В 2021 году Нобелевскую премию по физике вручили японо-американскому пионеру компьютерного моделирования климатических изменений Сюкуро Манабэ (Syukuro Manabe) и немецкому физику, океанологу, метеорологу и климатологу Клаусу Хассельману (Klaus Hasselmann) за «физическое моделирование климата Земли, количественной оценки его изменчивости и надёжного прогнозирования глобального потепления», а также итальянскому физику-теоретику Джорджо Паризи (Giorgio Parisi) за «открытие взаимодействия беспорядка и колебаний в физических системах от атомного до планетарного масштаба». В Нобелевском комитете отметили, что открытия лауреатов этого года внесли огромный вклад в человеческое понимание сложных физических систем, что позволило провести исследования хаотических и явно случайных явлений и процессов. В 2021 году церемонии вручения не будет из-за пандемии, поэтому лауреатам выплатят сумму в 10 миллионов крон (около 83 миллионов рублей), а медали и дипломы вручат удалённо.
Краткая история открытия парникового эффекта
Мир состоит из сложных систем, где происходит взаимодействие огромного количества разных частей. Они изучаются физиками столетиями, потому что их сложно описать математически. Такие системы могут иметь огромное количество компонентов, многие из которых ведут себя случайно. К тому же даже небольшие изменения значений одной составляющей могут привести к огромным последствиям для всей системы в долгосрочный перспективе. Одним из примеров подобной сложной системы является климат Земли. И как это не удивительно, но разбираться с такими явлениями учёные начали совсем недавно, ведь раньше у них даже не было инструментов для этого. Лишь в 1820-х годах Жозеф Фурье во время разработки «Аналитической теории тепла» начал применять аналитический метод разложения функций. Он представлял неизвестную функцию нескольких переменных в виде произведения нескольких функций одной переменной (периодические ряды Фурье). В итоге эта работа сильно повлияла на математику, физику и анализ, что приблизило человечество к пониманию сложных систем.
Более того, Фурье во время этой работы изучал энергетический баланс между солнечным излучением, направленным на Землю, и обратным излучением от планеты. На поверхности Земли поступающее солнечное излучение преобразуется в исходящее, которое поглощается атмосферой, нагревая её (явление теперь называется парниковым эффектом). Это влияет на климат планеты в глобальных масштабах. В то же время в атмосфере происходит много других процессов. Поэтому, когда речь заходит о предсказании погоды, где нужно описать большое количество метеорологических величин (температура, осадки, скорость и направление ветра, облачность и так далее), учёным приходится учитывать не только текущие показатели, которые могут меняться случайно, но и средние значения, стандартные отклонения, самые высокие и самые низкие измеренные значения, и многое другое.
Из-за хаотичности климатической системы, точную погоду можно предсказывать лишь на несколько дней/недель вперёд. А вот предсказать глобальные изменения климата на Земле оказывается гораздо проще. Парниковый эффект играет здесь одну из главных ролей. Ключевым компонентом данного явления является количество углекислого газа в атмосфере. Чем его концентрация больше, тем теплее становится воздух, что приводит к усиленному испарению воды. Это ещё больше увеличивает парниковый эффект и ещё больше повышает температуру. Если уровень углекислого газа падает, то часть водяного пара конденсируется, а температура уменьшается. Кстати, об этом впервые догадался шведский физико-химик и лауреат Нобелевской премии Сванте Аррениус (Svante Arrhenius). Он ещё в конце XIX века предположил, что удвоение количества углекислого газа повысит температуру на 5-6 °C, что оказалось поразительно близко к современным оценкам.
Создание модели изучения климатических изменений
В 1950-х годах японский исследователь атмосферы Сюкуро Манабэ вынужден был покинуть послевоенную Японию, чтобы продолжить свою карьеру в США. Он решил разобраться, как увеличение уровня углекислого газа может вызвать повышение температуры. В отличие от Аррениуса, который изучал радиационный баланс, Манабэ занялся разработкой физических моделей, учитывающих вертикальный перенос воздушных масс из-за конвекции, а также скрытую теплоту водяного пара. В 60-х годах он создал одномерную модель изучения климатических изменений. Он изучал влияние кислорода, азота, углекислого газа и солнечной радиации на температуру воздуха в разрезе вертикальной колонны на высоте 40 километров над атмосферой. Учитывая вычислительную мощность и скорость работы компьютеров тех лет, стоит отдать Манабэ должное за столь кропотливую работу. Модель подтвердила, что нагревание атмосферы действительно было связано с увеличением содержания углекислого газа.
В итоге в 1975 году японский климатолог создал трёхмерную модель прогнозирования климатических изменений. Манабэ стал первым человеком, исследовавшим взаимодействие между радиационным балансом и вертикальным переносом воздушных масс. Его работа заложила основу для разработки моделей климата. К тому времени уже существовали прогнозы погоды, однако их точность оставляла желать лучшего. Отчасти это связано с тем, что на практике невозможно указать температуру, давление или влажность для каждой точки атмосферы. Кроме того, погода хаотична. То есть даже небольшие отклонения в исходных значениях могут привести к совершенно различным изменениям погодной системы. Так как же можно создавать надёжные климатические модели, заглядывающие на несколько десятилетий или сотен лет в будущее, если погода является классическим примером сложной хаотической системы?
Усовершенствование моделей предсказания погоды и влияния людей на климат
Клаус Хассельман, который в молодости занимался гидродинамикой, разрабатывая теоретические модели движения океанских волн и течений. Он посвятил много времени океанографии, но с выходом моделей прогнозирования климатических изменений его заинтересовала связь между погодой и климатом. Сложность долгосрочных прогнозов заключается в том, что колебания, влияющие на климат, чрезвычайно изменчивы во времени — они могут быть быстрыми (силой ветра или температура воздуха) или очень медленными (таяние ледяных щитов). Например, равномерный нагрев всего на один градус может занять тысячу лет для океана и всего несколько недель для атмосферы. Примерно в 1980 году Хассельману пришла в голову идея того, что хаотически меняющиеся погодные явления можно описать как быстро меняющийся шум. Он предложил включить в расчёты быстрые изменения погоды в качестве шума и показать, как этот шум влияет на климат. Хассельман создал стохастическую модель климата, что означает, что в модели уже заложены случайности. Именно поэтому климатические модели могут быть надёжными, несмотря на то, что погода изменчива и хаотична.
Кроме того, он разработал методы определения воздействия человека на наблюдаемую глобальную температуру. Он понял, что модели, наряду с наблюдениями и теоретическими соображениями, содержат уникальные сигналы, формирующиеся изменениями количества солнечной радиации или уровней парниковых газов. Также из них можно было определить и уровень антропогенного воздействия на климатическую систему. Таким образом, современные климатические модели стали мощными инструментами не только для предсказания поведения климата, но и для понимания глобального нагрева атмосферы и океана, за которое несут ответственность люди.
Математическое описание сложных систем
Примерно в то же время (около 1980 года) Джорджио Паризи описал, как казалось бы очевидно случайные явления подчиняются скрытыми правилами. Например, газы также являются примером сложной системы. Они состоят из большого количества частиц, которые двигаются случайным образом. Чтобы указать температуру газа, нужно определить среднее значение энергии его частиц. Этим занимается статистическая механика. Частицы в газе можно рассматривать как крошечные шарики, летающие со скоростью, которая увеличивается с повышением температуры. Когда температура падает (или увеличивается давление), шары сначала конденсируются в жидкость, а затем в твёрдое тело (кристалл). Шары всегда расположены в теле в разном порядке подобно тому, как песчинки не могут высыпаться из руки на стол одинаково, сколько бы попыток не было произведено.
Примером ещё более сложной системы являются спиновые стёкла — немагнитные материалы с включением магнитных примесей (например, атомы железа случайным образом замешаны в сетку атомов меди). В обычном магните все вращения направлены в одном направлении, но в спиновом стекле они разорваны. Каждый атом железа в сетке атомов меди ведёт себя как маленький магнит или спин, на который влияют другие атомы железа, расположенные рядом с ним. В 1970-х годах многие физики, в том числе несколько лауреатов Нобелевской премии, искали способ описать загадочные спиновые стёкла. Наконец в 1979 году Паризи нашёл решение, использовав множественные копии одного спинового стекла. Он обнаружил скрытую структуру в репликах и нашёл способ описать её математически. Это открытие стало одним из самых важных вкладов в теорию сложных систем. Оно повлияло не только на физику, но и на математику, биологию, нейробиологию и машинное обучение, потому что все эти области включают проблемы, непосредственно связанные со случайностями.
«Открытия, признанные в этом году, демонстрируют, что наши знания о климате опираются на прочный научный фундамент, основанный на строгом анализе наблюдений. Все лауреаты этого года внесли свой вклад в более глубокое понимание свойств и эволюции сложных физических систем», — заявил Торс Ханс Ханссон, председатель Нобелевского комитета по физике.
