Lewis Fry Richardson – einfach erklärt

Bedeutung und wissenschaftlicher Ansatz

Lewis Fry Richardson (* 11. Oktober 1881 in Newcastle upon Tyne; † 30. September 1953 in Kilmun, Argyll) war ein britischer Meteorologe und Friedensforscher. Er begründete die numerische Wettervorhersage: Wetterentwicklungen werden dabei anhand physikalischer Gleichungen und gemessener Ausgangsdaten berechnet. Seine eigene Vorhersage war zwar stark fehlerhaft, zeigte aber erstmals, wie dieses Verfahren grundsätzlich funktionieren könnte. Heute beruhen alle Wettervorhersagen auf der numerischen Methode.

Als Quäker und überzeugter Pazifist übertrug Richardson mathematische und statistische Methoden später auf die Friedensforschung. Er untersuchte unter anderem Rüstungswettläufe, Opferzahlen und die Häufigkeit von Kriegen. Daneben leistete er wichtige Beiträge zur Erforschung der Turbulenz und nahm mit dem Küstenlinienparadoxon Erkenntnisse der späteren Chaostheorie und fraktalen Geometrie vorweg.

Erste numerische Wettervorhersage

Richardson beschäftigte sich seit 1915 mit der numerischen Wettervorhersage. 1916 vollendete er einen ersten Entwurf seines späteren Buches Weather Prediction by Numerical Process, das 1922 erschien. Während seines Dienstes als Krankenwagenfahrer an der Westfront berechnete er als praktisches Beispiel, wie sich das Wetter an zwei Orten innerhalb der folgenden sechs Stunden verändern würde. Allein diese Rechnung dauerte sechs Wochen.

Damals waren drei zentrale Probleme ungelöst: Aus den höheren Luftschichten standen kaum Messwerte zur Verfügung; die Gleichungen für die physikalischen Vorgänge in der Atmosphäre waren noch nicht für regelmäßige Vorhersagen aufbereitet; und die Berechnungen dauerten so lange, dass ihr Ergebnis beim Abschluss bereits überholt gewesen wäre. Richardson orientierte sich dennoch an den Nautischen Jahrbüchern, die Positionen von Gestirnen mithilfe physikalischer Gesetze genau vorhersagten.

Als Ausgangspunkt verwendete er Messdaten vom 20. Mai 1910, 7 Uhr Greenwich Mean Time. Er überzog eine Europakarte mit einem Schachbrettmuster aus Feldern von etwa 200 Kilometern Seitenlänge. Die Atmosphäre über jedem Feld gliederte er in Schichten mit Grenzen in 2,0, 4,2, 7,2 und 11,8 Kilometern Höhe. Mithilfe physikalischer Gleichungen versuchte er für zwei Felder die Änderungen von Luftdruck, Wind und Temperatur während der nächsten sechs Stunden zu bestimmen. Dabei berücksichtigte er auch die Wechselwirkungen zwischen den Zellen und die Turbulenz.

Das Ergebnis war praktisch unbrauchbar: Für eines der Felder berechnete Richardson eine Luftdruckänderung von 145 Millibar. Zum Vergleich betrug der Unterschied zwischen dem höchsten und niedrigsten jemals auf den Britischen Inseln gemessenen Luftdruck nur 130 Millibar. Trotzdem lag die entscheidende Leistung im Verfahren, nicht im konkreten Ergebnis.

Richardson entwarf außerdem die Vision einer Organisation aus 64.000 „Computern“. Damit meinte man damals Menschen, die Berechnungen ausführten. Gemeinsam sollten sie das weltweite Wetter schneller berechnen, als es sich entwickelte. Zeitgenössische Rezensenten lobten das Buch, hielten das Verfahren aber für unpraktikabel. Erst elektronische Computer machten seine Vision umsetzbar. Nach Richardson ist außerdem die Richardson-Extrapolation, ein Verfahren der numerischen Mathematik, benannt.

Mathematische Friedensforschung

Richardson fragte, ob mathematische Sprache das Verhalten von Menschen im Krieg ausdrücken könne. Damit führte er quantitative, also auf messbaren Daten und mathematischen Modellen beruhende Methoden in die Friedensforschung ein. Erste Ideen veröffentlichte er 1919 in The Mathematical Psychology of War. Weil es noch keine Einrichtungen und Veröffentlichungswege für Friedensforschung gab, ließ er den Text schließlich auf eigene Kosten drucken.

Unter dem Eindruck der politischen Entwicklung in Deutschland wandte er sich ab 1935 erneut intensiv diesem Gebiet zu. In Briefen an Nature und später im Buch Generalized Foreign Politics von 1939 beschrieb er Rüstungswettläufe mathematisch. Er war überzeugt, dass die Mathematisierung präzisere Fragen ermögliche. Für die Zeit vor dem Ersten Weltkrieg zeigte er, welcher mathematischen Funktion die Rüstungsausgaben der späteren Gegner folgten. Eine ähnliche Funktion beschrieb in der Physik die Explosion entzündlicher Gase. Das Modell konnte Krieg daher als scheinbar naturgesetzliche Entwicklung darstellen. Richardson betonte jedoch, dass ein einfacher Vorzeichenwechsel daraus auch eine Theorie der Kooperation machen könne.

Statistik von Krieg und Frieden

Neben seinen theoretischen Modellen sammelte Richardson Daten zu möglichst vielen kriegerischen Konflikten, darunter Opferzahlen, beteiligte Parteien, Sprachen und Religionen. 1941 konnte er erste Ergebnisse ableiten. Die Konfliktgröße, gemessen an der Zahl der Opfer, folgte für den Zeitraum von 1820 bis 1929 einem Potenzgesetz; später erweiterte er die Untersuchung bis 1945. Ein Potenzgesetz beschreibt einen Zusammenhang, bei dem eine Größe als Potenz einer anderen auftritt. Richardson fand dafür jedoch keine befriedigende Erklärung. Er bemerkte außerdem, dass auch die Größe menschlicher Siedlungen einem Potenzgesetz folgte.

Die Zahl der Kriegsanfänge pro Jahr entsprach einer Poisson-Verteilung, einer Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Anzahl voneinander unabhängiger Ereignisse in einem bestimmten Zeitraum. Dies deutete darauf hin, dass die Wahrscheinlichkeit, an einem beliebigen Tag irgendwo auf der Welt einen Krieg zu beginnen, stets gleich groß war. Damit stützte Richardson die Arbeitshypothese, dass sich Gesetze der Stochastik, also der Wahrscheinlichkeitsrechnung, auf historische Ereignisse anwenden lassen.

In seiner Staatenstatistik war Großbritannien am häufigsten an Kriegen beteiligt, knapp gefolgt von Frankreich und Russland. Wenn Staaten mit weniger als einer Million Einwohner ausgeschlossen wurden, waren im untersuchten Zeitraum nur Persien, Schweden und die Schweiz nie an einem Krieg beteiligt. Als Krieg galt dabei ein Konflikt mit mehr als 3000 Todesopfern. Richardson vermutete einen Zusammenhang mit der Zahl gemeinsamer Staatsgrenzen; das Britische Empire besaß besonders viele Grenzen.

Sprachunterschiede schienen keine allgemeine Rolle für den Kriegsausbruch zu spielen. Staaten, in denen auf beiden Seiten chinesische Schriftzeichen verwendet wurden, waren allerdings seltener beteiligt, spanischsprachige Staaten häufiger als erwartet. Anhänger östlicher Religionen waren seltener, Anhänger des Christentums und des Islams häufiger beteiligt als erwartet. Christen kämpften häufiger gegeneinander; beim Islam schien ein dämpfender Einfluss zu bestehen, doch war dieses Ergebnis statistisch nur schlecht abgesichert. Handel verringerte offenbar die Konfliktwahrscheinlichkeit, allerdings schwächer, als Richardson erwartet hatte.

Als praktische Beiträge zum Frieden empfahl Richardson unter anderem, Gegner wenigstens verstehen zu lernen, internationale Familienbindungen nicht abzulehnen, ausländische Waren nicht allein wegen ihrer Herkunft zu boykottieren und eine Loyalität gegenüber einer Weltregierung zu entwickeln. Er warnte außerdem davor, dass eigene Maßnahmen zur „Verteidigung“ von anderen Staaten als Bedrohung wahrgenommen werden und Gegenmaßnahmen auslösen können. Seine Hauptwerke Arms and Insecurity und Statistics of Deadly Quarrels erschienen zunächst nur auf wenig beachtetem Mikrofilm und wurden erst nach seinem Tod in Buchform veröffentlicht.

Turbulenz, Küstenlinien und Lebensweg

Richardson erklärte 1920 in The supply of energy from and to atmospheric eddies die Energiekaskade turbulenter Strömungen: Energie wird auf großer Skala zugeführt, durch den Zerfall von Wirbeln über immer kleinere Skalen transportiert und schließlich auf kleinsten Skalen als Wärme dissipiert, also zerstreut. Diese Vorstellung wurde grundlegend für die weitere Turbulenzforschung. Die dimensionslose Richardson-Zahl, die das Verhältnis von potentieller und kinetischer Energie angibt, trägt seinen Namen.

Bei der Untersuchung, ob die Länge einer gemeinsamen Grenze die Kriegswahrscheinlichkeit beeinflusst, entdeckte Richardson das Küstenlinienparadoxon. Grenzlängen wichen in verschiedenen Quellen erheblich voneinander ab, weil das Messergebnis von der Länge der verwendeten Messabschnitte abhängt. Wird etwa die Küste Großbritanniens mit immer kürzeren geraden Abschnitten von 200, 100 und 50 Kilometern gemessen, wächst die ermittelte Länge ständig und konvergiert nicht gegen einen festen Wert. Richardsons posthum 1961 veröffentlichte Arbeit The problem of contiguity beeinflusste Benoît Mandelbrot bei der Entwicklung der fraktalen Geometrie. Natürliche Küsten besitzen demnach keine unabhängig vom Messmaßstab angebbare Länge; ihre Form wird als Fraktal beschrieben.

1926 fragte Richardson zudem: „Besitzt der Wind eine Geschwindigkeit?“ Er zeigte, dass die Funktion, welche die Position eines Moleküls im Wind beschreibt, keine Ableitung besitzt. Daher ist eine Durchschnittsgeschwindigkeit sinnvoll, nicht jedoch eine momentane Geschwindigkeit des Windes.

Richardson studierte Naturwissenschaften am Durham College of Science und am King’s College in Cambridge. In wechselnden Tätigkeiten arbeitete er unter anderem im National Physical Laboratory, in der Industrie, als Hochschullehrer und ab 1913 am Observatorium Eskdalemuir. Dort begann seine meteorologische Forschung. Im Ersten Weltkrieg verweigerte er als Pazifist militärisch nutzbare Arbeit, kündigte 1916 und fuhr für die Friends Ambulance Unit einen Krankenwagen an der Westfront. 1920 verließ er den britischen Wetterdienst erneut, nachdem dieser dem für die Luftwaffe zuständigen Luftfahrtministerium unterstellt worden war.

1926 promovierte Richardson zum D.Sc. und wurde Fellow der Royal Society. Später leitete er das Technical College in Paisley, half nach der nationalsozialistischen Machtübernahme deutschen Emigranten und gab seine Stelle im Februar 1940 auf, um sich vollständig der Friedensforschung zu widmen. Seine wissenschaftliche Bedeutung wurde teilweise erst nach seinem Tod umfassend erkannt. Seit 1977 wird die Lewis-Fry-Richardson-Medaille für herausragende allgemeine Beiträge zur nicht-linearen Geophysik verliehen.