погода, которую машина начала предсказывать, оказалась совершенно отличной от предыдущего расчета. Причиной тому стало округленное десятичное число на компьютерной распечатке. Компьютер работал с 6-значной точностью, но при печати переменные округлялись до 3 знаков, поэтому значение, например, 0.506127, отображалось как 0.506. Эта разница была незначительной, и в то время большинство специалистов посчитали бы, что она не должна оказывать существенного влияния. Однако Лоренц обнаружил, что небольшие изменения в начальных условиях приводят к значительным изменениям в долгосрочных результатах. Открытие Лоренца, давшее название аттракторам Лоренца, показало, что даже детальное моделирование атмосферы, как правило, не позволяет делать точные долгосрочные прогнозы погоды. Его работа по этой теме, в которой ему помогала Эллен Феттер, завершилась публикацией статьи 1963 года "Детерминированный непериодический поток" в журнале "Journal of the Atmospheric Sciences", заложив основу теории хаоса. В книге "Сущность хаоса", в главе "Наша хаотичная погода" 1993 года, написанной Эдвардом Лоренцем и Кшиштофом Хаманом, авторы подробно рассмотрели проблемы прогнозирования погоды. В работе обсуждаются последствия хаоса в атмосфере и его влияние на прогнозы погоды. Они описывают ситуацию, в которой метеорологи в эпоху компьютеров генерируют множество долгосрочных прогнозов погоды, основанных на различных, но схожих начальных атмосферных условиях. Различия в результатах прогнозов возникают из-за чувствительности системы к начальным условиям. Взгляды Лоренца на детерминированный хаос получили широкое признание, начиная с 1970-х и 80-х годов, стимулируя развитие новых областей исследований практически во всех областях науки, от биологии до геологии и физики. В метеорологии это привело к выводу о фундаментальной невозможности прогнозирования погоды с разумной степенью точности на срок более двух-трех недель. Однако признание хаоса способствовало улучшению прогнозирования погоды, поскольку теперь прогнозисты учитывают неточность измерений и запускают множество симуляций, начиная с немного отличающихся условий, что называется ансамблевым прогнозированием. О значимости работы Лоренца Керри Эмануэль, выдающийся метеоролог и климатолог из MIT, отметил: "Награда Buys Ballot в 2004 году и награда Tomassoni в 2008 году". В 2018 году был снят короткометражный документальный фильм об огромном научном наследии Лоренца, охватывающем все – от прогнозирования погоды до понимания Вселенной.

Наследие

Коллеги и друзья вспоминают Лоренца как человека скромного и тихого нрава, отличавшегося мягкостью и любовью к природе.

Празднование столетия

В феврале 2018 года Центр Эдварда Лоренца и Фонд Генри Хоутона провели симпозиум под названием «MIT on Chaos and Climate», посвященный 100-летию со дня рождения Лоренца и Чарни.

Публикации

Лоренц опубликовал много книг и статей, выбор из которых представлен ниже. Более полный список можно найти на сайте Центра Лоренца: ссылка
1955 Доступная потенциальная энергия и поддержание общей циркуляции. Tellus. Т. 7; № 2. Ссылка
1963 Детерминированный непериодический поток. Journal of the Atmospheric Sciences. Т. 20: 130–141. Ссылка.
1967 Природа и теория общей циркуляции атмосферы. Всемирная метеорологическая организация. Т. 218. Ссылка
1969 Три подхода к атмосферной предсказуемости. Bulletin of the American Meteorological Society. Т. 50; 345–349. Ссылка
1972 Предсказуемость: может ли взмах крыльев бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе? Американская ассоциация содействия развитию науки; 139-я встреча. Ссылка
1976 Недетерминированные теории изменения климата. Quaternary Research. Т. 6. Ссылка
1990 Может ли хаос и непереходность привести к межгодовой изменчивости? Tellus. Т. 42A. Ссылка
2005 Разработка хаотических моделей. Journal of the Atmospheric Sciences. Т. 62, № 5: 1574–1587. Ссылка