banner banner

Нобелівка з фізики-2021: вони виявили приховані закономірності в кліматі та інших складних явищах

Що вивчала Трійця лауреатів, і чому це так важливо

Нобелівка з фізики-2021: вони виявили приховані закономірності в кліматі та інших складних явищах
Сюкуро Манабе, Клаус Хассельманн і Джорджіо Парізі 112.ua

Що вивчала Трійця лауреатів, і чому це так важливо

Вже котрий рік букмекери ставлять на те, що Нобелівську премію ось-ось отримає шведська клімат-активістка Грета Тунберг. Дівчина є фавориткою премії миру. Але не так влаштована ця престижна нагорода, щоби таким прямим і очевидним шляхом йти на поводу у світового порядку денного. Тож 5 жовтня 2021 року нобелівку дійсно присудили за прогнозування змін клімату, але не в галузі боротьби за мир, а в галузі фізики. Половину суми розділять японсько-американський дослідник Сюкуро Манабе і його німецький колега Клаус Хассельман "за фізичне моделювання клімату Землі, кількісну оцінку мінливості і надійне прогнозування глобального потепління". Друга половина нагороди дісталася італійському фізику-теоретику Джорджіо Парізі, який вивчав "взаємодії безладу і флуктуацій у фізичних системах від атомних до планетарних масштабів" на різних прикладах – від спін-скла до галасливих зграй шпаків. Всі вони зробили вагомий внесок у фізику складних систем. Про те, що вони вивчали, до яких висновків прийшли і чому це настільки важливо, що тягне на нобелівку, розповідаємо словами Нобелівського комітету.

Троє вчених стали лауреатами Нобелівської премії з фізики 2021 року за дослідження складних явищ. Сюкуро Манабе і Клаус Хассельманн заклали основу наших знань про клімат Землі і про те, як людство впливає на нього. Джорджіо Парізі нагороджений за його революційний внесок у теорію невпорядкованих і випадкових явищ.

Всі складні системи складаються з безлічі різних взаємодіючих частин. Ось уже кілька століть фізики вивчають їх, і до цих пір їм складно описати їх математично – вони можуть мати величезну кількість компонентів або управлятися випадковим чином. Вони також можуть бути хаотичними, наприклад, погода, коли невеликі відхилення від початкових значень призводять до величезних відмінностей на більш пізньому етапі. Всі цьогорічні лауреати зробили свій внесок у поглиблення наших знань про такі системи та їхній довгостроковий розвиток.

Клімат Землі – один із багатьох прикладів складних систем. Манабе і Хассельманн удостоєні Нобелівської премії за новаторську роботу з розробки моделей клімату. Парізі нагороджений за свої теоретичні розв'язання широкого кола проблем теорії складних систем.

Сюкуро Манабе продемонстрував, як підвищена концентрація вуглекислого газу в атмосфері призводить до підвищення температури на поверхні Землі. У 1960-х роках він керував розробкою фізичних моделей клімату Землі і був першою людиною, яка досліджувала взаємодію між балансом випромінювання і вертикальним перенесенням повітряних мас. Його робота заклала основу для розробки моделей клімату.

Парниковий ефект життєво необхідний

Двісті років тому французький фізик Жозеф Фур'є вивчив енергетичний баланс між сонячним випромінюванням, спрямованим на Землю, і випромінюванням від Землі. Він зрозумів роль атмосфери в цьому балансі: на поверхні Землі сонячне випромінювання, що надходить, перетворюється на вихідне випромінювання – "темне тепло", яке поглинається атмосферою, нагріваючи її. Захисна роль атмосфери тепер називається парниковим ефектом. Ця назва походить від його схожості з принципом роботи скляного накриття теплиці, яке пропускає зігрівальні промені сонця, але утримує тепло всередині. Однак випромінювальні процеси в атмосфері куди як складніші.

Завдання вчених залишалося такми же, як і те, що стояло перед Фур'є, – досліджувати баланс між короткохвильовим сонячним випромінюванням, що приходить на нашу планету, і виходить довгохвильовим інфрачервоним випромінюванням Землі. Протягом наступних двох століть чимало вчених-кліматологів додавали нові деталі в розуміння цього процесу. Сучасні кліматичні моделі – неймовірно потужні інструменти не тільки для розуміння клімату, але й для розуміння відповідальності людства за глобальне підвищення температури.

Ці моделі засновані на законах фізики і були розроблені на основі моделей, що використовувалися для передбачення погоди. Погода описується метеорологічними величинами, такими як температура, опади, вітер або хмарність, і на неї впливає те, що відбувається в океанах і на суші. Кліматичні моделі засновані на обчислених статистичних характеристиках погоди, таких як середні значення, стандартні відхилення, найвищі і найнижчі виміряні значення і т. д. Вони не можуть сказати, яка погода буде в Стокгольмі 10 грудня, коли вручаються нобелівські премії, але ми можемо отримати деяке уявлення про те, яку температуру або скільки опадів ми можемо очікувати в середньому в Стокгольмі у грудні.

Встановлення ролі вуглекислого газу

Отже, ми знаємо, що парниковий ефект необхідний для життя на Землі. Він керує температурою, тому що парникові гази в атмосфері – вуглекислий газ, метан, водяна пара та інші – спочатку поглинають інфрачервоне випромінювання Землі, а потім вивільняють цю поглинену енергію, нагріваючи навколишнє повітря і земну поверхню під ним.

Насправді парникові гази складають дуже невелику частину сухої атмосфери Землі, яка складається в основному з азоту і кисню – за обсягом вони займають 99%. Вуглекислий газ становить всього 0,04% за обсягом. Найпотужніший парниковий газ – це водяна пара, але ми не можемо контролювати концентрацію водяної пари в атмосфері, в той час як ми можемо контролювати концентрацію вуглекислого газу.

Кількість водяної пари в атмосфері сильно залежить від температури, що призводить до механізму зворотного зв'язку. Більше вуглекислого газу в атмосфері робить її теплішою, дозволяючи утримувати в повітрі більше водяної пари, що збільшує парниковий ефект і ще більше підвищує температуру. Якщо рівень вуглекислого газу впаде, частина водяної пари конденсується, і температура знизиться.

Відкриття важливого першого фрагмента "мозаїки" впливу вуглекислого газу належить шведському досліднику і лауреату Нобелівської премії Сванте Арреніусу. Між іншим, саме його колега, метеоролог Нільс Екхольм, у 1901 році першим використав слово "парник" для опису накопичення в атмосфері і повторного випромінювання тепла.

До кінця XIX століття Арреніус осягнув фізику, відповідальну за парниковий ефект: вихідне випромінювання пропорційно абсолютній температурі випромінюючого тіла (T) в четвертому ступені (T⁴). Чим гарячіше джерело випромінювання, тим коротше довжина хвилі променів. Сонце має температуру поверхні 6000°C і в основному випромінює промені у видимому спектрі. Земля з температурою поверхні всього 15°C повторно випромінює невидиме для нас інфрачервоне випромінювання. Якби атмосфера не поглинала це випромінювання, температура поверхні нашої планети ледь перевищувала б -18°C.

Арреніус насправді намагався з'ясувати, що викликало нещодавно відкрите явище льодовикових періодів. Він прийшов до висновку, що, якщо рівень вуглекислого газу в атмосфері знизиться вдвічі, цього буде достатньо, щоби Земля вступила в новий льодовиковий період. І навпаки – подвоєння кількості вуглекислого газу призвело б до підвищення температури на 5-6°C, що, як не дивно, разюче близько до нинішніх оцінок.

Новаторська модель впливу вуглекислого газу

У 1950-х роках японський фізик атмосфери Сюкуро Манабе був одним з молодих і талановитих дослідників із Токіо, які покинули Японію, спустошену війною, і продовжили свою кар'єру в США. Метою дослідження Манабе, як і досліджень Арреніуса близько сімдесяти років тому, було зрозуміти, як підвищений рівень вуглекислого газу може викликати зростання температури. Однак, в той час як Арреніус зосередився на балансі випромінювань, в 1960-х Манабе керував розробкою фізичних моделей, що враховують вертикальне перенесення повітряних мас через конвекцію, а також приховану теплоту водяної пари.

Щоб зробити ці розрахунки керованими, він вирішив зменшити модель до одного виміру – вертикальної колони висотою 40 кілометрів, що йде в атмосферу. Навіть у цьому разі потрібні сотні цінних обчислювальних годин, щоби перевірити модель, варіюючи рівні газів в атмосфері. При моделюванні з'ясувалося, що кисень і азот мають незначний вплив на температуру поверхні, в той час як вуглекислий газ впливає відчутно: коли рівень вуглекислого газу подвоївся, глобальна температура підвищилася більш ніж на 2°C.

Модель підтвердила, що це нагрівання дійсно було пов'язано зі збільшенням вмісту вуглекислого газу, тому що вона передбачала підвищення температури ближче до землі, в той час як верхні шари атмосфери ставали холоднішими. Якби замість цього за підвищення температури були відповідальні зміни в сонячному випромінюванні, вся атмосфера повинна була б нагріватися одночасно.

Шістдесят років тому комп'ютери були в сотні тисяч разів повільнішими, ніж зараз, тому ця модель була відносно простою, але Манабе правильно зрозумів ключові особливості. Вчений впевнений, що завжди потрібно спрощувати. Ви не можете змагатися зі складністю природи – в кожній краплі дощу задіяно стільки фізики, що неможливо обчислити абсолютно все. Інсайти, зроблені на основі одновимірної моделі, призвели до створення тривимірної моделі клімату, яку Манабе опублікував у 1975 році; це була ще одна віха на шляху до розуміння секретів клімату.

Погода хаотична

Приблизно через десять років після Манабе Клаусу Хассельманну вдалося зв'язати воєдино погоду і клімат, знайшовши спосіб перехитрити швидкі і хаотичні погодні зміни, які були таким складними для розрахунків. Погода на нашій планеті сильно змінюється через нерівномірний розподіл сонячної радіації як географічно, так і в часі. Земля кругла, тому високих широт досягає менша кількість сонячних променів, ніж нижніх, розташованих ближче до екватора. Не тільки це, але й нахил земної осі викликає сезонні відмінності у випромінюванні, що надходить. Відмінності в щільності між більш теплим і холоднішим повітрям викликають колосальне перенесення тепла між різними широтами, між океаном і сушею, між більш високими і низькими повітряними масами, які визначають погоду на нашій планеті.

Як ми всі знаємо, робити надійні прогнози погоди більш ніж на найближчі десять днів – непросте завдання. Двісті років тому відомий французький вчений П'єр-Симон де Лаплас заявив, що, якби ми просто знали положення і швидкість всіх частинок у Всесвіті, можна було б обчислити, що сталося і що станеться в нашому світі. В принципі, це має бути правдою: ньютонівські закони руху трьохсолітньої давності, які також описують повітряний перенос в атмосфері, повністю детерміновані – вони не управляються випадковістю.

Однак, коли справа доходить до погоди, немає нічого більш помилкового. Частково це пов'язано з тим, що на практиці неможливо бути досить точним – вказати температуру, тиск, вологість або режим вітру для кожної точки атмосфери. Крім того, рівняння нелінійні: невеликі відхилення у вихідних значеннях можуть привести до абсолютно різних змін погодної системи. На підставі питання про те, чи може метелик, що змахує крилами у Бразилії, викликати торнадо в Техасі, це явище було названо "ефектом метелика". На практиці це означає, що неможливо робити довгострокові прогнози погоди – погода хаотична. Це відкриття було зроблено в 1960-х роках американським метеорологом Едвардом Лоренцем, який заклав основи сучасної теорії хаосу.

Розбираємося із зашумленими даними

Як ми можемо створити надійні кліматичні моделі протягом десятиліть або сотень років у майбутньому, незважаючи на те, що погода є класичним прикладом хаотичної системи? Приблизно в 1980 році Клаус Хассельманн продемонстрував, як хаотично мінливі погодні явища можна описати як шум, що швидко змінюється, тим самим поклавши довгострокові прогнози клімату на наукову основу. Крім того, він розробив методи визначення впливу людини на спостережувану глобальну температуру.

Будучи молодим докторантом фізики в Гамбурзі (Німеччина), у 1950-х роках Хассельманн займався гідродинамікою, а потім почав розробляти спостереження і теоретичні моделі океанських хвиль і течій. Він переїхав до Каліфорнії і продовжував займатися океанографією, зустрічаючись з такими колегами, як Чарльз Девід Кілінг. Кілінг відомий тим, що у 1958 році запустив в обсерваторії Мауна-Лоа на Гаваях найдовшу серію вимірювань вуглекислого газу. Хассельманн тоді і не здогадувався, що у своїх пізніших роботах він регулярно використовуватиме криву Кілінга, яка показує зміни у рівні вуглекислого газу.

Отримання кліматичної моделі на основі шумних даних про погоду можна проілюструвати на прикладі прогулянки з собакою: собака бігає на повідку вперед і назад, з боку в бік і навколо ваших ніг. Як за собачими слідами визначити, йдете ви чи стоїте? Крокуєте ви швидко чи повільно? Собачі сліди в нашому випадку – це зміни погоди, а ваша прогулянка – розрахунковий клімат. Чи можна взагалі робити висновки про довгострокові тенденції клімату, використовуючи хаотичні і шумні дані про погоду, що містять багато зайвої інформації?

Ще одна складність полягає в тому, що коливання, котрі впливають на клімат, надзвичайно мінливі в часі – вони можуть бути стрімкими, як, наприклад, сила вітру або температура повітря, або розвиватися дуже повільно, наприклад, при таненні крижаних щитів і нагріванні океанів. Так рівномірний нагрів всього лише на один градус може зайняти тисячу років для океану і кілька тижнів для атмосфери. Вирішальний трюк полягав у тому, щоб включити в розрахунки швидкі зміни погоди в якості шуму і показати, як цей шум впливає на клімат.

Хассельманн створив стохастичну модель клімату, що означає, що в його моделі були закладені випадковості. Вченого надихнула на цю розробку теорія броунівського руху Альберта Ейнштейна, також звана випадковим блуканням. Використовуючи цю теорію, Хассельманн продемонстрував, що швидко мінлива атмосфера може насправді викликати повільні зміни в океані.

Відмінні сліди людського впливу

Після створення моделі кліматичних змін Хассельманн розробив також методи визначення антропогенного впливу на кліматичну систему. Він виявив, що моделі, поряд із спостереженнями та теоретичними міркуваннями, містять достовірну інформацію про властивості шуму та сигналів. Наприклад, зміни рівня сонячної радіації, вулканічних частинок або рівнів парникових газів залишають унікальні сигнали, свого роду "відбитки пальців", які можна виділити. Даний метод визначення таких "відбитків" також може бути застосований до впливу людей на кліматичну систему. Таким чином, Хассельман відкрив шлях до подальших досліджень зміни клімату, які продемонстрували сліди антропогенного впливу з використанням великої кількості незалежних спостережень.

Кліматичні моделі ставали все більш точними в міру того, як процеси, включені в складні взаємодії клімату, картувалися більш ретельно. Не в останню чергу за допомогою супутникових вимірювань і спостережень за погодою. Моделі ясно показують зростання парникового ефекту: з середини XIX століття рівень вуглекислого газу в атмосфері збільшився на 40%. Атмосфера Землі не містила такої кількості вуглекислого газу протягом сотень тисяч років. Відповідно, вимірювання температури показують, що за останні 150 років світ нагрівся на 1°C.

Сюкуро Манабе і Клаус Хассельманн в дусі заповіту Альфреда Нобеля внесли внесок у загальне благо людства, забезпечивши міцну фізичну основу для наших знань про клімат Землі. Ми вже не зможемо сказати, що нічого не знали-кліматичні моделі однозначні. Земля нагрівається? Так. Чи є причиною підвищена кількість парникових газів в атмосфері? Так. Чи можна це пояснити виключно природними факторами? Ні. Чи є викиди людства причиною підвищення температури? Так.

Методи для невпорядкованих систем

Приблизно у 1980 році Джорджіо Парізі представив свої відкриття про те, як очевидно випадкові явища насправді керуються прихованими правилами. Його робота тепер вважається одним із найважливіших внесків у теорію складних систем.

Сучасні дослідження складних систем сягають корінням в статистичну механіку, розроблену в другій половині XIX століття Джеймсом Максвеллом, Людвігом Больцманном і Дж. Віллардом Гіббсом. Статистична механіка виникла з розуміння того, що для опису таких систем як гази або рідини, що складаються з великої кількості невпорядкованих частинок, потрібні нові методи. Ці методи мусили враховувати випадкові рухи частинок, тому основна ідея полягала в обчисленні середнього ефекту частинок замість вивчення кожної частинки окремо. Наприклад, температура в газі є мірою середнього значення енергії частинок газу. Статистична механіка виявилася великим науковим успіхом, тому що вона забезпечила мікроскопічне пояснення макроскопічних властивостей газів і рідин, таких як температура і тиск.

Частинки в газі можна розглядати як крихітні кульки, що летять зі швидкістю, що збільшується з підвищенням температури. Коли температура падає або тиск збільшується, ці кульки спочатку конденсуються в рідину, а потім у тверде тіло. Це тверде тіло часто являє собою кристал, в якому кульки розташовані у правильному порядку. Однак, якщо ця зміна відбувається швидко, кульки можуть утворювати неправильний патерн, який не змінюється навіть при подальшому охолодженні або стисненні рідини. Якщо експеримент повторити, кульки розташуються в новому патерні незважаючи на те, що зміна відбувається точно таким же чином. Але чому результати різні?

Розуміння складності

Ці стиснуті кульки являють собою просту модель для звичайного скла і сипучих матеріалів, таких як пісок або гравій. Однак предметом оригінальної роботи Парізі була система іншого типу – спінове скло. Це особливий тип металевого сплаву, в якому, наприклад, атоми заліза випадковим чином вмішалися в сітку атомів міді. Незважаючи на те, що атомів заліза всього декілька, вони змінюють магнітні властивості матеріалу радикальним і дуже загадковим чином. Кожен атом заліза поводиться як маленький магніт або спін, на який впливають інші атоми заліза, що знаходяться поруч з ним. У звичайному магніті всі обертання спрямовані в одному напрямку, але в спіновому склі вони розірвані; одні пари обертання хочуть вказувати в одному напрямку, а інші – в протилежному. Так як же їм знайти оптимальну орієнтацію?

У вступі до своєї книги про спін-скло Парізі пише, що вивчення спінового скла схоже на спостереження за людськими трагедіями в п'єсах Шекспіра. Якщо ви хочете подружитися з двома людьми одночасно, але вони ненавидять один одного, це може фруструвати. Більшою мірою це відноситься до класичної трагедії, де на сцені зустрічаються вельми емоційні друзі та вороги. Як же мінімізувати напругу в кімнаті?

Спінові скельця та їхні екзотичні властивості служать моделлю для складних систем. У 1970-х роках чимало фізиків, у тому числі кілька лауреатів Нобелівської премії, шукали спосіб описати загадкові фруструючі спінові скельця (з атомами, розташованими в нетривіальних позиціях). Одним з методів, який вони використовували, був метод реплік – математичний підхід, при якому одночасно обробляється безліч копій або ж реплік системи. Однак з точки зору фізики результати початкових розрахунків були недосяжними.

У 1979 році Парізі зробив вирішальний прорив, продемонструвавши, як хитромудрий метод реплік можна використовувати для вирішення проблеми спінового скла. Він виявив приховану структуру в репліках і знайшов спосіб описати її математично. На те, щоби рішення Парізі виявилося математично правильним, знадобилося багато років. З тих пір його метод використовувався у багатьох невпорядкованих системах і став наріжним каменем теорії складних систем.

Плоди геометричної фрустрації множинні та різноманітні

І спін-скло, і сипучі матеріали є прикладами фрустрованих систем, в яких різні компоненти повинні розташовуватися таким чином, щоби досягти компромісу між протидіючими силами. Питання в тому, як вони поводяться і якими є результати. Парізі майстерно відповідає на ці питання для найрізноманітніших матеріалів та явищ. Його фундаментальні відкриття про структуру спінового скла були настільки глибокими, що вплинули не тільки на фізику, але й на математику, біологію, нейробіологію і машинне навчання, тому що всі ці області включають проблеми, безпосередньо пов'язані з фрустрацією.

Парізі також вивчив безліч інших явищ, в яких випадкові процеси відіграють вирішальну роль у створенні та побудові структур. Також він займався такими питаннями, як періодичне повторення льодовикових періодів, більш загальний математичний опис хаосу і турбулентних систем або навіть вивчення закономірностей руху зграй з тисяч шпаків. Всі ці питання можуть здатися далекими від спін-скла. Тим не менш, сам Парізі сказав, що велика частина його досліджень присвячена тому, як проста поведінка породжує складну колективну поведінку, і як це відноситься одночасно до спін-скла і шпаків.

Джерело: 112.ua

відео по темі

Новини за темою

Новини за темою

Новини партнерів

Loading...

Віджет партнерів