Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nauki ścisłe

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nobel z fizyki dla zmian klimatycznych

Nobel z fizyki dla zmian klimatycznych

Tegoroczną Nagroda Nobla z dziedziny fizyki przyznano Syukuro Manabe, Klausowi Hasselmannowi i Giorgio Parisiemu za przełomowy wkład w nasze zrozumienie złożonych systemów fizycznych. O komentarz w kwestii decyzji Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk poprosiliśmy naukowców z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej oraz z Wydziału Geografii i Geologii.

Dr hab. Jakub Mielczarek - Zakład Teorii Układów Złożonych

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana za istotny wkład do zrozumienia natury układów złożonych. Układy takie wręcz typowo występują w Przyrodzie a my sami jesteśmy ich doskonałym przykładem. Niestety, właśnie przez ich „złożoność”, niezwykle trudno jest je teoretycznie zrozumieć i przewidzieć ich zachowanie. W układach takich, zbudowanych z bardzo wielu podobnych lub identycznych elementów składowych (na przykład, komórek lub atomów), wewnętrzne oddziaływania prowadzą bowiem do powstawania często zupełnie nieoczekiwanego zachowania. Są to, w szczególności tak zwane zjawiska emergentne, bardzo trudne do wywnioskowania jedynie na podstawie zgłębienia fizyki jednostki. Niełatwo jest chociażby przewidzieć z zachowania pojedynczej pszczoły to, że ich rój utworzy tak regularną strukturę, jaką jest plaster miodu. 

(...) uniwersalność opisu matematycznego, jest zdecydowanie jedną z najpiękniejszych cech układów złożonych. Opis Parisiego znajdzie zaś zapewne jeszcze niejedno zastosowanie do opisu złożonej natury otaczającego nas Świata. Niewykluczone, że sięgając aż do jego najgłębszych warstw.

Jeden z tegorocznych noblistów, związany z Uniwersytetem La Sapienza w Rzymie, prof. Giorgio Parisi, uhonorowany został za znalezienie opisu teoretycznego dla nieregularnych układów złożonych, w których każda para sąsiadujących elementów stara się przyjąć jeden z dwóch przeciwnych stanów. Zobrazujmy to na przykładzie ludzi i ich dobrego lub złego nastroju. A zatem, jeśli pierwszy człowiek w parze jest w stanie o dobrym nastroju, to drugi będzie w stanie o nastroju złym. Problem pojawia się, kiedy dołączy do nich trzecia osoba. Nie może ona bowiem pozostawać zarówno w stanie złym względem pierwszego, jak i w stanie dobrym względem drugiego. Pojawia się zatem coś co zarówno w życiu codziennym, jak i w fizyce, określamy mianem frustracji. Dylemat staje się jeszcze głębszy, jeśli do owej trójki dołączą kolejne osoby (powiedzmy, nieskończenie wiele osób) i co więcej, wprowadzimy losową “siłę” relacji pomiędzy nimi.  Znalezienie konfiguracji w jakiej znajdzie się takie zbiorowisko wesołków i smutasów wydaje się zadaniem beznadziejnym.  Jednakże, pod koniec lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, udało się to właśnie Giorgio Parisiemu. W celu rozwiązania tego problemu, zastosował on do znalezienia konfiguracji równowagowej dla modelu szkła spinowego - bo tak profesjonalnie nazywamy układ, o którym mowa powyżej - sztuczkę matematyczną, zwaną trikiem repliki.  W konsekwencji, otrzymał on uniwersalny opis teoretyczny, mogący znaleźć zastosowanie zarówno do pewnych układów atomowych, jak również do sieci neuronowych czy też układów społecznych, jak w przykładzie powyżej.  Ta uniwersalność opisu matematycznego, jest zdecydowanie jedną z najpiękniejszych cech układów złożonych. Opis Parisiego znajdzie zaś zapewne jeszcze niejedno zastosowanie do opisu złożonej natury otaczającego nas Świata. Niewykluczone, że sięgając aż do jego najgłębszych warstw. 

 

Dr hab. Dorota Matuszko, prof. UJ - Zakład Klimatologii UJ

Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała nagrodę Nobla z fizyki za przełomowy wkład w nasze zrozumienie złożonych systemów fizycznych. Połowę nagrody otrzymali wspólnie Syukuro Manabe i Klaus Hasselmann „za fizyczne modelowanie klimatu Ziemi, kwantyfikację zmienności i wiarygodne przewidywanie globalnego ocieplenia”, a drugą połowę nagrody uzyskał Giorgio Parisi „za odkrycie wzajemnego oddziaływania zaburzeń i fluktuacji w układach fizycznych od skali atomowej do planetarnej”.

Syukuro Manabe i Klaus Hasselamnn zajmowali się opracowaniem modeli numerycznych, które pozwoliły wskazać, że rosnący poziom dwutlenku węgla prowadzi do ocieplania klimatu. Istotnym wątkiem prowadzonych przez nich badań było potwierdzenie udziału człowieka w obserwowanym wzroście temperatury powietrza na świecie.

Badania dwóch pierwszych noblistów dotyczyły zagadnień związanych ze zmianami klimatu. Syukuro Manabe i Klaus Hasselamnn zajmowali się opracowaniem modeli numerycznych, które pozwoliły wskazać, że rosnący poziom dwutlenku węgla prowadzi do ocieplania klimatu. Istotnym wątkiem prowadzonych przez nich badań było potwierdzenie udziału człowieka w obserwowanym wzroście temperatury powietrza na świecie.

Syukuro „Suki” Manabe pochodzi z Japonii. We wrześniu 2021 roku skończył 90 lat. Jest japońsko-amerykańskim meteorologiem i klimatologiem, który był pionierem w użyciu komputerów do symulacji globalnych zmian klimatu. Obecnie pracuje w USA na Princeton University. W latach 60. XX wieku kierował badaniami nad rozwojem fizycznych modeli klimatu Ziemi i był pierwszym uczonym, który zbadał interakcję między bilansem promieniowania a pionowym transportem mas powietrza. Wraz z zespołem opracowywał modele matematyczne klimatu Ziemi, z których wynikało to, do czego dziś nie mamy wątpliwości – rosnący poziom dwutlenku węgla w atmosferze prowadzi do globalnego ocieplenia klimatu.

Klaus Hasselmann jest oceanografem i klimatologiem, specjalizuje się w modelowaniu klimatu. Jest emerytowanym profesorem Uniwersytetu w Hamburgu i byłym dyrektorem Instytutu Meteorologii im. Maxa Plancka. W tym roku, 25 października skończy 90 lat. Jest twórcą modeli numerycznych, które łączą zarówno pogodę, jak i klimat Ziemi, odpowiadając w ten sposób na pytanie, dlaczego modele klimatyczne mogą być wiarygodne, mimo że pogoda jest zmienna i chaotyczna. Opracował również metody identyfikacji określonych sygnałów (fingerprints), zarówno zjawisk naturalnych, jak i związanych z działalnością człowieka, które „odciskają się” w klimacie. Wyniki badań Klausa Hasselmanna potwierdziły, że odpowiedzialność za globalne ocieplenie ponosi nasza cywilizacja, uwalniająca do atmosfery ogromne ilości CO2 wskutek zużywania paliw kopalnych, intensywnego rolnictwa i produkcji przemysłu ciężkiego.

Dr hab. Paweł F. Góra, prof. UJ - Zakład Fizyki Statystycznej UJ

Giorgio Parisi zajmuje się tak wieloma obszarami fizyki teoretycznej, że czuję się kompetentny, aby wypowiedzieć się tylko o części z nich, zupełnie pomijając jego wkład w teorię cząstek elementarnych.

Nagroda Nobla dla Giorgio Parisiego to wielka radość dla osób zaangażowanych we współczesną fizykę statystyczną.

Giorgio Parisi wniósł wielki wkład w teorię obliczeń Monte Carlo, w teorię szkieł spinowych (pewnych nieregularnych układów magnetycznych, będącym pojęciowym prekursorem sieci neuronowych, używanych dziś w uczeniu maszynowym i sztucznej inteligencji) i w cały szeroki obszar, zwany Statystyczną Teorią Pola.

Uważa się, że fizyka daje informację pewną: przy takich a takich warunkach stanie się to a to. Jednak w układach złożonych, obejmujących olbrzymie ilości składników, których nie sposób śledzić indywidualnie, fizyka musi ograniczyć się do przewidywania, co stanie się z największym prawdopodobieństwem, trzeba bowiem uwzględniać szum, zaburzenia losowe, przypadkowe fluktuacje, czyli odchylenia od średniej, pochodzące od tych licznych nieobserwowalnych stopni swobody. Tradycyjnie uważało się, że zaburzenia losowe mają wyłącznie charakter destruktywny – niszczą powstające struktury, zniekształcają przekazywane sygnały. Okazuje się, że to nieprawda: w niektórych układach nieliniowych obecność szumu może prowadzić do jakościowo nowych zjawisk.

Jedna z wielkich prac Giorgio Parisiego w tym zakresie dotyczyła rezonansu stochastycznego [1]. Otóż badacze próbowali zrozumieć, dlaczego zlodowacenia na półkuli północnej pojawiały się dość regularnie, co mniej więcej sto tysięcy lat. Okazało się, że oś obrotu Ziemi zmienia swoje nachylenie z takim okresem, jednak szczegółowe obliczenia pokazały, że nie prowadzi to do zmian nasłonecznienia Ziemi, które mogłyby wywołać zlodowacenia. Parisi i współpracownicy postanowili uzwzględnić zjawiska losowe, takie, jak wybuchy wulkanów, wpływające na zmianę albedo Ziemi. Okazało się, że połączenie tych dwu zjawisk prowadzi do okresowego przerzucania klimatu Ziemi od stanu bez zlodowacenia do stanu ze zlodowaceniem. Co więcej, istnieje pewne optymalne natężenie zjawisk losowych (przypadkowych zmian albedo Ziemi), powodujące, że wpływ astronomicznego procesu okresowego (zmiana nachylenia osi Ziemi) jest najmocniej widoczny. Zjawisko to nazwano rezonansem stochastyczny. Dziś rezonans stochastyczny używany jest nie tylko do wyjaśniania zjawisk klimatycznych (oprócz epok lodowcowych także, zjawiska El Niño), ale także do zrozumienia pewnych fundamentalnych reakcji biochemicznych, detekcji sygnałów podprogowych, a także w terapii pewnych schorzeń neurologicznych.

Inna wielka praca Parisiego [2] dotyczyła ewolucji powierzchni w obecności zaburzeń losowych. Ma to znaczenie i w mikrobiologii, można bowiem w ten sposób opisywać rozwój kolonii bakterii, i w fizyce nanomateriałów, gdzie kluczowe jest zrozumienie, jak powstają mikroskopowe powierzchnie substacji, które chcielibyśmy użyć w budowie superczułych nano-detektorów, a wreszcie, poprzez teorię skalowania i zastosowanie grupy renormalizacji, pozwalającej w spójnym języku opisać zjawiska zachodzące w wielu skalach, od rozmiarów mikroskopowych aż po astronomiczne, ma olbrzymie znaczenie w wielu działach fizyki teoretycznej.

Każda z tych prac z osobna przyniosła wielką sławę autorom, a Giorgio Parisi ponadto wniósł wielki wkład w teorię obliczeń Monte Carlo, w teorię szkieł spinowych (pewnych nieregularnych układów magnetycznych, będącym pojęciowym prekursorem sieci neuronowych, używanych dziś w uczeniu maszynowym i sztucznej inteligencji) i w cały szeroki obszar, zwany Satytstyczną Teorią Pola. Ostatnio prof. Parisi zajmował się analizą i modelowaniem ruchu stad ptaków, a nawet modelowaniem przebiegu epidemii COVID-19.

 

[1] Stochastic Resonance in Climatic Change, R Benzi, G Parisi, A Sutera, A Vulpiani - Tellus, 1982

[2] Dynamic scaling of growing interfaces, M Kardar, G Parisi, YC Zhang - Physical Review Letters, 1986

 

 

Dr hab. Agnieszka Wypych, prof. UJ i prof. dr hab. Zbigniew Ustrnul - Zakład Klimatologii UJ

Klimat kuli ziemskiej jest w rzeczywistości niezwykle złożonym systemem interakcji pomiędzy atmosferą, hydrosferą, kriosferą oraz powierzchnią lądową. Mnogość tych powiązań i procesów zachodzących na granicy wymienionych sfer powoduje, że choćby najmniejsza zmiana, intensyfikacja lub spowolnienie działania jednego z bodźców może powodować długotrwałe skutki.

[Manabe i Hasselmann] zapewnili solidne podstawy fizyczne dla współczesnej wiedzy o klimacie Ziemi, co w obliczu widocznych problemów związanych ze skutkami globalnego ocieplenia jest niewątpliwie jedną z największych korzyści dla ludzkości.

Jak wiele innych, system klimatyczny jest od kilku wieków przedmiotem badań nauk nie tylko nauk o Ziemi ale i ścisłych, których przedstawiciele próbują w sposób fizyczno-matematyczny opisać zachodzące relacje tak, by jak najbardziej precyzyjnie wyjaśniać i prognozować ewentualne ich zmiany.

Podwaliny pod opracowanie wykorzystywanych współcześnie modeli klimatycznych położyła praca Syukuro Manabe, który w latach 60. XX wieku opisał zależności wzrostu temperatury na powierzchni Ziemi od wzrostu stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, a także jako pierwszy zbadał interakcje między bilansem promieniowania i pionowym transportem mas powietrza w wyniku konwekcji biorąc również pod uwagę ciepło dostarczane przez obieg wody. Dalszy rozwój badań tego badacza doprowadził do skonstruowania trójwymiarowego modelu klimatu, który okazał się kolejnym kamieniem milowym na drodze do zrozumienia tajemnic klimatu.

Dekadę później Klaus Hasselmann stworzył model, który połączył pogodę i klimat, odpowiadając w ten sposób na pytanie, dlaczego modele klimatyczne mogą być wiarygodne pomimo zmiennych warunków pogodowych. Chaotycznie zmieniające się zjawiska pogodowe opisał jako szybko zmieniające się szumy i tym samym oparł długoterminowe prognozy klimatyczne na solidnych podstawach naukowych. Hasselmann opracował również metody identyfikacji określonych czynników klimatycznych, zarówno tych naturalnych, jak i spowodowanych działalnością człowieka.  Dzięki temu możliwe stało się powiązanie wzrostu temperatury w atmosferze z antropogeniczną emisją dwutlenku węgla.

Wagę tych badań dostrzegła obecnie Szwedzka Królewska Akademia Nauk honorując Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za przełomowy wkład w zrozumienie złożonych systemów fizycznych trzech naukowców: Syukuro Manabe (Princeton University, USA), Klausa Hasselmanna (Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg, Germany) oraz Giorgio Parisi (Sapienza University of Rome, Italy). Za pionierską pracę nad rozwojem modeli klimatycznych: fizyczne modelowanie klimatu Ziemi oraz kwantyfikację jego zmienności i wiarygodne przewidywanie globalnego ocieplenia, swoje nagrody otrzymali właśnie Manabe i Hasselmann. Zapewnili oni solidne podstawy fizyczne dla współczesnej wiedzy o klimacie Ziemi, co w obliczu widocznych problemów związanych ze skutkami globalnego ocieplenia jest niewątpliwie jedną z największych korzyści dla ludzkości.

Polecamy również
Wymieranie dinozaurów – nowe odkrycia naukowców
Wymieranie dinozaurów – nowe odkrycia naukowców
Nobel z chemii dla organicznych katalizatorów
Nobel z chemii dla organicznych katalizatorów
Tydzień Noblowski 2021 - komentarze
Tydzień Noblowski 2021 - komentarze
Kryształy czasowe podbijają świat nauki
Kryształy czasowe podbijają świat nauki