האוקיינוסים קולטים לתוכם כמחצית מכמות הפחמן הדו-חמצני הנפלט
על-ידי האנושות, על מתקני התעשייה שלה, והמוצרים הטכנולוגיים
השונים, דוגמת מכוניות, המשמשות אותה. מדובר בכמות גדולה מאוד של
פחמן דו-חמצני, שהאוקיינוסים בולעים וכמעט לא נודע שהוא בא אל קרבם.
מכאן, שהאוקיינוסים ממלאים תפקיד מכריע בהתפתחות תופעת החממה:
ככל שעולה ריכוזו של הפחמן הדו-חמצני שבאוויר, מתגברת תופעת החממה.
ככל שהאוקיינוס קולט יותר פחמן דו-חמצני, הוא מפחית את ריכוזו
באוויר, ומאט את אפקט החממה.
האוקיינוסים עשויים להשפיע על התחממות האטמוספירה בדרך ישירה
יותר, באמצעות קליטת חום מהאוויר, מה שעשוי לגרום התקררות של
האטמוספירה. מכיוון שקיבולת החום של האוקיינוס גבוהה בהרבה מזו של
האטמוספירה, התחממותו של האוקיינוס, נאמר, במעלת צלסיוס אחת, תגרור
התקררות של האטמוספירה ביותר מאשר במעלת צלסיוס אחת.
מעבר לתיאור הכללי של שתי התופעות הללו, מצויים גורמים וכוחות
רבים ושונים, שחלקם ידועים ומובנים לנו יותר, וחלקם פחות. כדי
לעקוב ולהבין לעומקה את מלוא השפעתו של האוקיינוס על האקלים העולמי,
מבקשים חוקרי האקלים לדעת בדיוק, כמה פחמן דו-חמצני בולע האוקיינוס,
באיזה איזור, וכיצד משפיעה טמפרטורת האוויר והמיים על תהליך הבליעה
הזה: כמה חום קולט האוקיינוס מהאטמוספירה ובאילו תנאים; היכן ומתי
פולט האוקיינוס חום, ובאיזו כמות. הבנת המנגנונים המניעים את כל
התופעות הללו, עשויה להקנות לחוקרי האקלים יכולת חיזוי טובה באשר
להתנהגותו של האוקיינוס (שכאמור, יש לה השפעה מכרעת על תהליכים
אקלימיים חשובים). אבל בדרך להשגת ההבנה הזאת, נתקלים החוקרים
בקשיים לא מעטים, הנובעים מגודלה הרב של מערכת יחסי הגומלין הזאת,
שבין האוקיינוס לאטמוספירה.
נוסחאות אמפיריות שונות שנועדו לחשב את חילופי החום שבין
האטמוספירה לאוקיינוס, התאפיינו ברמת דיוק נמוכה :סיכויי הטעות שלהן
נעו בין 30 ל-50 אחוזים. הסיבה לכך נובעת, בין היתר, מכך שכדי
להבין, תאר ולחזות שינוי מסויים בטמפרטורת האוויר או המים, יש להבין
ולקחת בחשבון את הדינמיקה הפיסיקלית של האוקיינוס כולו, התלויה
בגורמים כמו ריכוזי מליחות באיזורים שונים (המושפעים מתהליכי אידוי
ומגשמים), זרמים, גלים, גובה פני הים, רוחות, קרינת השמש, טמפרטורת
פני השטח ועוד. מכל אלה, קיימים בידי החוקרים נתונים בעי רמת דיוק
טובה, רק בשני תחומים :טמפרטורת האוקיינוס או רמת המליחות באיזורים
השונים שלו (אלה נתונים הנאספים באופן שוטף על-ידי אוניות הנושאות מתקני
מחקר אוקינוגרפיים). כל שאר הגורמים, הם, במידה זו או אחרת, נעלמים, ואין
למעשה אפשרות לעקוב אחריהם באופן ישיר באמצעות מדידות.
לפיכך מנסים החוקרים לבנות מודלים ממוחשבים שיתנהגו בדרך דומה
ככל האפשר להתנהגותו האמיתית של האוקיינוס. כלומר, שהם יאפשרו
לחוקרים לשנות נתון מסוים, לפי רצונם, ולראות כיצד יגיב על כך
האוקיינוס. המודלים הקיימים מאפשרים לחוקרים להזרים ל"אוקיינוס
הממוחשב" נתונים בדבר התחממותה של האטמוספירה באיזור מסוים,
התקררותה באיזור אחר, כיווני הרוחות ומהירותן, ובתשובה, לקבל מידע
על שינויים שיחולו כתוצאה מכך, בטמפרטורת המים באיזורים שונים
ובעומקים שונים, בריכוז המליחות, ועוד.
אלא שבמציאות, כאמור, החוקרים כבר יודעים על הטמפרטורות
וריכוזי המליחות באוקיינוס, והנעלמים הם חום האטמוספירה, הרוחות
וזרמי הים. כלומר, המודל הקיים הזה, הוא ההיפך ממה שהחוקרים זקוקים
לו: הוא מספק להם מידע שכבר מצוי ברשותם, ודורש לשם כך את המידע
שגם הם היו רוצים לקבל. לפיכך נבנו מודלים הפוכים שנועדו להסיק על
הקלט מתוך הפלט, כלומר, על הגורמים הנעלמים, מתוך התוצאות הידועות
(שינויי הטמפרטורה והמליחות של האוקיינוס). המודלים הללו, שבחנו
את הקשר שבין הגורמים השונים לתוצאות, חייבו שימוש במחשבים גדולים
מאוד, במשכי זמן ארוכים (ויקרים). הצורך במחשבים הגדולים התקיים,
גם כאשר המודל המתמטי ששימש לחישוב הנתונים הדרושים, היה פשוט
יחסית.
בשיטה זו נכתבו משוואות המודל כמטריצה גדולה. אם, למשל, ביקשו
לבנות מודל שיתאר את התנהגות צפון האוקיינוס האטלנטי בלבד, לפי
נקודות מדידה שהמרחק בין כל שתים מהן הוא 200 קילומטרים, וב-15 רמות
עומק שונות, היה צורך לחשב את השינויים ב-20 אלף נקודות, כלומר, 20
אלף נעלמים. כדי לעשות זאת, חייבו שיטות עיבוד הנתונים הקיימות,
טיפול במטריצה שגודלה 20 אלף בריבוע, כלומר 400 אלף נעלמים. אין
מחשב בעולם שמסוגל להכיל ולעבד מטריצה ענקית כזאת.
כדי להתגבר על המכשול הזה מפתחים מדענים שיטות עבודה אחרות,
המתבססות, בין היתר, על מה שמכונה "מודל הפוך", המגלה את
הגורמים על-פי תוצאותיהם הידועות). צעד נוסף נעשה כאשר החלו המדענים
להשתמש בשיטה לבניית מודלים הלקוחה מתחום הרובוטיקה הניווט והבקרה,
הקרויה "שליטה אופטימלית". בשיטה זו, עלות החישוב היא לינארית עם
ספר המשתנים במודל (ולא עולה בריבוע, כמו ממדי המטריצה הנדרשת
במודלים ההפוכים הקודמים). מודלים מסוג זה, (שלא כמו
המודלים הקודמים) מסוגלים גם לתאר יותר תכונות מתוך הדינמיקה
הטורבולנטית המאפיינת את אי-הסדר הכאוטי של התנהגות האוקיינוס.
הרצה של מודלים כאלה כבר התבצעה על מחשבי-על בארה"ב,
אבל נראה שבמה שקשור לתופעת החממה, ולמחזור הפחמן הדו-חמצני,
עדיין רב הנסתר על הנגלה.
