Stiri

Premiul Nobel în fizică - pentru cei care ne ajută să înțelegem sistemele complexe și schimbările climatice

6
min
26/10/2021

Anul acesta, premiul Nobel în fizică a fost acordat pentru studiul fenomenelor complexe lui Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann și Giorgio Parisi.

Manabe și Hasselmann au fost premiați pentru efortul lor de a structura cunoștințele noastre în această direcție lucrând la modele climatice complexe ce pot explica evoluțiile climatice, ne informează Infoclima.

Mai exact, Syukuro Manabe a demonstrat modul în care creșterile concentrațiilor de CO2 în atmosferă duc la creșterea temperaturilor la suprafața pământului. În decursul anilor 60 el a condus dezvoltarea modelelor climatice ale pământului și a fost primul om de știință care a explorat interacțiunea între bilanț radiativ și transportul vertical a maselor de aer. Practic, activitatea sa a pus fundația dezvoltării modelelor climatice.

10 ani mai târziu, Klaus Hasselmann a creat modelul ce leagă vremea (starea atmosferică) și clima, răspunzând în acest fel la întrebarea de ce modelele climatice pot fi precise/de încredere chiar dacă vremea este extrem de variabilă și haotică. În același timp el a dezvoltat metode pentru a identifica semnale specifice, amprente pe care activitățile umane și fenomenele naturale le au asupra climei. Metodele lui au fost folosite pentru a demonstra că creșterea temperaturilor atmosferice este datorată emisiilor antropice de CO2. Puteți vedea informațiile detaliate publicate pe pagina premiului Nobel aici.

Care a fost evoluția celor doi oameni de știință și a cercetărilor lor?

Syukuro ("Suki") Manabe

El a demonstrat cum creșterea concentrației de dioxid de carbon din atmosferă poate duce la o creștere a temperaturii la suprafața Pământului. Cercetările și modelele numerice realizate de Manabe reprezintă fundația pe care s-au dezvoltat modele climatice sofisticate utilizate în prezent pentru a înțelege, de exemplu, cum va evolua temperatura medie globală până în 2100.

Totul a pornit de la modele numerice simple dezvoltate în anii 1950 ce permiteau estimarea efectului de încălzire asociat dioxidului de carbon. Aceste modele numerice cuantificau modul în care radiația solară (care încălzește suprafața terestră) și radiația (în infraroșu) emisă de suprafața Pământului interacționează cu gazele din atmosferă. Astfel gazele din atmosferă pot împrăștia, absorbi și re-emite radiația, iar modele numerice bazate pe aceste procese fizice pot fi utilizate pentru a înțelege efectul de seră. Însă fiind modele simple și care nu includeau și alte componente ale sistemului climatic rezultatele produse nu erau realiste.

În 1958, Manabe, care părăsise Japonia în anii dificili de după ce cel de al doilea război Mondial pentru a face o carieră în meteorologie în Statele Unite, este invitat să se alăture grupului de modelare numerică fondat de John von Neumann pentru a lucra la dezvoltarea unui model climatic. Șase ani mai târziu în 1964 Manabe împreună Robert Strickler construiesc un model numeric care includea pe lângă radiație și modul în care aerul (prin convecție) și umiditatea (prin căldura latentă rezultată din transformările de fază ale apei) transferă căldură de la suprafața Pământului către regiunile superioare ale atmosferei. Folosind acest model Manabe și Richard Wetherald au arătat în mod clar rolul CO2 în încălzirea globală. Atunci când nivelul de CO2 se dublează (de la 150 la 300 si apoi la 600 părți per milion) temperatura globală crește cu 2.3°C ceea ce este în acord cu estimările recente.

Articolul publicat de Manabe și Wetherald în 1967 ("unul dintre cele mai bune articole despre știința climei din toate timpurile") nu este doar primul care arată că CO2 duce la încălzirea la suprafața Pământului, dar și primul care menționează răcirea din stratosferă. Manabe a făcut de asemenea și prima proiecție climatică în 1970 argumentând că temperatura medie globală va crește cu 0.8°C între 1900 și 2000 (încălzirea observată a fost de 0.72°C).

Pornind de la cercetările lui Manabe din anii 1960 o suită de modele numerice din ce în ce mai complexe au fost dezvoltate și care ne permit acum să înțelegem, printre altele, clima Pământului, încălzirea globală și efectul creșterii concentrației CO2. Modelarea numerică a climei și prin extensie modelarea numerică pe care se bazează prognoza meteo din viața de zi cu zi și meteorologia în general reprezintă una dintre cele mai mari realizări științifice.

Este incredibil că astăzi putem face prognoze meteo de la o zi la alta cu foarte mare acuratețe sau prognoze climatice pe zeci ani având în vedere complexitatea proceselor care au loc în atmosferă. Totul se reduce la un set de ecuații care sunt rezolvate numeric pentru diferite tipuri de anticipare, pentru diferite rezoluții spațiale și pentru diferite niveluri din atmosferă.

Klaus Hasselmann

El a reușit să conecteze vremea și clima 10 ani mai târziu. A găsit o metodă de a integra în modelele sale schimbările rapide și haotice ale vremii, care erau atât de dificil de integrat în modelele climatice.

Fiind tânăr doctorand în fizică în Hamburg în anii ‘50, Hasselmann lucra pe dinamica fluidelor, dezvoltând modele teoretice pentru studiul valurilor oceanice și a curenților marini. Relocându-se în California el a continuat să studieze oceanografia făcând cunoștință cu alți experți în domeniu precum Charles David Keeling. Cel din urmă este legendar pentru că a început încă din 1958 să înregistreze nivelurile dioxidului de carbon, fiind cea mai lungă serie de măsurători a dioxidului de carbon. În momentul cunoștinței celor doi, Hasselmann nici nu bănuia că va folosi regulat în lucrările sale Curba lui Keeling, care arată schimbările în nivelul dioxidului de carbon.

Dezvoltarea unui model de climă în baza datelor haotice se aseamănă cu plimbarea unui cățel: acesta aleargă în față, în spate, dintr-o parte în alta și în jurul tău. Cum poți să-ți dai seama din urmele lăsate de cățel dacă te miști sau stai pe loc? În această metaforă, urmele cățelului sunt schimbările vremii, iar plimbarea/drumul tău este modelul de climă calculat. În acest sens, oare e posibil să tragem concluzii despre tendințele climei de lungă durată în baza datelor haotice și neclare oferite de vreme?

Mai mult, un model de climă ar trebui să ia în calcul și faptul că fluctuațiile care influențează clima sunt extrem de variabile de-a lungul timpului - acestea pot să fie rapide, precum e viteza vântului sau temperatura aerului, sau foarte lente, precum e topirea ghețarilor sau incalzirea oceanului. De exemplu încălzirea uniformă a oceanului cu doar un grad poate dura 1000 de ani, pe când încălzirea atmosferei cu aceeași temperatura poate avea loc în doar câteva săptămâni.

Având în vedere aceste probleme, cum putem avea un model de predicție a evoluțiilor climatice robust?

Șiretlicul decisiv în acest sens a fost includerea acestor schimbări rapide ale vremii în ecuațiile de calcul a climei ca și “zgomot”, respectiv arătând cum acest zgomot poate afecta clima.

Hasselmann a creat un model de climă stocastic, ceea ce înseamnă ca probabilitatea este inclusă ca și parte a modelului. În acest sens el s-a inspirat de la teoria mișcării Browniene a lui Albert Einstein. Folosind această teorie, Hasselman a demonstrat că schimbările rapide ale atmosferii pot cauza schimbări lente în ocean.

Urmărind impactul uman

Odată cu finalizarea modelului ce explica variațiile climei, Hasselmann a dezvoltat metode ce ne permit să identificăm impactul uman asupra climei. Modele dezvoltate de el, împreună cu observațiile empirice și argumentele teoretice conțineau informații despre proprietățile acestor semnale și zgomote. De exemplu, schimbările în radiația solară, particulele vulcanice sau nivelurile gazelor cu efect de seră au anumite semnale distincte, amprente, care pot fi localizate și separate. Această metodă poate fi aplicată și activităților umane pentru a înțelege impactul pe care acestea le au asupra climei. In acest fel, Hasselman a deschis drumul pentru următoarele studii ale schimbărilor climatice care au demonstrat clar urmele activității umane și impactul acesteia asupra climei.

Modelele climatice de astăzi au devenit mult mai detaliate odată ce procesele care fac parte din evoluția climatică sunt mapate mult mai detaliat, inclusiv prin intermediul datelor satelitare și a observațiilor meteo. Astfel, modelele actuale arată o accelerare a efectului de seră. Incepand cu mijlocul secolului 19, nivelurile dioxidului de carbon în atmosfera au crescut cu 40%. În consecință, măsurătorile de temperatura arată o creștere cu 1°C a temperaturii medii globale în ultimii 150 de ani.