Tegoroczny Nobel z fizyki przyznany za badania nad klimatem i innymi systemami złożonymi

| Astronomia/fizyka
Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła, że tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki została przyznana za wkład w zrozumienie złożonych systemów fizycznych. Połową nagrody podzielą się Syukuro Manabe i Klaus Hasselmann za fizyczne modelowanie klimatu Ziemi, obliczenie jego zmienności i wiarygodne przewidzenie procesu ocieplania się. Druga połowa trafi do Giorgio Parisiego za odkrycie współzależności nieuporządkowania i fluktuacji w systemach fizycznych, od skali atomowej po planetarną.

Wszyscy trzej laureaci specjalizują się badaniu chaotycznych i pozornie przypadkowych wydarzeń. Manabe i Hasselmann położyli wielkie zasługi dla lepszego zrozumienia klimatu naszej planety i wpływu nań człowieka. Z kolei Parisi zrewolucjonizował naszą wiedzę o materiałach nieuporządkowanych i procesach losowych.

Syukuro Manabe wykazał, w jaki sposób zwiększona koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze prowadzi do zwiększenia temperatury na powierzchni Ziemi. Już w latach 60. ubiegłego wieku pracował nad rozwojem fizycznych modeli ziemskiego klimatu. Był pierwszym naukowcem, który badał związek pomiędzy bilansem radiacyjnym Ziemi a pionowym ruchem mas powietrza wywołanym konwekcją.

Żeby poradzić sobie z tak skomplikowanym zadaniem obliczeniowym, stworzył uproszczony model, który opisywał pionową kolumnę powietrza o wysokości 40 kilometrów i za jego pomocą testował różny skład atmosfery. Po setkach godzin obliczeń i symulacji wykazał, że poziom tlenu i azotu mają pomijalny wpływ, a o temperaturze decyduje dwutlenek węgla. Uczony wykazał, że przy dwukrotnym wzroście stężenia CO2, temperatura na powierzchni rośnie o ponad 2 stopnie Celsjusza. Jego model potwierdził, że wzrost temperatury na powierzchni Ziemi rzeczywiście jest zależny od koncentracji CO2, gdyż przewidywał wzrost temperatury przy powierzchni i jednoczesne ochładzanie się wyższych partii atmosfery. Gdyby za wzrost temperatury odpowiadały zmiany w promieniowaniu słonecznym, to cała atmosfera powinna się ogrzewać w tym samym czasie.

Swój uproszczony, dwuwymiarowy model, zapoczątkowany w latach 60., rozbudował, gdy wzrosły możliwości obliczeniowe komputerów i mógł do niego dodawać kolejne elementy. W roku 1975 Manabe przedstawił trójwymiarowy model klimatyczny. Był on kolejnym krokiem milowym ku lepszemu zrozumieniu klimatu. Prace Manabe stanowią fundament dla współczesnych modeli.

Około 10 lat po przełomowych pracach Manabe Klaus Hasselmann stworzył model fizyczny, w którym połączył pogodę i klimat. Odpowiedział w ten sposób na niezwykle ważne pytanie, dlaczego modele klimatyczne mogą być wiarygodne, pomimo tego, że sama pogoda jest zmienna i chaotyczna. Hasselmann stworzył też metody pozwalające na zidentyfikowanie sygnałów, świadczących o wpływie na klimat zarówno procesów naturalnych, jak i działalności człowieka. To dzięki nim jesteśmy w stanie udowodnić, że zwiększone temperatury na powierzchni Ziemi są spowodowane antropogeniczną emisją dwutlenku węgla.

W latach 50. Hasselmann był doktorantem fizyki w Hamburgu, gdzie zajmował się dynamiką płynów i rozwijał modele opisujące fale i prądy oceaniczne. Przeprowadził się do Kalifornii i nadal zajmował się oceanografią. Poznał tam m.in. słynnego Charlesa Keelinga, autora najdłuższej serii pomiarów stężenia CO2 w atmosferze. Jednak wówczas nie przypuszczał jeszcze, że w swoich badaniach będzie regularnie wykorzystywał krzywą Keelinga.

Hasselmann wiedział, że stworzenie modelu klimatycznego z chaotycznych danych pogodowych będzie niezwykle trudne. A zadania nie ułatwia fakt, że zjawiska wpływające na klimat są niezwykle zmienne w czasie. Mogą być to zjawiska gwałtowne i szybko się zmieniające, jak siła wiatru i temperatura powietrza, ale również bardzo powolne, jak topnienie lodowców czy ogrzewanie się oceanów. Wystarczy wziąć pod uwagę fakt, że równomierne zwiększenie temperatury o 1 stopień Celsjusza może trwać w przypadku atmosfery kilka tygodni, ale w przypadku oceanów mogą minąć setki lat. Prawdziwym wyzwaniem było uwzględnienie tych szybkich chaotycznych zmian pogodowych w obliczeniach dotyczących klimatu i wykazaniu, w jaki sposób wpływają one na klimat. Hasselmann stworzył stochastyczny model klimatyczny, do którego zainspirowały go prace Einsteina nad ruchami Browna.

A gdy już ukończył model zmienności klimatu i wpływu nań pogody, stworzył modele opisujące wpływ człowieka na cały system. Pozwalają one odróżnić np. wpływ zmian promieniowania słonecznego od wpływu gazów emitowanych przez wulkany, a te od wpływu gazów emitowanych przez człowieka.

Około 1980 roku Giorgio Parisi, ostatni z tegorocznych laureatów, znalazł ukryte wzorce w nieuporządkowanych złożonych materiałach. To jedno z najważniejszych osiągnięć teorii złożonych systemów. Dzięki niemu jesteśmy w stanie lepiej rozumieć i badać wiele pozornie losowych zjawisk i nieuporządkowanych materiałów. Odkrycie to ma znaczenie nie tylko fizyce. Ma olbrzymie znaczenie dla matematyki, biologii, neurologii czy maszynowego uczenia się.

Parisi rozpoczął swoje przełomowe prace od badań szkła spinowego. To materiał magnetyczny, który wykazuje lokalne uporządkowanie spinów, czyli momentów magnetycznych, ale nie posiadający wypadkowego momentu magnetycznego. Szkło spinowe to stop metalu, w którym mamy np. atomy żelaza są losowo rozmieszczone wśród atomów miedzi. Jednak mimo że w stopie znajduje się niewiele atomów żelaza, to radykalnie zmieniają one właściwości magnetyczne całego materiału. Zachowują się jak małe magnesy, na które wpływają sąsiadujące atomy. W standardowym magnesie wszystkie spiny mają ten sam kierunek.

Jenak w szkle spinowym niektóre pary usiłują wskazywać w jednym kierunku, a inne w innym. Parisi chciał dowiedzieć się, jak wybierają one optymalną orientację. Problemem tym zajmowało się wielu wybitnych uczonych, w tym laureaci Nagrody Nobla. Jednym ze sposobów na znalezienie odpowiedzi było wykorzystanie tzw. replica trick, matematycznej metody, w której wiele kopii tego samego systemu było przetwarzanych jednocześnie. Jednak w fizyce się to nie sprawdzało.

W 1979 roku Parisi dokonał przełomowego odkrycia na tym polu. Wykazał, że w kopiach istnieją ukryte struktury i opisał je matematycznie. Minęło wiele lat, zanim udowodniono, że rozwiązanie Parisiego jest prawidłowe. Od tamtej jednak pory jego metoda jest używana do badania systemów nieuporządkowanych.

Syukuro Manabe urodził się w Japonii w 1931 roku. Jest pionierem w wykorzystaniu komputerów do symulowania klimatu. Pracę doktorską obronił na Uniwersytecie Tokijskim w 1958 roku, następnie wyjechał do USA, gdzie pracował w US Weather Bureau, NOAA (Narodowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna) i Princeton University. Jest obecnie starszym meteorologiem na Princeton University. Jest również członkiem Akademii Nauk USA, zagranicznym członkiem Akademii Japońskiej, Academia Europaea i Royal Society of Canada, laureatem licznych nagród naukowych.

Klaus Hasselmann, urodzony w Hamburgu w 1931 roku, to czołowy niemiecki oceanograf i specjalista od modelowania klimatu. Jest twórcą modelu zmienności klimatycznej nazwanego modelem Hasselmanna. Życie zawodowe związał głównie z Uniwersytetem w Hamburgu, pracował też na Uniwersytecie w Getyndzie i w Instytucie Dynamiki Cieczy im. Maxa Plancka. Był dyrektorem-założycielem Instytutu Meteorologii im. Maxa Plancka oraz dyrektorem naukowym w Niemieckim Centrum Obliczeń Klimatycznych. Obecnie zaś jest wiceprzewodniczącym Europejskiego forum Klimatycznego, które założył w 2001 roku wraz z prof. Carlo Jaegerem. Za swoją pracę naukową otrzymał m.in. nagrodę od Europejskiego Towarzystwa Geofizycznego i amerykańskich oraz brytyjskich towarzystw Meteorologicznych.

Giorgio Parisi urodził się w 1948 roku. Jest fizykiem teoretycznym, a jego zainteresowania koncentrują się na mechanice statystycznej, kwantowej teorii pola i systemach złożonych. Pracował w Laboratori Nazionali di Frascati, na Columbia University, Institut des Hautes Études Scientifiques oraz École normale supérieure i Uniwersytecie Rzymskim Tor Vergata. Jest też prezydentem jednej z najstarszych i najbardziej prestiżowych europejskich instytucji naukowych Accademia dei Lincei oraz członkiem Francuskiej Akademii Nauk, amerykańskiej Akademii Nauk czy Amerykańskiego Towarzystwa Filozoficznego. Parisi to laureat wielu nagród w tym Nagrody Enrico Fermiego czy Medalu Maxa Plancka.

Autor:

Źródło: The Nobel Prize

Syukuro Manabe Klaus Hasselmann Giorgio Parisi Nagroda Nobla fizyka