Modellar til besvær

Publisert

Forskarane sine modellar i klimadebatten er omdiskuterte, men det kjem ikkje alltid fram kva ein matematisk modell er for noko.


– Mange misforstår og trur ein klimamodell er ei statistisk tilpassing til data, mens det i realiteten er ei simulering basert på grunnleggjande naturlover, seier direktør ved Bjerknessenteret for klimaforsking, Eystein Jansen.

“[Det] fremstår (…) som noe underlig at det nettopp er modellframskrivninger som skal ligge til grunn når det skal forhandles om klimagasser. (…) Jeg er meget betenkt over denne metodikken og håper virkelig simulantene sover godt om natta.” skriv ein av dei ivrige debattantane under ein klimaartikkel i nettavisa forskning.no. Nettopp modellane har blitt det mest kontroversielle i klimakampen. Klimaforskarane i Bergen får ofte spørsmål om dette, og opplever at det er mykje uvisse hjå samfunnsdebattantane om kva ein klimamodell eigentleg er.

Naturlovene styrer modellen
– Klimamodellane bygger på dei fysiske lovene, og er ikkje anna enn numeriske løysingar av dei matematiske uttrykka. Dei er ikkje konstruerte for å vise at vi har ei menneskeskapt oppvarming, seier professor Tore Furevik ved Geofysisk institutt.

Modellar er eit svært nyttig matematisk verktøy som har vore under gradvis utvikling heilt sidan den analytiske matematikken oppsto på 1600-talet. Då  fekk matematikarane metodar for å rekne på storleikar som endra seg. I starten prøvde ein å representere fysiske endringar ved hjelp av enkle likningar som kunne løysast med papir og blyant. Dei siste tiåra har datamaskinene gjort det mogleg å rekne ut stadig meir omfattande og komplekse likningssett. Modellar blir no nytta i alt frå vêrvarsling til medisin, men alle har sitt opphav i matematikk og naturvitskap.

Må finne grunnleggande prosessar
– I utgangspunktet er Newtons lover enkle – slepp du ein stein, er det lett å rekne ut korleis han vil bevege seg. Men dersom du har ein milliard slike små prosessar som kanskje veksleverkar med kvarandre, blir det utruleg kompleks matematikk av det. Det er ikkje mange som verkeleg forstår alt som skjer i ein slik modell, og det er heller ikkje lett å formidle det til publikum, seier professor i anvend matematikk, Alf Øien.

Modellar til besvær

Fakta:

  • Klimamodellar nyttar numeriske metodar til å simulere grunnleggjande fysiske prosessar i atmosfæren, havet og på landjorda.
  • Komplekse klimamodellar er oftast bygd opp av modular som simulerer ulike prosessar.
  • Når tilstanden i framtida er styrt av tilstanden i dag, blir det kalla eit startverdiproblem. Di fleire observasjonar vi har av tilstanden i dag, di sikrare kan vi estimere tilstanden i framtida, men uvissa blir større di lengre fram vi ser. Vêrvarselet er eit slikt problem.
  • I klimamodellering er tilstanden i framtida mindre styrt av tilstanden i dag, og meir av pådriv som utslepp av drivhusgassar, solinnstråling, vulkanaktivitet og mange andre ting.

 

 

 

Alle dei viktigaste næringsvegane i Noreg i dag, har gjort seg heilt avhengige av matematisk modellering. Modellane reknar ut oljestrøyming i reservoar og i røyr, kor mykje fisk som blir fødd og døyr i Norskehavet, og korleis inntektene frå fisken og oljen vil utvikle seg.

For at ein modell skal vere nyttig, må modellutviklaren forstå kva prosessar som er vesentlege og som ein er nøydd til å ha med. Blir ein viktig prosess gløymt, eller ikkje representert godt nok, vil det slå beina under heile modellen. Skal du til dømes modellere havsirkulasjon, men gløymer å ta med effektane som kjem av at jorda roterer, vil alt anna også bli feil.

Ei anna fallgruve, er prosessar som ser uviktige ut i seg sjølv, men som kan bygge seg opp og få stor effekt over tid.

Ingen klare svar
– Resultatet av det ser vi når det oppstår ein tsunami. I ein båt midt ute på havet vil ein knapt merke flodbølgja, men når all denne energien blir fokusert inn mot land, får det ein kjempeeffekt. Dette er eit grunnleggjande ikkje-lineært problem som det ikkje finst noka enkel løysing på, og her har reknekraft mykje å seie, fortel Jarle Berntsen ved Matematisk institutt.

Når folk har vanskar med å forstå kva ein modell gjer, kan det ha samanheng med at modellar aldri kan gje oss eitt klart og sikkert svar på kva som vil skje. Dei kan berre fortelje om ulike moglege utfall innanfor ein viss trend. Det kan samanliknast med å rulle ein ball utfor ei skråning: Du kan vere temmeleg sikker på at ballen vil rulle nedover, men akkurat kor han vil hamne, er ikkje så lett å seie. Når det gjeld klimamodellane, ligg dessutan desse utfalla langt fram i tid. Difor har til dømes forskarar frå Bjerknes-senteret dei siste vekene vore ute i media for å rope varsko om at ein uvanleg kald vinter i Noreg ikkje vil seie at temperaturstiginga har stoppa opp.

– Mange har problem med scenarie-tankegangen, altså at resultata frå klimamodellane er basert på moglege utviklingar i blant anna folketal, økonomi, energiforbruk, energitypar.. Modellane viser kva klima vi kan forvente med ulike utviklingar, men dei kan ikkje brukast til å slå fast at slik vil det bli, seier Furevik.

Lag på lag med uvisse
Som om ikkje det var nok, vil det alltid hefte uvisse ved komplekse modellar og simuleringar. Ikkje berre er det uvisst kor mykje klimagassar vi kjem til å sleppe ut i framtida, men dei matematiske metodane har også ei viss innebygd uvisse.

– Ein må bruke robuste numeriske metodar der uvissa er kjend, for feilen i metoden kjem på toppen av feilen i dei fysiske parametrane i modellen. Når ein har kontroll på den numeriske feilen, kan ein vite med større sikkerheit kor mykje ein fysisk parameter har å seie, fortel Øien.

Med tida, og særleg etter at FN sitt klimapanel vart etablert, er det berre blitt meir og meir fokus på uvissa ved bruk av klimamodellar, ifølgje Matthias Heymann ved Institutt for Videnskabsstudier ved Aarhus universitet. Han har særskilt studert utviklinga av klimaforsking og av klimamodellar.

– På byrjinga av 70-talet var det vanleg at forskarar hadde stor tru på bruken av modellar, og uvisse-omgrepet var mest knytt til kor mykje drivhusgassar som ville bli sleppt ut. Ein visste sjølvsagt at modellane var usikre, men det var ikkje mogleg å talfeste uvissa nøyaktig – og det er det framleis ikkje. Sidan midten av 90-talet har derimot dette med uvisse blitt ei stor sak, seier han.

Utnyttar uvissa
Mykje av grunnen trur han er den sterke offentlege debatten som har oppstått kring klimaforsking.

– Forskarar tek sjølvsagt uvissa alvorleg, men eg trur neppe dei ville brukt fullt så mykje energi på det, om det ikkje hadde vore for den offentlege kritikken dei møter. Klimaforskarar i dag må vere PR-ekspertar i tillegg. Kanskje gjer all merksemda klimaforskinga betre, men dette veit vi lite om.

Modellering og simulering møter lite kritikk på dei fleste område – kanskje for lite, sidan datasimuleringar er ein relativt enkel og billeg metode som lett kan misbrukast. Som så ofte elles, er det først når særinteresser kjenner seg truga, at det blir stilt spørsmål ved modellane. Klimaforsking rører ved så å seie alle delar av samfunnet, og dermed ved svært mange særinteresser. Men her i Noreg kan vi kjenne igjen problematikken frå fiskeriforvaltinga. Kvart år kjem havforskarar med råd om kor mykje fisk som bør takast opp, basert på mellom anna fangstdata og akustikk. Jarle Berntsen, som har vore nokre år ved Havforskingsinstituttet i løpet av karrieren, fortel at det gjekk ein livleg diskusjon om ein skulle oppgje uvissa i estimatet eller ikkje.

– Den gongen gjorde dei det ikkje, fordi ein frykta at uvissa ville bli brukt av folk med ein agenda. Mange ville seie at dersom estimatet var så usikkert, kunne ein like godt fiske meir enn det som var tilrådd, fortel han.

Kan forstå, men ikkje spå
I dag gjeld det same på klimafeltet, der mange interessegrupper bruker uvissa i modellane for alt det er verd i eit forsøk på å forhindre politiske reguleringar som vil ramme deira interesser.

Når modellar likevel er så nyttige trass i uvissa, er det ikkje minst fordi dei kan hjelpe oss med å forstå dei prosessane som modellane skal representere. I komplekse system er dette svært nyttig.

– Går ein tilbake i tid, har vi hatt både istider og periodar med mykje varmare vêr, og det vil seie at vi har hatt tilstandar der strøymingsmønsteret i atmosfæren har vore heilt annleis enn i dag. Spørsmålet er kor mykje vi kan forstyrre systemet før mønsteret endrar seg. Der kan modellane hjelpe, seier Jarle Berntsen.

– For veldig enkle system har vi enkle modellar som kan seie oss ved kva verdiar heile systemet tippar over. Det same kan skje i veldig komplekse system. Problemet er berre at modellane ikkje kan fortelje oss akkurat kva tid det vil skje, vedgår Øien.