Przełomowe odkrycia w dziedzinie nauk o klimacie zdobywają nagrodę Nobla

Trzech naukowców – Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann i Giorgio Parisi – otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki 2021 za ich pracę nad zrozumieniem złożonych systemów, takich jak klimat Ziemi. Ich badania doprowadziły do stworzenia komputerowych modeli, które mogą przewidywać zmiany klimatyczne i ich wpływ na Ziemię.

90-letni Manabe i 89-letni Hasselmann zostali wspólnie uhonorowani za „fizyczne modelowanie ziemskiego klimatu, ilościowe określanie zmienności i wiarygodne przewidywanie globalnego ocieplenia”. Tymczasem odkrycia Parisiego „pozwalają zrozumieć i opisać wiele różnych i pozornie całkowicie przypadkowych, złożonych materiałów i zjawisk”. Akademia dodała, że dotyczy to nie tylko fizyki, ale także innych dziedzin, takich jak matematyka, biologia, neuronauka i uczenie maszynowe. Praca trzech zwycięzców łączy to, że opisuje ona atrybuty najbardziej maleńkich i podstawowych składników świata przyrody w celu wyjaśnienia dużych i złożonych zjawisk.

Manabe, starszy meteorolog w Programie Nauk o Atmosferze i Oceanie na Uniwersytecie Princeton, wykorzystał moc obliczeniową wczesnych komputerów i zastosował ją do klimatu. Pod koniec lat 60. jego model obiegu klimatu był oparty na komputerze zajmującym całe pomieszczenie i posiadającym tylko pół megabajta pamięci. Po setkach godzin testów model wykazał, że dwutlenek węgla ma wpływ na klimat – gdy poziom dwutlenku węgla podwoił się, globalna temperatura wzrosła o ponad 2°C.

– Syukuro Manabe był już wielokrotnie zgłaszany do Nagrody Nobla, jednak nigdy ten dział fizyki, zajmujący się badaniem atmosfery czy oceanów, nie został doceniony. Syukuro Manabe spowodował, że obecnie mamy narzędzia pozwalające nam zrozumieć procesy klimatyczne. Badacz ma niewiarygodny wkład w rozwój tej dziedziny, opracował wiele modeli klimatu – od tych prostych do bardziej złożonych – a także udowodnił rzeczy, o których obecnie się uczymy i służą nam, abyśmy mogli podejmować właściwe decyzje. Dzisiejsza Nagroda Nobla obejmuje geofizyczną fizykę płynów, która bardzo rzadko jest zauważana i doceniana. Jest to obszar kumulujący w sobie wiele obszarów fizyki – połączenie wszystkich informacji, które znamy i zamknięcie ich w całość, tłumaczącą, jak działa system ziemski, podstawowe przepływy energii w tym systemie, w atmosferze, w oceanie. Praca Manabe wskazuje nam, co może stać się w przyszłości, w zależności od tego, jak będziemy postępować – mówi prof. dr hab. Szymon Malinowski z Instytutu Geofizyki, Wydziału Fizyki UW.

W 1980 r. Hasselmann, profesor w Instytucie Meteorologii im. Maxa Plancka w Hamburgu w Niemczech, był w stanie odpowiedzieć na pytanie, dlaczego modele klimatyczne mogą być wiarygodne, mimo że pogoda jest zmienna i chaotyczna. Co więcej, opracował metody identyfikacji wpływu ludzkości na globalne temperatury.

Oryginalna praca wykonana przez prof. Parisiego, który obecnie pracuje na Uniwersytecie Sapienza w Rzymie, wydaje się mieć niewielki związek ze zmianami klimatycznymi. Dotyczyła ona stopu metalu zwanego szkłem spinowym, w którym atomy żelaza zostały losowo wmieszane w siatkę atomów miedzi. Chociaż atomów żelaza jest tylko kilka, zmieniają one właściwości magnetyczne materiału w radykalny i bardzo zagadkowy sposób. Jednak Komitet Noblowski postrzegał szkło spinowe jako mikrokosmos dla złożonego zachowania klimatu Ziemi.

– Giorgio Parisi początkowo zajmował się teorią cząstek elementarnych, w obszarze której opracował bardzo istotną formułę, dotyczącą fragmentacji kwarków na gluony. W późniejszych latach natomiast zainteresował się fizyką statystyczną i zaproponował tzw. formułę Parisiego, dotyczącą układów chaotycznych, czyli np. szkieł, których położenie cząstek, w przeciwieństwie do stałego kryształu, jest chaotyczne. Wynika to z tego, że minima cząstek stałych mogą się zmieniać, więc szkło po 200 latach wciąż będzie płynąć. Formuła Parisiego, mówiąca o minimach układów chaotycznych, została udowodniona w sposób matematyczny. Klimat również jest układem chaotycznym, rozumianym jako zjawisko, gdy minimalna różnica z sytuacji początkowej doprowadza do zupełnie różnej sytuacji kątowej. Jak ołówek stojący na szpicu. Gdy go minimalnie przesuniemy w jedną lub w drugą stronę, końcowa sytuacja jest kompletnie różna. Układy chaotyczne i znajdowanie dla nich minimów jest niezwykle ważne, ponieważ nabierają one coraz większej wagi, także w kontekście klimatu. Chociaż te układy są bardzo trudne do opisania, to właśnie ze względu na ich zastosowanie w obszarze klimatu – przewidywania zachowania oceanów, temperatury, rozkładu dwutlenku węgla – mają ogromną wagę praktyczną – powiedział prof. dr hab. Krzysztof A. Meissner z Instytutu Fizyki Teoretycznej, Wydziału Fizyki UW.

Zwycięzcy otrzymają 10 milionów koron szwedzkich (1,1 miliona dolarów), z czego połowa trafi do Manabe i Hasselmanna, a druga do Parisi.