Η έρευνα στη μοντελοποίηση του κλίματος και τα πολύπλοκα συστήματα κερδίζει το Νόμπελ Φυσικής
Οι πρωτοποριακές εργασίες μοντελοποίησης σχετικά με τα αίτια και τα σημάδια της κλιματικής αλλαγής που προκαλείται από τον άνθρωπο και τα διαταραγμένα φυσικά συστήματα -συμπιέζονται μαζί κάτω από την ομπρέλα πολύπλοκων συστημάτων- τιμούνται με το φετινό Νόμπελ Φυσικής. Το μισό βραβείο πηγαίνει στον Syukuro Manabe του Πανεπιστημίου του Πρίνστον και στον Klaus Hasselmann του Ινστιτούτου Μετεωρολογίας Max Planck (MPI-M) για την παρουσίαση του τρόπου με τον οποίο, παρά τη μεταβλητότητα του καιρού, τα μοντέλα υπολογιστών μπορούν να κάνουν συγκεκριμένες προβλέψεις σχετικά με την επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας του άνθρακα. διοξείδιο (CO2 ) στην ατμόσφαιρα της Γης—και η ανθρώπινη δραστηριότητα των δακτύλων ως αιτία.
Το άλλο μισό του βραβείου πηγαίνει στον Giorgio Parisi του Πανεπιστημίου Sapienza της Ρώμης για την ανάπτυξη ενός τρόπου κατανόησης της χαοτικής ατομικής συμπεριφοράς σε ορισμένα μαγνητικά κράματα. Παρά τη μεγάλη μεταβλητότητα στη συμπεριφορά των υλικών, η Parisi έδειξε ότι ήταν δυνατό να εντοπιστούν τα υποκείμενα μοτίβα. Το έργο του έχει επηρεάσει τα μαθηματικά, τη βιολογία, τη νευροεπιστήμη, τη μηχανική μάθηση και βοηθά ακόμη και να εξηγήσει πώς ένα μουρμουρητό χιλιάδων ψαρονιών φαίνεται να κινείται σε συνεννόηση.
Η εστίαση στην επιστήμη του κλίματος προοριζόταν ως μήνυμα για τους «παγκόσμιους ηγέτες που δεν έχουν λάβει ακόμη το μήνυμα», δήλωσε ο Thors Hans Hansson, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης και πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ Φυσικής, σε σημερινή ανακοίνωση. "Αυτό που λέμε είναι ότι η μοντελοποίηση του κλίματος βασίζεται σταθερά στη φυσική θεωρία και στη γνωστή φυσική."
Το βραβείο για τους Manabe και Hasselmann ενθουσίασε τους κλιματικούς επιστήμονες. «Είναι μια φανταστική αναγνώριση ότι το κλίμα είναι μέρος της πειθαρχίας της φυσικής, κάτι που θα έπρεπε να είχε γίνει εδώ και πολύ καιρό», λέει η Sandrine Bony, κλιματολόγος με το γαλλικό CNRS στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης. Ο Bjorn Stevens, επιστήμονας του κλίματος στο MPI-M, λέει:«Πρώτον, είναι φανταστικά νέα. Δεύτερον, επέλεξαν ακριβώς τους τέλειους υποψηφίους.»
Οι επιστήμονες είχαν καταλάβει από καιρό ότι η Γη θερμαίνεται από τις ακτίνες του Ήλιου που χτυπούν την επιφάνεια και ψύχεται από την ατμόσφαιρα που ακτινοβολεί υπέρυθρο φως στο διάστημα, με τη θερμοκρασία να ρυθμίζεται από την ισορροπία των δύο επιδράσεων. Ατμοσφαιρικό CO2 απορροφά μέρος αυτού του υπέρυθρου φωτός, καθιστώντας την ψύξη λιγότερο αποτελεσματική και παραμορφώνοντας την ισορροπία για να αυξήσει τις παγκόσμιες θερμοκρασίες. Ήδη από τη δεκαετία του 1890, ο Σουηδός φυσικός Svante Arrhenius είχε προσπαθήσει να προβλέψει την επίδραση της θέρμανσης της αύξησης του CO2 . Ωστόσο, οι πρώτες προσπάθειες ήταν πολύ απλές επειδή υπέθεταν ότι η μεταφορά ενέργειας από το ένα στρώμα της ατμόσφαιρας στο άλλο πραγματοποιείται αποκλειστικά μέσω ακτινοβολίας.
Ο Manabe, ο οποίος είχε εγκαταλείψει την Ιαπωνία μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο για να εργαστεί στο Εργαστήριο Geophysical Fluid Dynamics Laboratory του Princeton, εισήγαγε ένα βασικό κομμάτι της φυσικής στο πρόβλημα:τη μεταφορά. Όπως κάθε μαθητής γνωρίζει, στην ατμόσφαιρα, ο ζεστός αέρας ανεβαίνει και ο κρύος αέρας πέφτει, και αυτή η ροή μεταφέρει επίσης ενέργεια. Ο Manabe ήξερε ότι η ατμόσφαιρα δεν μπορούσε να γίνει κατανοητή χωρίς να ληφθεί υπόψη το φαινόμενο, λέει ο Stevens. "Αυτό ήταν ένα ιδιοφυές εγκεφαλικό."
Σε μια μνημειώδη μελέτη του 1967, ο Manabe μείωσε την πολυπλοκότητα της ατμόσφαιρας σε ένα απλό 1D μοντέλο μιας στήλης αέρα ύψους 40 χιλιομέτρων, που απαιτούσε ακόμα εκατοντάδες ώρες χρόνου λειτουργίας στους υποτυπώδεις υπολογιστές της ημέρας. Το μοντέλο έδειξε ότι το CO2 , σε επίπεδα μόλις εκατοντάδων μερών ανά εκατομμύριο (ppm), είχε βαθιά επίδραση στο κλίμα. Εάν CO2 Τα επίπεδα διπλασιάστηκαν από τα τρέχοντα επίπεδά τους —τότε περίπου 300 ppm— στα 600 ppm, οι παγκόσμιες θερμοκρασίες θα αυξάνονταν κατά 2,3 ℃.
Το 1975, ο Manabe δημοσίευσε το πρώτο τρισδιάστατο κλιματικό μοντέλο που συνέδεε την ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς. Οι ωκεανοί απορροφούν θερμότητα και CO2 από την ατμόσφαιρα και μπορεί να τα αποθηκεύσει για αιώνες, επομένως η ανταλλαγή είναι κρίσιμη για οποιαδήποτε μακροπρόθεσμη μοντελοποίηση του κλίματος. Όταν η Manabe χρησιμοποίησε το μοντέλο για να εκτελέσει το ίδιο CO2 διπλασιάζοντας το πείραμα, βρήκε μια αύξηση της θερμοκρασίας κατά 2,93℃—ένα εύρημα που είναι εντυπωσιακά παρόμοιο με τις απαντήσεις που δίνουν τα μοντέλα υπολογιστών υψηλής ισχύος σήμερα. «Αυτό είναι πραγματικά εκπληκτικό», λέει ο Bony. «Δείχνει πραγματικά τη δύναμη της φυσικής κατανόησης του πώς λειτουργεί το κλίμα».
Ο Hasselmann έθεσε τα θεμέλια για την απόδειξη από τις παρατηρήσεις ότι η κλιματική αλλαγή είναι πραγματική και ότι η ανθρώπινη δραστηριότητα την οδηγεί. Αυτό δεν είναι εύκολο έργο, καθώς απαιτεί διαχωρισμό των εντυπωσιακών τάσεων της κλιματικής αλλαγής από τις ταχύτερες, δραματικές αλλαγές του καιρού και των εποχών. Δανειζόμενος από τα εγχειρίδια της στατιστικής φυσικής, ο Hasselmann ανέπτυξε ένα κλιματικό μοντέλο που είχε την ευκαιρία να ενσωματωθεί σε αυτό και αντιμετώπισε τα ταχέως μεταβαλλόμενα καιρικά μοτίβα ως θόρυβο. Το 1979, χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο, ο Hasselmann ήταν μεταξύ των πρώτων που εντόπισε ανθρώπινα δακτυλικά αποτυπώματα της υπερθέρμανσης του πλανήτη, διαχωρίζοντας τους φυσικούς κλιματικούς παράγοντες όπως οι ηφαιστειακές εκπομπές από την ταχέως αναπτυσσόμενη ανθρώπινη:αέρια θερμοκηπίου από την καύση ορυκτών καυσίμων.
Αυτό το δακτυλικό αποτύπωμα είναι πολύπλοκο και πολύπλευρο, αλλά έχει κάποια έντονα και ενδεικτικά χαρακτηριστικά, λέει ο Stevens. Για παράδειγμα, η θέρμανση που προκαλείται από τη συσσώρευση CO2 θα πρέπει να κάνει τη στρατόσφαιρα - το στρώμα της ατμόσφαιρας από περίπου 10 χιλιόμετρα έως 50 χιλιόμετρα σε υψόμετρο - να κρυώσει ενώ η κατώτερη τροπόσφαιρα θερμαίνεται. «Από τη [θέρμανση] από τον Ήλιο, δεν το περιμένετε», λέει ο Stevens.
Το έργο του Parisi αναζήτησε τους κρυμμένους κανόνες που διέπουν τις ιδιότητες των διαταραγμένων στερεών υλικών όπως το γυαλί. Επικεντρώθηκε αρχικά σε εξωτικά μαγνητικά υλικά γνωστά ως «γυαλιά περιστροφής», στα οποία τα άτομα σιδήρου ψεκάζονται τυχαία σε ένα πλέγμα ατόμων χαλκού. Οι περιστροφές των ατόμων σιδήρου λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες και στον συνηθισμένο σίδηρο όλα τα άτομα δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση, αποδίδοντας μια ενιαία, εύκολα αναγνωρίσιμη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση που διέπει τη συμπεριφορά του υλικού. Στο spin glass, ωστόσο, οι γειτονικές περιστροφές θέλουν να δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις, αλλά δεν μπορούν όλες λόγω της διάταξης των γύρω ατόμων χαλκού. Αυτή η "απογοήτευση" σημαίνει ότι το υλικό έχει μια τεράστια γκάμα διαφορετικών αλλά αποτελεσματικά ισοδύναμων καταστάσεων χαμηλής ενέργειας, γεγονός που καθιστά δύσκολη την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του.
Ο Parisi ανέπτυξε ένα νέο θεωρητικό παράδειγμα για να αντιμετωπίσει τέτοια συστήματα και τα αμέτρητα τοπία χαμηλής ενέργειας τους, παραδόξως, θεωρώντας τα ότι καταλαμβάνουν έναν αφηρημένο χώρο με μια τεράστια διάσταση αριθμού, ένα για κάθε περιστροφή, λέει η Lenka Zdeborová, μια στατιστική φυσική. στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάνης. Σε αυτόν τον χώρο, λέει, οι διάφορες καταστάσεις χαμηλής ενέργειας σχηματίζουν μια δομή που μοιάζει με δέντρο και η Parisi έδειξε ότι μια στατιστική ανάλυση των κλαδιών μπορούσε να προβλέψει τη συμπεριφορά του spin glass. Αυτό μπορεί να ακούγεται σαν μια άσκηση άχρηστης αφαίρεσης, αλλά αυτά τα μαθηματικά εργαλεία έχουν αποδειχθεί απαραίτητα σε τομείς που κυμαίνονται από το κοπάδι πουλιών έως την επιστήμη των υπολογιστών, λέει ο Zdeborová, ο οποίος τα χρησιμοποιεί για να προσπαθήσει να εξηγήσει πώς μαθαίνουν τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. «Είναι πραγματικά ένας από αυτούς τους επιστήμονες που έχει μια ολόκληρη κοινότητα να παρακολουθεί και να απελευθερώνει τη δύναμη των θεωριών που ανακάλυψε», λέει. "Του αξίζει [το έπαθλο] τόσο πολύ."
Οι δύο φαινομενικά ανόμοιοι κόσμοι της κλιματικής μοντελοποίησης του Manabe και του έργου του Parisi για την ατομική συμπεριφορά των στερεών μοιράζονται μια σύνδεση μέσω του έργου του Hasselmann, λέει ο John Wettlaufer, μέλος της Επιτροπής Νόμπελ για τη Φυσική. «Δεν καταλαβαίνουμε την προβλεψιμότητα αν δεν κατανοήσουμε τη μεταβλητότητα», είπε στη συνέντευξη Τύπου που ανακοίνωσε το βραβείο.
Και ο ειδικός στα περιστρεφόμενα γυαλιά φαίνεται να μην έχει κανένα πρόβλημα να συναντήσει τους επιστήμονες του κλίματος. Σε τηλεφωνική επικοινωνία με την επιτροπή του βραβείου, η Parisi προέτρεψε τα έθνη να αναλάβουν δράση για την υπερθέρμανση του πλανήτη στην προσεχή σύνοδο κορυφής του Νοεμβρίου για το κλίμα στη Γλασκώβη του Ηνωμένου Βασιλείου. «Είναι σαφές ότι για τη μελλοντική γενιά, πρέπει να δράσουμε τώρα, με πολύ γρήγορο τρόπο». /P>
