Puna mbi Klimën e Tokës dhe Sistemet e tjera komplekse fiton Çmimin Nobel në Fizikë

Fizikanët tradicionalisht janë marrë me sisteme të thjeshta – një atom i vetëm, një gaz në një kuti – për të cilat ligjet qeverisëse janë të qarta dhe përgjigjet e sakta mund të llogariten. Për të përshkruar sisteme më të mëdha, pak më të komplikuara, ata dinë të thjeshtojnë, duke i zhveshur gjërat deri në thelbin e tyre dhe duke injoruar detajet që nuk kanë rëndësi. Një top rrotullohet në të njëjtën mënyrë poshtë një rampe, pavarësisht nëse është i kuq apo blu. Por në shekullin e 20-të, fizikanët filluan të përballen me llojet e sistemeve komplekse që nuk mund të hiqen në mënyrën e zakonshme. Në këto sisteme – siç është klima e Tokës – detajet e vogla kanë rëndësi; ato mund të bëjnë topa bore dhe të ndikojnë në ndryshime gjithëpërfshirëse, në një proces të quajtur cikli reagimit pozitiv. Duheshin zhvilluar metoda të reja për të identifikuar parimet e funksionimit pas këtyre sistemeve komplekse, kaotike, në mënyrë që të përafrohej sjellja e tyre. Kjo vepër pioniere mbi kompleksitetin e distilimit është nderuar nga çmimi i Nobel në Fizikë.

Syukuro Manabe, një klimatolog në Universitetin Princeton dhe Klaus Hasselmann, në Institutin Max Planck për Meteorologjinë në Hamburg, Gjermani, morën gjysmën e çmimit për punën e tyre në vitet 1960 dhe 1970, respektivisht, duke ndërtuar modele klimatike që kanë parashikuar saktë efektet. e rritjes së dioksidit të karbonit në atmosferën e Tokës.

Giorgio Parisi, një fizikant në Universitetin Sapienza të Romës, është shpërblyer me gjysmën tjetër për zbulimin e modeleve të fshehura në sistemet komplekse fizike, më së shumti “gotë syze” – materiale të bëra nga shumë pjesë të thjeshta, ndërvepruese të quajtura rrotullime. Studimet e Parisit në fund të viteve 1970 dhe 1980 se si rrotullimet individuale, luhatëse ndikojnë në vetitë globale të xhamit rrotullues dhe se si, në përgjithësi, evolucioni i një sistemi kompleks në tërësi lidhet me dinamikën e pjesëve individuale që e përbëjnë atë. , kanë lejuar studiuesit të kuptojnë më mirë një gamë të gjerë materialesh komplekse dhe të çrregullta.

E gjithë puna e laureatëve mbart një mesazh të zymtë, të cilin Parisi e artikuloi në përgjigje të një pyetjeje të një gazetari në ceremoninë e ndarjes së çmimeve të mëngjesit të sotëm në Stokholm. “Është urgjente që të marrim vendime reale, shumë të forta dhe të ecim me një ritëm shumë të fortë” për të adresuar ndryshimet klimatike, tha Parisi, “sepse jemi në një situatë ku mund të kemi reagime pozitive dhe kjo mund të përshpejtojë rritjen e temperaturës. . Është e qartë se për brezat e ardhshëm ne duhet të veprojmë tani në një mënyrë shumë të shpejtë dhe jo të vonojmë.”

Fizikanët që nga Svante Arrhenius në 1896 janë përpjekur të zhveshin klimën e Tokës në thelbin e saj. Ata e përafrojnë realitetin duke identifikuar forcat më të rëndësishme në lojë brenda një sistemi – ato që kanë një efekt të përgjithshëm të madh në dinamikën e tij. Ata më pas përpunojnë ekuacione të ndërlidhura që përshkruajnë ato forca, duke injoruar detaje më pak të rëndësishme për t’i bërë modelet të zgjidhshme.

Por klima është një sistem jolinear, ku ndryshimet në një variabël mund të prekin një tjetër, duke çuar në sythe të paqëndrueshme të reagimit. Kjo e bën të vështirë identifikimin se cilat efekte të vogla mund të shpërfillen. Arrhenius identifikoi avujt e ujit si një zonë të tillë problematike: kur temperatura e ajrit rritet, rritet edhe përmbajtja e tij e avullit të ujit, gjë që e bën atë të bllokojë më shumë nxehtësinë e Tokës poshtë, duke çuar në një rritje të mëtejshme të temperaturës. Humbja e akullit është një tjetër shkak i reagimit: akulli reflekton dritën e diellit, kështu që kur ka më pak, më shumë dritë dielli absorbohet nga oqeani i errët, duke shkaktuar ngrohje që përshpejton më tej humbjen e akullit.

Modelet moderne të klimës marrin parasysh ndërveprimin e ndërlikuar dhe reagimin midis miliona variablave. Ata e bëjnë këtë duke zgjidhur një sistem ekuacionesh që përfaqësojnë ruajtjen e masës, momentit dhe energjisë në çdo pikë të një rrjeti 3D që përfaqëson atmosferën e Tokës. Ekuacionet përpiqen të kapin efektet e gjithçkaje më të vogël se rrjeti, siç janë retë individuale ose tiparet e tokës. Ndonjëherë këto veçori të vogla mund të kenë efekte të mëdha që nuk kapen nga modeli, që do të thotë se sa më i imët të jetë rrjeti, aq më i mirë është modeli. Por kjo saktësi vjen me koston e burimeve të frikshme kompjuterike. Një model i avancuar mund të kërkojë javë ose muaj kohë përpunimi në superkompjuterin më të shpejtë në botë, i cili mund të ekzekutojë 1.5 kuintilion llogaritje në sekondë.

Kur modeluesit e klimës filluan për herë të parë, atyre iu desh të merrnin në konsideratë një pjesë shumë më të vogël, me madhësi të vogël të enigmës së klimës.

Modelet e Manabe në vitet 1960 “mund të konsiderohen si realizimet e para të ëndrrës së Arrhenius”, sipas komitetit të Nobelit. Këto modele konsideronin një kolonë të vetme vertikale të atmosferës që shtrihej nga toka në stratosferë. Duke e trajtuar këtë kolonë si një seri pikash rrjeti, Manabe dhe bashkëpunëtorët e tij studiuan se si përqendrimi i një gazi serrë si dioksidi i karbonit brenda kolonës ndikon në rrjedhën e nxehtësisë dhe ajrit midis pikave të rrjetit.

Ai arsyetoi faktin se ajri i nxehtë është më i lehtë se ajri i ftohtë, kështu që ai ngrihet, dhe se ajri më i nxehtë gjithashtu mbart më shumë avuj uji, i cili është një gaz i fuqishëm serrë. (Gazet serë si avulli i ujit dhe dioksidi i karbonit thithin fuqishëm dhe riemetojnë nxehtësinë që rrezatohet lart nga sipërfaqja e Tokës, duke bllokuar pjesën më të madhe të saj nga ikja në hapësirë. Ky është mekanizmi kryesor që shkakton ngrohjen.) Manabe dhe bashkëpunëtorët e tij gjithashtu konsideruan se, i lartë lart në kolonë, ajri është më i ftohtë dhe kështu formohen pika reje, duke çliruar nxehtësinë latente të ruajtur në avujt e ujit.

Duke llogaritur ndërveprimin midis këtyre variablave në secilën kolonë të qiellit duke injoruar transportin horizontal të ajrit dhe nxehtësisë, ato mund të ekstrapolohen në të gjithë globin dhe të përafrojnë “ndjeshmërinë” e përgjithshme të klimës: sa rritet temperatura e ajrit si rezultat. e dyfishimit të nivelit të dioksidit të karbonit. Vlerësimet e tyre të hershme – se temperatura globale do të rritet me 2.3 gradë Celsius si përgjigje ndaj dyfishimit të përqendrimit të dioksidit të karbonit – mbeten jashtëzakonisht të sakta edhe kur maten me modelet moderne të klimës.

Në vitin 1975, Manabe dhe kolegu i tij Richard Wetherald kishin zgjeruar modelin e tyre të kolonës në një model global primitiv, duke llogaritur (në një kompjuter me gjysmë megabajt RAM) ndjeshmërinë globale të klimës në 2.93 gradë Celsius. Modelet aktuale parashikojnë një interval prej 2,5 deri në 4 gradë Celsius për ndjeshmërinë klimatike. Për të vlerësuar shkallën e këtij niveli të parashikuar të ngrohjes, merrni parasysh se Toka gjatë epokës së fundit të akullit ishte 6 gradë Celsius më e ftohtë se sa është sot.