Vilhelm Frimann Koren BJERKNES

Transkript

1 Vilhelm Frimann Koren BJERKNES Vilhelm Bjerknes er født og oppvokst i Kristiania. Han var nest eldst av fire søsken. Moren var prestedatter fra Selje, og hun tok seg av begynnerundervisningen av Vilhelm. Bjerknes-slekten var en gammel bondeslekt kjent for sine gode evner. Farfaren var bondesønn fra Sandsvær og ble praktiserende dyrlege i Kristiania etter studier i København. Faren ble professor i matematikk i Kristiania. Han hadde fulgt matematikeren Dirichlets forelesninger over væskebevegelser i Göttingen i 1856, og arbeidet deretter selv med hydrodynamikk. Bjerknes beskriver sitt barndomshjem som inspirerende og humørfylt. Det var ikke lett for ham å lære å lese og skrive, og praktisk regning var heller ikke hans styrke. Dette tok han igjen i fullt monn ved sin evne til logisk tenkning og dyp konsentrasjon. Han var artiumskamerat med Fridtjof Nansen i Som gymnasiast og ung student ble Bjerknes dypt involvert farens arbeid. Likevel var det ikke farens problemstillinger som skulle prege hans livsverk, men de sidespor disse penset ham inn på. Han evnet og hadde selvtillit til å fatte rekkevidden av oppdagelser han tilfeldig snublet over, selv om dette motsa rådende paradigmer. Faren arbeidet for å forstå hvordan krefter mellom legemer kan virke over avstand. Newtons gravitasjonslov postulerer en slik fjernkraft skapt av masse. Andre eksempler var de elektrostatiske og magnetiske beskrevet av Maxwells likninger, men en intuitiv forståelse av fjernkreftenes indre vesen manglet. Derfor var det filosofisk tvil om fjernkreftene som idé. Det var mange samtidige med faren gikk ut fra hypotesen om en allestedsnærværende "eter" som fjernkrefter kunne forplantes gjennom. I 1870-årene fant faren matematisk at to kuler som pulserende utvides og krympes inne i en homogen og usammentrykkelig væske, tiltrekker hverandre hvis de pulserer i fase og i motsatt fall frastøtes. Kraftlinjene har samme geometri som elektrostatiske krefter, og var derfor en hydrodynamisk analogi til støtte for eter-teorien. Ved den internasjonale elektrisitets-utstillingen i Paris i 1881, viste den 19-årige Bjerknes eksperimenter som bekreftet farens beregninger. Han forklarte dette selv for flere av datidens fremste fysikere. Faren vant en av utstillingens 11 ærespriser, og det gjorde uutslettelig inntrykk på sønnen. De følgende år assisterte han faren i arbeidet med den hydrodynamiske analogi, men han brøt samarbeidet for å avlutte studiene. Han avla naturvitenskaplig embetseksamen i Kristiania i Han fulgte så Poincarés forelesninger om elektromagnetisme i Paris, og deretter arbeidet han med resonans i elektriske svingekretser for Heinrich Hertz i Bonn. Han ble

2 Dr. Philos. i 1892, men bidraget innen elektrisk resonans ble sluttført først i Arbeidet regnes sammen med Poincarés og Hertz' bidrag å være det ugjendrivelige eksistensbevis for elektromagnetiske bølger. Formelverket var grunnlaget og den trådløse telegrafi og telefoni. Han fikk sitt første professorat i 1895, ved Stockholms Högskola. Som professor tok Bjerknes fatt på å sluttføre farens teori. Han publiserte to bøker i 1900 og 1902: Hydrodynamische Fernkräfte nach C. A. Bjerknes Theorie. Disse kom imidlertid for sent til å vekke interesse, men han hadde gjort en oppdagelse med vidtrekkende konsekvenser. For å forstå dette, er det nødvendig å beskrive paradigmet for kontinuerlige massesystemers fysikk i det 19. århundre. Euler hadde i 1755 utviklet en matematisk teori for bevegelser av de massesystemene som betegnes ideale væsker. Luft og vann er gode eksempler. Siden det var flere ukjente variabler enn bestemmende likninger, måtte tilleggsantakelser gjøres. Noen slike holder ofte stikk. Helmholtz' antakelse fra 1859 om konstant tetthet (masse pr. volum) er god for rent vann, men Lord Kelvins antakelse var mindre grov. Av begge antakelser følger at virvelbevegelse og sirkulasjon ikke kan forandres. Eulers likninger kan da forenkles og løsninger finnes i mange tilfeller. Kort sagt var det 19. århundrets hydrodynamikk en søken etter slike løsninger. Mens Bjerknes utviklet teori for farens hydrodynamiske analogier, fant han matematisk at sirkulasjon og virvelbevegelse kan nydannes og brytes ned på grunn av baroklinitet. Dette kalles nå Bjerknes' Sirkulasjonssats. Han innså at sirkulasjonssatsen knyttet hydrodynamikk og termodynamikk sammen til et nytt fag han kalte fysikalsk hydrodynamikk, eller termohydrodynamikk En væske er baroklin når tettheten varierer selv om trykket er konstant. Tettheten bestemmes av trykk, temperatur og væskens materielle sammensetning. Derfor må minst én variabel til bestemmes fra de termodynamiske hovedsetninger. I luft må temperatur og fuktighet beregnes og i havvann temperatur og saltholdighet. Sirkulasjonssatsen ble forelest i Stockholm 9. og 10. April 1897 og publisert skriftlig i 1898, med anvendelser i hav og atmosfære senere samme år. Satsen er vanskelig å anvende, men er uvurderlig som hjelp for intuisjonen. Det er en gåte at ikke Helmholtz eller Kelvin selv grunnla termohydrodynamikken. Deres navn er uløselig knyttet til begge felter. I 1888 publiserte også Helmholtz beskrivelser av luftstrømmer og beregninger for å tolke dem, og det var gammel viten at passatvinder og monsun er knyttet til

3 termisk utvidelse av luft. Matematisk finnes sirkulasjonssatsen lett fra Eulers likninger. Som referert av Bjerknes, var den allerede utledet av polakken L. Silberstein i Helmholtz og Kelvin fant sine bevaringslover ved å forenkle væskens tetthet før manipulasjon av likningene. Ved å manipulere likningene først, ville Helmholtz ha funnet baroklinitetens betydning allerede i Bjerknes forklaring på at bevaringslovene fikk leve i 40 år, var at de ble et dogme beskyttet av fysikernes berømte navn. Dette understrekes av at Silberstein ikke trodde på noen fysisk betydning av sitt resultat, men anså det som en matematisk raritet. Bjerknes forsto derimot konsekvensene til og grunnla dynamisk meteorologi og oseanografi som fagområder innen matematisk fysikk. Dette publiserte han i 1904 da han var 42 år. I mellomtiden gjorde han ferdig avhandlingene om de hydrodynamiske kraftfelter. Johan W. Sandström analyserte samtidig meteorologiske observasjoner for bruk av sirkulasjonssatsen, men arbeidet førte ikke fram. Publikasjonen fra 1904, Das Problem der Wettervorhersage betrachtet vom Standpunkte der Mechanik und der Physik, brukte derfor de opprinnelige bevegelseslikningene og termodynamikkens hovedsetninger. Den erklærte at værvarsling i prinsippet var et matematisk begynnelsesverdiproblem. Om slike prognoser skulle vise seg å gjenskape observasjoner, ville meteorologi være en eksakt vitenskap. Det var et klart skille mellom rent empiriske og eksakte vitenskaper. Etter Newton og Laplace var det en sterk tro på at man fra fysikkens lover kunne beregne alle framtidige hendelser. Teorier som hvilte på slike fysiske lover var eksakte vitenskaper. Bjerknes mente ikke selv å arbeide med værvarslingsprogrammet, fordi problemet var for omfattende. Fagets uvitenskapelige historie bød ham også imot. Allikevel ble meteorologien hans fag resten av livet. Fra 1906 fikk han en årlig bevilgning fra The Carnegie Institution of Washington som satt ham i stand til å ansette to assistenter til enhver tid i over tretti år. Med denne bevilgning og Sandströms erklærte vilje til assistanse, arbeidet fra da av Bjerknes med å løse likningene. Men hans interesse var primært teoretisk. Om først en løsning var funnet, kunne andre siden foredle metodene til det praktisk anvendbare. Bevilgningen ble utløst av et foredrag i Washington i 1905, der han presenterte værvarslingsprogrammet med plansjer utarbeidet av Sandstöm. At foredraget ga en slik belønning vitner både om teoriens sensasjon og at Bjerknes hadde ekstraordinære evner til å begeistre sine tilhørere. Disse evnene tiltrakk også mange unge forskertalenter, og Carnegie-

4 assistentene gjorde alle lysende karrierer innen geofysisk forskning og forvaltning. Flere av hans medarbeidere har gitt en meget rosende omtale av hans egenskaper som foreleser, inspirator og entusiastisk leder. Programerklæringen inneholdt to grunnleggende deler. Diagnosen besto i å bestemme fordelingen av de meteorologiske elementer ut fra observasjoner: vind (tre komponenter), trykk, tetthet, temperatur og fuktighet. Prognosen var løsning av sju differensiallikninger og derved beregning av de sju meteorologiske elementene for et senere tidsrom. Værdiagnoser hadde allerede vært bearbeidet systematisk i år ved nasjonale meteorologiske institutter. Gjennom den Internasjonale Meteorologiske Organisasjon var det etablert utveksling av meteorologiske observasjoner via telegrafi. Prognosene, eller varslene, var imidlertid basert på empiriske regler som ble justert når erfaringsgrunnlaget økte, men de var ofte gale. Internasjonale kampanjer med aerologiske observasjoner fra ballonger og drager ga ingen vesentlig forbedring. Bjerknes konkluderte at vesentlige trekk ved værsystemene ikke ble fanget opp på værkartene. Dessuten var det forvirring med måleenheter og observasjonstidspunkter, og han ble en pådriver for bruk av standardiserte måleenheter (cgs og millibar), og for at alle observasjoner skulle tas synoptisk ved GMT-klokkeslett. Sandström gikk løs på både diagnoseproblemet og utvikling av grafiske løsningsmetoder for likningene. Særlig viktig var vindanalysen i form av strømlinjer og kurver for konstant styrke. Dette avdekket konvergens- og divergens-linjer. I 1907 ble Bjerknes professor ved Universitetet i Kristiania der Theodor Hesselberg og Olaf Devik ble hans neste assistenter. Han utga sammen med Sandström, første bind (Statics) av bokverket Dynamic Meteorology and Hydrography i 1910; og sammen med Devik og Hesselberg andre bind (Kinematcs) i Intensjonen var å gi ut et tredje bind (Dynamics), men tiden ble aldri moden. Samtidig fortsatte han arbeidet med de hydrodynamiske kraftfelter. I 1909 utga han en bok med tittelen Die Kraftfälder. Bjerknes fikk i 1912 et tilbud om å bygge opp et nytt geofysisk institutt ved Universitetet i Leipzig. Han avtalte å vie arbeidet der til værvarslingsproblemet, og flyttet til Leipzig 1. januar Han hadde med seg Hesselberg og en ny assistent Harald U. Sverdrup. I 1916 ble de erstattet av Halvor Solberg og den 18 år gamle sønnen Jack Bjerknes. Instituttets nestleder var Dr. Robert Wenger, og det var 12 dr.-studenter. Med denne staben var det realistisk å håpe på en løsning av værvarslingsproblemet. Vindanalysene ble videreført av den tyske dr.-studenten

5 Herbert Petzold. Da verdenskrigen kom i 1914 ble Dr. Wenger og alle unntatt to kvinnelige dr.- studenter og Carnegie-assistentene, kalt til krigstjeneste. Jack Bjerknes overtok vindstudiene. I 1917 var situasjonen uholdbar i Leipzig, og Bjerknes aksepterte et professorat ved Bergens Museum. Dr. Wenger ble fritatt for krigstjeneste for å overta stillingen i Leipzig. Han flyttet til Bergen i august 1917, der sønnen Jack og Solberg fortsatte som assistenter. Samme år ble Norsk Geofysisk Forening stiftet med Bjerknes som første formann. Da Professor Wenger døde av spanskesyken i 1922 var det ingen framtid for det arbeid Bjerknes hadde startet i Leipzig. I Bergen var ressurstilgangen mye værre enn ved starten i Leipzig. Løsningen av det teoretiske problem var heller ikke nært forestående. Norge hadde dessuten et akutt behov for bedre værvarsler bl.a. for å sikre jordbruksprodukter. Han lot derfor de teoretiske arbeidene ligge, og i startet et prosjekt for værvarsling for landbruket. På grunn av krigsblokade manglet internasjonale værtelegrammer, og i sør-norge var det bare 9 telegraferende observasjonsstasjoner. Dette var ingenting som grunnlag for værvarsling. Sønnens arbeid med vindanalysene ble ført videre, etter at Bjerknes fra 22. februar 1918 fikk observasjoner rapportert fra sjøforsvarets overvåkningsfartøyer. Analysene overbeviste ham om konvergenslinjenes forbindelse med lavtrykk og nedbørområder som utløpere i forkant av stormsentrene. Han presenterte dette i et møte med regjeringen, og uttrykte behov for en 10-dobling av antall observasjonsstasjoner. Slik observasjonstetthet var nødvendig for å bringe fram "rynkene i værets ansikt" som han uttrykte det. Prosjektet fikk straks støtte fra statsminister Gunnar Knudsen, og en værvarslingstjeneste i Bergen ble forsøksvis etablert sommeren Dette ble gjentatt året etter da utenlandske observasjoner igjen var tilgjengelige, i tillegg til at norske skip med radio ble utstyrt med meteorologiske måleinstrumenter. Bjerknes var selv involvert i arbeidet med å velge nye observasjonssteder og instruere observatører. Allerede i 1918 ble publikasjonen som er gjennombruddet for Bergensskolen skrevet. Det var artikkelen On the structure of moving cyclones av Jack Bjerknes som ble publisert i Artikkelen presenterer en tredimensjonal, konseptuell modell av sykloner på midlere bredder, der konvergenslinjene for vinden samsvarer med diskontinuiteter i temperaturen. Linjene var fronter som er et skarpt skille mellom luftmasser med forskjellig temperatur og fuktighet. Den varme lufta presses som en kile inn i den kalde. Frontene er skjæringslinjer mellom bakken og skråstilte frontflater med varm luft over kald luft. Slike var kjent fra før i meteorologi, men

6 ansett som sjeldne. Nå ble de en del av strukturen til nesten alle ekstratropiske sykloner. Østerrikeren Margules hadde i beregnet at frontflater kan holdes i likevekt på skrå fordi jorda roterer, og at dette representerer en kilde for bevegelsesenergi. Dette forklarte at noen sykloner utvikles til sterke stormsentra. I 1919 ble staben styrket av svenskene Carl-Gustav Rossby og Tor Bergeron. Sistnevnte ble et fullverdig medlem av Bergensskolen mens Rossby bare var med en kort periode. De daglige værvarslene ble fra vinteren utvidet med et prosjekt for kystfiskerne. Jacks modell ble også anvendt til å analysere eldre værsituasjoner på nytt. Solberg utviklet en modell for lavtrykkenes fødsel som små voksende bølger på en øst-vestgående polarfront, mens Bergeron beskrev hvordan lavtrykkene mister sin energi mot slutten av sin levetid ved at varmlufta er presset opp i høyden, den såkalte okklusjonen. Sykloner på flere utviklingstrinn eksisterer samtidig i syklonfamilier, som knyttes til strukturer på større skala i atmosfæren. Bjerknes var ikke mye involvert i det daglige arbeidet med varslingen, men det er liten tvil om at Bergensskolens modell i høy grad er hans ideer satt ut i praksis. Modellens sikreste kjennetegn, frontene, tydeliggjør atmosfærens barokline områder, som kan gi opphav til ny sirkulasjon og vertikalbevegelse. Frontflatenes form medfører at dersom bakkefrontene er godt analysert, vil strukturen oppover i atmosfæren også være kjent. Dette er modellens indirekte aerologi som innebar en fullstendig tredimensjonal diagnose. Dessuten inneholdt modellen en beskrivelse av lavtrykkenes utvikling og forflytning som et verktøy for prognose. Men det gjøres ingen matematiske beregninger, og prognosene er derfor basert på skjønnsmessige bedømmelser. Værvarslinga på Vestlandet ble en fast post på statsbudsjettet etter et massivt ønske fra fiskerinæringen. Bergensskolens suksess viste seg også ved at andre lands værtjenester begynte å benytte modellen, etter en god del skepsis i starten. Ennå i dag er modellen i daglig bruk i bortimot alle land utenfor tropene, på tross av at prognoser nå beregnes matematisk etter den opprinnelige ideen til Bjerknes fra Man kan bare tenke seg hvilke gevinster verden har hatt fordi Bergensskolens modell har gitt værvarsler som har vært til å stole på. For Bjerknes var modellens praktiske suksess en stor tilfredstillelse, men vitenskapelig sett var han ikke fornøyd. Parallelt med utviklngen av polarfrontmodellen, arbeidet han også med å forenkle likningene slik at analytiske løsninger kunne finnes. Da han i 1926 ble professor i mekanikk og teoretisk fysikk ved Universitetet i Oslo arbeidet han videre med det teoretiske

7 fundamentet. Noen forenklede analytiske løsninger ble funnet i samarbeid med Halvor Solberg som ble professor i meteorologi ved samme universitet. I 1933 publiserte Bjerknes boka Physikalische Hydrodynamik mit Anvendungen auf die dynamische Meteorologie sammen med J. Bjerknes, Solberg og Bergeron. Denne inneholdt også to kapitler om de hydrodynamiske fjernkrefter, som altså forble et tilbakevendende tema for ham. Også hans siste artikkel, som han skrev i sitt 87. år, omhandlet dette. Han publiserte også arbeider innen astrofysikk. Bjerknes' siste Carnegie-assistent var Einar Höiland, som sterkt bidro til å bringe videre det matematisk-fysiske fundamentet i termohydrodynamikken. Han bygget opp et sterkt teoretisk miljø i hydrodynamikk ved Universitetet i Oslo i Bjerknes ånd. Neste generasjons forskere fra dette miljøet var sentrale aktører da det første gjennombruddet for den numeriske værvarsling ble publisert året før Bjerknes døde. I dag er disse metodene helt sentrale i værvarslingen og viktige verktøy for å forstå atmosfærens og verdenshavenes struktur og utvikling. Dette endelige bevis for at Bjerknes' programerklæring fra 1904 gjorde meteorologi og oseanografi som eksakte vitenskaper, fikk han ikke selv erfare. Bjerknes fortsatte å komme til sitt kontor på Universitetet på Blindern i flere år etter krigen, og han deltok aktivt i faglige diskusjoner Bjerknes hadde en lang rekke æresbevisninger og medlemskap i vitenskapelige selskaper. Han hadde bl.a. Agassiz-medaljen fra USA, Symons-medaljen fra Strorbritannia, Buys-Ballotmedaljen fra Nederland, Gunnerus-medaljen i gull fra Det Kgl. Norske Videnskabers Selskab, og Storkors av St. Olavs Orden for vitenskapelig fortjeneste. Vilhelm Bjerknes' livsverk er et meget betydningsfullt norsk bidrag til menneskeheten.