Нобелевскую премию по физике 2021 года присудили “за большой вклад в наше понимание сложных физических систем”. Одну половину поровну разделят между собой японский метеоролог и климатолог Сюкуро Манабэ (SyukuroManabe) и немецкий океанограф Клаус Хассельман (KlausHasselmann). Вторая половина достаётся итальянскому физику-теоретику Джорджо Паризи (GiorgioParisi).
За скучной формулировкой Нобелевского комитета скрывается огромная и сложная, а главное, очень важная для всего мира научная работа. Как спрогнозировать, что будет? Как найти порядок в, казалось бы, полном хаосе?
Поясним, что хаос и порядок в различных природных процессах физики изучают отдельно. Из хаоса возникла вполне упорядоченная Вселенная, и она продолжает развиваться по законам, многие из которых учёные продолжают открывать.
Обнаруженные закономерности позволяют нам предсказать, что же будет происходить с той или иной системой, будь то атмосфера планеты Земля или культура клеток в лабораторной чашке Петри, даже если она кажется невероятно хаотичной.
Вместе с тем найти порядок и скрытые структуры там, где, кажется, невозможно найти никакие упорядоченные изменения — сложно. Прежде всего, потому, что их сложно описать математически.Однако именно это делают великие умы современности. Лауреаты этого года внесли важный вклад в наше понимание таких систем, а главное, в понимание их долгосрочного развития.
Джорджо Паризи награждён Нобелевской премией по физике 2021 года “за открытие как беспорядок и флуктуации взаимодействуют в физических системах от планетарных до атомных масштабов”.
СюкуроМанабэ и Клаус Хассельман, согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, получили самую почётную научную награду современности “за физическое моделирование климата Земли, количественный анализ вариаций и надёжный прогноз глобального потепления”.
Проще всего рассуждать о заслугах учёных именно в приложении к климату. В этом смысле Нобелевский комитет очень вовремя оказал признание работам учёных. В 2021 году произошло много событий, которые явно указывают на изменение климата планеты. Даже те, кто не очень-то верил в правоту учёных (в массе своей не отрицающих глобального потепления и необходимость принятия мер для его сдерживания), наконец, “уверовал”.
За что наградили Манабэ и Хассельмана?
Сюкуро Манабэ в своих работах продемонстрировал, как повышенная концентрация углекислого газа (CO2) в атмосфере Земли приводит к повышению температуры на поверхности планеты. Сегодня это очевидный факт, но за этим открытием стоит огромная и выверенная работа.
CO2 отвечает за тот самый парниковый эффект или эффект теплицы. Этот газ словно плёнкой прикрывает планету, не давая тепловому излучению сбегать в космос. Из-за этого температура под “плёнкой” растёт.
Парниковый эффект оказывают и другие газы, но именно выбросы CO2 человечество более-менее в состоянии контролировать.
В 1960-х годах Манабэ руководил разработкой физических моделей климата Земли и стал первым человеком, исследовавшим взаимодействие между радиационным балансом и вертикальным переносом воздушных масс.
Поясним, что радиационный баланс земной поверхности ‒ это баланс между солнечным излучением, поглощаемым Землёй, и излучением, исходящим от поверхности Земли. Солнце нагревает планету, после чего она переизлучает тепло.
Почти все мы знаем, что горячий воздух стремится наверх, а более плотный холодный ‒ вниз. Соответственно, тепловое излучение влияет на многие процессы в том числе на перемешивание воздуха в атмосфере Земли: как по вертикали (на разной высоте), так и в разных широтах. Ведь Солнце нагревает планету неравномерно: полюсам достаётся меньше тепла, чем экваториальным областям. В то же время важную роль играет наклон земной оси и, соответственно, время года.
Учитывать все эти факторы непросто. Но работы Манабэ, в которых он упростил подход к изучению таких сложных систем, позволили заложить основу сегодняшних моделей климата планеты.
Манабе показал, что если рассматривать климат под таким углом, то для него можно построить формальные физические модели, которые связывают динамику изменения климата в первую очередь с интенсивностью излучения Солнца и химическим составом атмосферы. Все это совершенно не годится для предсказания завтрашней погоды, но зато позволяет понять, как будет развиваться климат.
Физик построил одну за другой несколько численных моделей, все более и более сложных по своей структуре. Базовая модель Манабе — наследник классической модели Аррениуса, в которой атмосферная конвекция связывается с разницей в энергии излучения, которое добирается до поверхности Земли, и тем, что излучает планета.
«Однослойная» модель атмосферы Сванте Аррениуса, которую дорабатывал МанабеNobelPrize
В первой модели Манабе атмосфера — это одномерная среда, в которой концентрация парникового газа и влажность меняются с течением времени за счет конвекции и солнечного излучения (интенсивность которого связана с концентрацией парниковых газов). Оказалось, что одного только излучения не хватает, чтобы данные вычислений соответствовали реальной зависимости температуры воздуха от высоты измерения. Конвекция водяного пара позволила частично скомпенсировать это несоответствие.
«В принципе, Манабе тогда решил многие проблемы, связанные с фазовыми переходами воды, — говорит заместитель директора Института физики атмосферы Владимир Семенов. — Там возникала неустойчивость, потому что нужно было куда-то девать эту воду. Он ввел процесс осадкообразования и придумал вычислительные схемы, которые позволяли избежать неустойчивости, чтобы модели могли работать сотни лет и не разваливаться».
Следующие итерации этой модели учли сезонные изменения и заменили абсолютную влажность на относительную. Благодаря чему Манабе мог находить с помощью моделирования распределение влажности атмосферы, баланс энергии в ней и концентрацию других парниковых газов. Откуда ученый и получил свой главный результат — чувствительность климата к изменению концентрации углекислого газа в атмосфере.
Согласно Манабе, атмосфера Земли должна нагреваться в среднем на 2,3 градуса Цельсия при удвоении концентрации в ней углекислого газа. Более точные современные модели оценивают эту величину в интервале от 2,5 до 4 градусов.
Клаус Хассельманн, основываясь в том числе на работах Манабэ, создал модель, которая связывает воедино погоду и климат. Погода изменчива и хаотична: температура, осадки, ветер или облака зависят от того, что происходит в океанах и на суше, от смены дня и ночи и так далее. Однако климатические модели вполне могут давать надёжный результат. Они основаны на вычисленных статистических характеристиках погоды, таких как средние значения, стандартные отклонения от средних значений, самые высокие и самые низкие измеренные значения.
Да, мы не можем сказать, какой будет погода в Стокгольме 10 декабря следующего года, отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета. Зато мы можем получить представление о том, какую температуру или какое количество осадков стоит ожидать в среднем в Стокгольме в декабре.
Хассельман также разработал методы определения конкретных параметров, которые изменяют систему в целом. В приложении к климату Земли он изучил влияние как природных явлений, так и деятельности человека.
Последующие научные выкладки Хассельмана показали, что повышение температуры атмосферы Земли вызвано выбросами углекислого газа, которые генерирует человечество.
За что наградили Джорджо Паризи?
Область его исследований охватывает практически любые неупорядоченные системы.
Примерно в 1980 году Паризи представил своё объяснение того, как очевидно случайные явления следуют скрытым правилам.Так, он обнаружил паттерны (упорядоченные структуры) в неупорядоченных сложных материалах, таких как спиновые стёкла.
Последние интересны тем, что у них отсутствует так называемый дальний порядок, но вместе с тем беспорядок в них не меняется со временем.
Попробуем пояснить на пальцах. Газ – это облако из огромного количества отдельных частиц. Можно пытаться спрогнозировать поведение облака, подсчитав каким будет поведение каждой частицы, составляющей облако. Но это очень затратно и долго. Не проще ли описать поведение облака, вычислив средний вклад каждой отдельной частицы?
Также мы знаем, что частицы в газе можно рассматривать как крошечные шарики. Повышение температуры заставляет их увеличивать скорость хаотичного движения в пространстве.
Когда температура падает или давление увеличивается, шарики в газе сначала конденсируются в жидкость, а затем упаковываются в твёрдое тело (например, кристалл). В кристалле такие шарики расположены в определённом порядке. Совсем не так хаотично, как в облаке или в жидкости.
Однако, если температура упала быстро или быстро поднялось давление, шарики могут “сложиться” в неправильный узор, который не меняется даже при дальнейшем охлаждении или сжатии.
Если эксперимент повторить, то шары примут новый узор (новый хаос), несмотря на то, что изменение происходит точно так же. Нечто похожее происходит и в спиновых стёклах. Хаотичная на первый взгляд система подчиняется определённому порядку.
Работа Паризи позволила спрогнозировать изменение таких систем, несмотря на весь хаос. Сегодня она считается одним из самых важных вкладов в теорию сложных систем. При этом неважно, о каких системах идёт речь. Работа Паризи позволяет понять и описать множество систем и явлений не только в физике, но и в других, очень разных областях, таких как математика, биология, нейробиология и машинное обучение.
Таким образом, Паризи заложил основу изучения сложных неупорядоченных систем. А Манабэ и Хассельманн заложили физическую основу для наших знаний о климате Земли.
Сегодня мы уже не можем утверждать, что климатические модели дают неоднозначный результат. Земля нагревается? Да. Является ли причиной повышенное количество парниковых газов в атмосфере? Да. Можно ли это объяснить исключительно природными факторами? Нет. Являются ли выбросы парниковых газов причиной повышения температуры? Да.
Осталось всего ничего, попытаться сдержать нагрев атмосферы.
На пресс-конференции профессора Паризи спросили, чем он занимается сегодня. Он ответил, что продолжает изучать физику стёкол и анализирует большие данные, чтобы лучше понять пандемию новой коронавирусной инфекции.
Источники
Опубликовано в рубрике 
Метки: 
