De complexiteit van daten, zweten en het klimaat

Wat hebben een date, zweet, het klimaat, de Nobelprijs van de natuurkunde en complexiteit precies met elkaar te maken? Heel veel! Want alleen door de complexe modellen van de Nobelprijswinnaars van dit jaar begrijpen we de verbanden tussen dingen die niks met elkaar te maken lijken te hebben.

26 oktober 2021

Begin oktober ontvingen Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann en Giorgio Parisi de Nobelprijs voor de natuurkunde vanwege hun bijdragen aan het begrip van complexiteit. Hun modellen veranderden onze visie op de wereld, die we niet meer begrijpen zonder complex denken. Maar wat is ‘complexiteit’?

Als je naar heel nauwkeurige definities kijkt, dan is dit bijvoorbeeld een heel theoretisch antwoord daarop: ‘Een complex systeem bestaat uit meerdere onderdelen die elkaar kunnen beïnvloeden, waardoor er gedrag ontstaat dat méér is dan de som der delen’ (Holland 2014). Wat er gebeurt op één plek in het systeem is afhankelijk van de staat van de rest. Dit leidt soms tot non-lineaire reacties , wanneer een kleine variatie tot een omslag van het hele systeem zorgt.

Snap je het nog? Helaas is deze definitie van complexiteit nogal…complex. Daarom leg ik in deze post aan de hand van zweet, dates en smeltend ijs uit wat complexiteit is én waarom we ook het klimaat niet begrijpen zonder complexe modellen.

Zweten bij het daten

Laten we het heel concreet maken: jijzelf bent een complex systeem. Op een warme zomerdag van veertig graden blijft jouw lichaam zevenendertig graden. Dat komt doordat je méér begint te zweten als het warmer wordt. Je lichaam reageert dus op een prikkel met een tegenprikkel. Dit noemen we een negatieve feedbackloop. Deze samenhang is nog relatief simpel en vang je eenvoudig in een wet.

/a>
Jouw lichaam is echter complex omdat andere factoren invloed hebben op de feedbackloop tussen zweet en warmte. Laten we om dat te illustreren een variabele toevoegen: een date met jouw grote liefde.

Van de zenuwen voor deze date krijg je het nóg warmer. Gevolg: je gaat méér zweten, wat je nóg nerveuzer maakt, waardoor je nóg verder opwarmt. Druipend van het zweet nip je aan je biertje.

Stel je voor dat het nu een halve graden warmer wordt buiten. Normaliter voer je makkelijk je warmte af door meer te zweten. Maar door de spanning is je lichaam al heter dan normaal. De plakkaten onder je oksels helpen niet meer voorkomen dat je volledig oververhit.

De feedbackloop crasht als je dit ‘tipping point’ bereikt. Dat is waarschijnlijk ook het punt waarop je date in een debacle eindigt. Je krijgt koorts, begint te ijlen en kruipt trillend naar huis. De samenhang tussen afkoeling en opwarming is volledig verstoord. En je date ook.

Er is dus een complexe samenhang tussen de buitentemperatuur, jouw zweetklieren en jouw date, die elkaar op een moeilijk te voorspellen wijze beïnvloeden.

Klimaatkennis

We kunnen meer met complexiteit dan voorspellen hoeveel je zweet tijdens een date. Ook het klimaat is complex. De globale temperatuur wordt bepaald door (onder andere) CO2 niveaus, het totale oppervlakte ijs dat zonlicht terugkaatst en de hoeveelheid biomassa.

NASA, Operation IceBridge. Op de foto zie je donkere plekken ontstaan waar het ijs gesmolten is.
NASA / DMS team, Public domain, via Wikimedia Commons

Als het klimaatsysteem nét dat ene zetje krijgt waardoor het ijs begint te smelten, dan komt er donker gesteente onder vrij wat nog méér warmte vasthoudt, waardoor het ijs daarna nog sneller smelt, et cetera. Deze mogelijkheid tot overreactie van complexe systemen maakt dat ze zo moeilijk te voorspellen zijn.

De toestand van alle onderdelen bepaalt het gedrag van het systeem als geheel, waardoor we onmogelijk vooraf vaste regels kunnen vaststellen. We hebben modellen nodig die kijken hoe verschillende onderdelen op elkaar gaan reageren.

Zet een kleine CO₂toename processen in gang die méér broeikasgassen uitstoten, zoals het smelten van permafrost? Zijn er ‘tipping points’ waarna veranderingen héél snel gaan? Waar liggen deze? Hoeveel moet je zweten voordat je date niet nog eens met je uit wil?

Zonder computermodellen zijn zulke vragen niet goed te beantwoorden. Vooral het klimaat was een groot raadsel gebleven.

Historisch overzicht

Zulke klimaatmodellen kwamen niet uit de lucht vallen.

US Weather Bureau 1943, de berekeningen werden nog met de hand gedaan.
Fred Driscoll, Public domain, via Wikimedia Commons

Wetenschapshistoricus Spencer Weart (2003) beschrijft dat klimaatwetenschap begin vorige eeuw nog gezien werd als ‘de saaiste tak van de meteorologie’. Op basis van gemiddeldes van de afgelopen jaren probeerden medewerkers van het U.S. Weather Bureau het weer te voorspellen.

Het klimaat werd per definitie als stabiel gezien, omdat ‘klimaat’ verwees naar gemiddeldes van neerslag en temperatuur over vele jaren.

Door het werk van onderzoekers als Revelle en Suess (1957) begint dat beeld vanaf de jaren vijftig te veranderen. Zij zagen de aarde als een complexe machine en ze ontdekten de samenhang tussen onderdelen van het aardsysteem. CO₂ wordt bijvoorbeeld veelal opgenomen door de oceaan, maar veel moleculen komen ook gauw weer in de atmosfeer terecht. Om het klimaatsysteem te begrijpen, moet je dus ook de interacties tussen oceanen en de atmosfeer begrijpen.

NASA 2015, Climate Model. NASA ontwikkelde modellen die laten zien wat er zou gebeuren als de oceanen en het land niet meer 50% van de CO2 kunnen opnemen — NASA 2015, Climate Model. NASA ontwikkelde modellen die laten zien wat er zou gebeuren als de oceanen en het land niet meer 50% van de CO₂ kunnen opnemen
NASA/GSFC, Public domain, via Wikimedia Commons

Vanaf de jaren zestig helpen mensen als de Nobelprijswinnaars Manabe, Hasselmann en Parisi met de ontwikkeling van complexe computermodellen. Computers berekenen hoe alle onderdelen van het klimaat op elkaar reageren. Met de hand zou dit eeuwen duren. Hiermee legden zij de basis voor de General Circulation Models die vandaag de dag nog gebruikt worden in de klimaatwetenschap en die onmisbaar zijn om de toekomst van de aarde te leren kennen.

Dankzij deze wetenschappers hebben we het wetboek van de natuur kunnen verruilen voor simulaties, die onze aarde in alle veranderlijkheid in beeld brengen. De natuur gedraagt zich niet willekeurig, maar wanneer we het over zoiets als klimaat hebben dan moeten we de concrete toestand van alle onderdelen van een systeem meewegen. Alleen met behulp van zulke modellen komen we meer te weten over de complexiteit van daten, zweten en het klimaat.

Reageer