Lucrările asupra sistemelor complexe, inclusiv clima Pământului, câștigă Premiul Nobel pentru fizică

Clima Pământului este un sistem extrem de complex la scară mare. La nivel microscopic, la fel este și fizica complicată a atomilor și moleculelor găsite în materiale. Premiul Nobel pentru fizică din 2021 reunește munca a trei oameni de știință care au iluminat astfel de sisteme fizice complicate prin valorificarea instrumentelor de bază ale fizicii.

Jumătate din premiu îi revine specialiștilor în climă Syukuro Manabe de la Universitatea Princeton și Klaus Hasselmann de la Institutul Max Planck pentru Meteorologie din Hamburg, Germania, pentru munca lor privind simulările climei Pământului și previziunile încălzirii globale, a anunțat Academia Regală Suedeză de Științe în octombrie. 5. Cealaltă jumătate din premiul de 10 milioane de coroane suedeze (mai mult de 1,1 milioane de dolari) revine fizicianului Giorgio Parisi de la Universitatea Sapienza din Roma, care a lucrat la înțelegerea fluctuațiilor agitate din materialele dezordonate.

Toți cei trei cercetători au folosit o strategie similară de a izola o anumită bucată dintr-un sistem complex într-un model, o reprezentare matematică a ceva găsit în natură. Studiind acel model și apoi integrând această înțelegere în descrieri mai complicate, cercetătorii au făcut progrese în înțelegerea sistemelor care altfel ar fi nedumerite, spune fizicianul Brad Marston de la Universitatea Brown. „Există o artă în a construi un model care este suficient de bogat pentru a-ți oferi rezultate interesante și poate surprinzătoare, dar suficient de simplu încât să poți spera să-l înțelegi.”

Premiul, de obicei o chestiune apolitică, trimite un mesaj liderilor lumii: „Noțiunea de încălzire globală se bazează pe știință solidă”, a declarat Göran Hansson, secretarul general al Academiei Regale de Științe Suedeză, în timpul anunțării câștigătorilor premiului. . Emisiile umane de gaze cu efect de seră, inclusiv dioxidul de carbon, au crescut temperatura medie a Pământului cu mai mult de 1 grad Celsius din perioada preindustrială. Această încălzire afectează fiecare regiune de pe Pământ, exacerbând evenimentele meteorologice extreme, cum ar fi valurile de căldură, incendiile și seceta (SN: 8/9/21).

Syukuro Manabe de la Universitatea Princeton (stânga) și Klaus Hasselmann de la Institutul Max Planck pentru Meteorologie (dreapta) au lucrat la simulările timpurii ale climei Pământului, punând bazele modelelor climatice mai detaliate de astăzi, care sunt folosite pentru a se confrunta cu potențialele impacturi ale încălzirii globale. .De la stânga: Bengt Nyman/Wikimedia Commons (CC BY 2.0); Sueddeutsche Zeitung Photo/Alamy Stock Photo

Munca lui Manabe a pus bazele modelării climatice, a spus John Wettlaufer de la Universitatea Yale, membru al Comitetului Nobel pentru Fizică. „El a construit într-adevăr modelele din care au fost construite toate modelele climatice viitoare”, a explicat Wettlaufer în timpul unui interviu după anunțarea premiului. „Această schelă este esențială pentru îmbunătățirea predicțiilor climatice.”

Manabe a studiat modul în care creșterea nivelului de dioxid de carbon ar schimba temperaturile pe Pământ. Un model climatic simplificat dintr-o lucrare din 1967 scrisă în colaborare de Manabe a simulat o singură coloană a atmosferei în care masele de aer cresc și scad pe măsură ce se încălzesc și se răcesc, ceea ce a arătat că dublarea cantității de dioxid de carbon din atmosferă a crescut temperatura cu peste 2 grade. C. Această înțelegere ar putea fi apoi integrată în modele mai complexe care simulau întreaga atmosferă sau includ efectele oceanelor, de exemplu (SN: 5/30/70).

„Nu mi-am imaginat niciodată că acest lucru pe care voi începe să-l studiez are consecințe atât de uriașe”, a spus Manabe la o conferință de presă la Princeton. „O făceam doar din cauza curiozității mele.”

Hasselmann a studiat evoluția climei Pământului, ținând cont de varietatea de intervale de timp pe care funcționează diferite procese. Aleatoriile vremii zilnice contrastează cu variațiile sezoniere și cu procese mult mai lente, cum ar fi încălzirea treptată a oceanelor Pământului. Lucrările lui Hassleman au ajutat să arate modul în care agitația pe termen scurt ar putea fi încorporată în modele pentru a înțelege schimbarea pe termen lung a climei.

Fotografie cu Giorgio Parisi
Giorgio Parisi de la Universitatea Sapienza din Roma este cunoscut pentru munca sa de aprofundare în fizica materialelor dezordonate, cum ar fi ochelarii de spin, în care diferiți atomi nu pot ajunge la un acord cu privire la direcția în care să-și îndrepte spinurile. Lorenza Parisi/Wikimedia Commons

Premiul este o afirmare a înțelegerii de către oamenii de știință a climei, spune Michael Moloney, CEO al Institutului American de Fizică din College Park, Md. „Modelele climatice de care depindem pentru a înțelege impactul crizei climatice sunt mondiale- știință de clasă acolo sus cu toate celelalte mari descoperiri care sunt recunoscute [by] Premiile Nobel din anii trecuți.”

ilustrare a atomilor de fier intercalate într-o rețea de atomi de cupru, cu săgeți care indică rotația îndreptată în direcții diferite
Într-o sticlă de rotire, ilustrată aici, atomii de fier (roșu), într-o rețea de atomi de cupru (albastru), au spini (săgeți negre) care nu pot conveni asupra unei direcții către punctul.C. Chang

La fel ca modelele meteorologice de pe Pământ, lumea interioară a atomilor din materiale poate fi complexă și dezordonată. Lucrarea lui Parisi a avut ca scop înțelegerea proceselor din cadrul sistemelor dezordonate, cum ar fi un tip de material numit sticla spinată (SN: 18/10/02). În ochelarii de spin, atomii se comportă ca niște magneți mici, datorită unei proprietăți cuantice numite spin. Dar atomii nu pot conveni asupra direcției în care să-și îndrepte magneții, rezultând un aranjament dezordonat.

Este similar cu tipurile mai cunoscute de sticlă – un material în care atomii nu ajung la un aranjament ordonat. Parisi a venit cu o descriere matematică pentru astfel de ochelari spin. Lucrarea sa abordează, de asemenea, o varietate de alte subiecte complexe, de la turbulențe până la modele de turbulență care descriu mișcările animalelor, cum ar fi graurii (SN: 7/31/14).

Deși munca sa nu se concentrează direct pe climă, într-un interviu din timpul anunțului Nobel, Parisi a comentat despre acea jumătate a premiului: „Este clar că pentru generația viitoare trebuie să acționăm acum într-un mod foarte rapid”.

Carolyn Gramling a contribuit la raportarea acestei povești.