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".
Edward Norton Lorenz (May 23, 1917 – April 16, 2008) was an American mathematician and meteorologist who established the theoretical basis of weather and climate predictability, as well as the basis for computer aided atmospheric physics and meteorology. He is best known as the founder of modern chaos theory, a branch of mathematics focusing on the behavior of dynamical systems that are highly sensitive to initial conditions. His discovery of deterministic chaos "profoundly influenced a wide range of basic sciences and brought about one of the most dramatic changes in mankind's view of nature since Sir Isaac Newton," according to the committee that awarded him the 1991 Kyoto Prize for basic sciences in the field of earth and planetary sciences.
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
1955 Available potential energy and the maintenance of the general circulation. Tellus. Vol. 7; 2. Link
1963 Deterministic nonperiodic flow. Journal of the Atmospheric Sciences. Vol. 20: 130–141. Link. 1967 The nature and theory of the general circulation of atmosphere. World Meteorological Organization. Vol. 218. Link
1969 Three approaches to atmospheric predictability. Bulletin of the American Meteorological Society. Vol. 50; 345–349. Link
1972 Predictability: Does the Flap of a Butterfly's Wings in Brazil Set Off a Tornado in Texas? American Association for the Advancement of Sciences; 139th meeting. Link
1976 Nondeterministic theories of climate change. Quaternary Research. Vol. 6. Link
1990 Can chaos and intransitivity lead to interannual variability? Tellus. Vol. 42A. Link
2005 Designing Chaotic Models. Journal of the Atmospheric Sciences. Vol. 62, No. 5: 1574–1587. Link