Komitet noblowski docenił znaczenie problemu zmiany klimatu dla ludzkości. Jedną połowę Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2021 r. podzielili między siebie Syukuro Manabe i Klaus Hasselmann, mający duże zasługi w tworzeniu i rozwoju fizycznych modeli klimatu. Trzeci noblista, Giorgio Parisi, zajmuje się teorią systemów złożonych, mającą zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, ale wiele z jego prac ma związek ze zjawiskami klimatycznymi i przepływami, także tymi w atmosferze i oceanie.

Nobel z fizyki 2021: rysunkowy portret laureatów nagrody Nobla. Od lewej: Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann, Giorgio Parisi.
Rysunek 1: Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2021 r.
Autor: Niklas Elmehed (Nobel Prize Outreach, źródło).

Modele klimatu to skomplikowane twory. Ich działanie polega na zastosowaniu praw fizyki do opisu przepływów materii i energii w atmosferze i oceanie (więcej na ten temat przeczytasz w artykule Wirtualny klimat). Układy równań, będące matematyczną formą tych praw, są następnie rozwiązywane numerycznie (z wykorzystaniem komputerów). Innymi słowy, modele te pozwalają nam na wykonywanie w wirtualnej rzeczywistości doświadczeń, których w prawdziwym świecie nie moglibyśmy przeprowadzić. W pamięci superkomputerów możemy stworzyć setki kopii naszej planety i sprawdzić, jak wpływają na nią zmiany aktywności słonecznej, kształtu orbity, pokrycia powierzchni czy składu atmosfery.

Modele numeryczne nie są oczywiście naszym jedynym źródłem wiedzy o klimacie. Dysponujemy także rozlicznymi pomiarami stanu atmosfery, oceanu i powierzchni Ziemi, zarówno współczesnymi instrumentalnymi, jak i opartymi na badaniu próbek geologicznych, glacjologicznych itd. (patrz nasz cykl o paleoklimatologii). Stanowią jednak ich doskonałe uzupełnienie. Pozwalają prześledzić związki przyczynowo-skutkowe, co z kolei pozwala zrozumieć mechanizmy fizyczne odpowiedzialne za przeszłe zdarzenia klimatyczne i wykorzystać je jako narzędzia do tworzenia projekcji na przyszłość.

Syukuro Manabe – współtwórca pierwszych modeli klimatu

Syukuro Manabe był pionierem modelowania klimatu. W latach 60. stworzył wraz Richardem T. Weetheraldem jednowymiarowy model opisujący zjawiska zachodzące w kolumnie powietrza – zarówno konwekcyjne (związane z pionowymi ruchami powietrza) jak i radiacyjne (związane z przenikaniem, absorpcją i emisją promieniowania).

Nagle okazało się, że jesteśmy w stanie wytłumaczyć całą strukturę termiczną atmosfery, łącznie ze stratosferą. To był przełom.

– komentuje prof. Jacek Piskozub (Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk w Sopocie).

Wszyscy pamiętamy szkice z podręczników szkolnych pokazujące podział atmosfery na warstwy: leżącą przy powierzchni Ziemi troposferę, w której temperatura spada z wysokością oraz wyższą stratosferę, w której temperatura z wysokością rośnie. Od dawna wiedzieliśmy, czemu takie relacje zachodzą w każdej z tych warstw, ale nie rozumieliśmy dokładnie stojących za tym zależności. W pracy Manabe i Wetherald (1967) po raz pierwszy pojawiło się określenie „równowaga radiacyjno-konwekcyjna” i wyjaśnienie tego, jak wzajemne oddziaływanie transferu promieniowania w atmosferze i procesów konwekcyjnych „reguluje” te warstwy (więcej na ten temat przeczytasz w tekście Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (1): Termiczna struktura atmosfery).

Z przedstawionych w pracy obliczeń wynika wprost, że wzrost koncentracji CO2 w atmosferze przyczynia się do wzrostu temperatury w troposferze i jednocześnie spadku temperatury w stratosferze. Kontrastuje to z sytuacją, w której np. wzrost temperatury planety byłby skutkiem zwiększenia aktywności słonecznej (co doprowadziłoby do ogrzania obu warstw).

Nobel z fizyki 2021:  Wykres z pracy Manabe i Wetheralda, pokazujący temperaturę atmosfery na różnych wysokościach, zależnie od koncentracji CO2 w powietrzu.
Rysunek 2: Autor ilustracji: Johan Jarnestad (The Royal Swedish Academy of Sciences),
na podstawie Manabe i Wetherald (1967)

Autorzy pokazali też, jak istotną rolę pełni w klimacie para wodna – związane z nią sprzężenie zwrotne nasila zmiany temperatury wywołane innymi czynnikami, np. zmianą koncentracji CO2 czy ilości promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi (więcej w artykule Para wodna – klimatyczny “dopalacz”).

Manabe kontynuował karierę, uczestnicząc w tworzeniu i rozwijaniu trójwymiarowych modeli atmosfery. W kolejnych słynnych pracach (Manabe i Wetherald 1975, Manabe i Stouffer 1980), oszacował nowoczesnymi metodami fizycznymi czułość klimatu na podwojenie atmosferycznej koncentracji CO2. Później rozwijał modele opisujące zarówno to, co dzieje się w atmosferze jak i zjawiska w oceanach wraz ze wzajemnym oddziaływaniem elementów systemu klimatycznego (tzw. coupled atmosphere-ocean models) i z ich pomocą badał przeszłe i możliwe przyszłe stany klimatu. W jednej z prac jego autorstwa (Manabe i Stouffer 1998) wyjaśniono szczegółowo jak rozlanie słodkiej wody z topniejącego lądolodu na powierzchni Atlantyku zachwiało klimatem przy wychodzeniu z ostatniej epoki lodowej. Wszystkie współczesne modele klimatu, w tym te stosowane w badaniach opisanych w ostatnim Raporcie IPCC korzystają z podstaw, które zbudował Manabe.

Klaus Hasselmann – wyjaśnił, czemu klimat ma pamięć

Patrząc na wykres zmian temperatury, łatwo zauważamy, że jest on pełen „górek i dołków”. Są one przejawem naturalnej zmienności klimatu, czyli naturalnych zjawisk prowadzących do ociepleń i ochłodzeń klimatu (np. zmian aktywności słonecznej, erupcji wulkanicznych czy zmian w prądach morskich). W analizie statystycznej nazywamy ich obecność „szumem” (przez analogię do analizy fal dźwiękowych). Aby móc powiedzieć, że w klimacie pojawił się jakiś „sygnał”, czyli istotna zmiana idąca w jakimś konkretnym kierunku, musimy sprawdzić, czy odróżnia się ona od „szumu” zmienności naturalnej. A w takim razie musimy umieć dobrze taką zmienność opisać.

Jeśli obecność szumu wynika z całkowicie losowych zjawisk, to mamy do czynienia z tzw. „szumem białym” – takim, na który składają się po równo wszystkie możliwe częstości fal (podobnie jak na światło białe składają się fale o wszystkich częstościach odpowiadających światłu widzialnemu, wszystkie kolory). Jednak w przypadku systemu klimatycznego wcale tak nie jest, a zrozumienie tego faktu zawdzięczamy drugiemu z laureatów Nagrody Nobla 2021, Klausowi Hasselmannowi. Jak wyjaśnia prof. Jacek Piskozub:

Hasselmann wytłumaczył teoretycznie coś, co było znane doświadczalnie: że jeśli zamienimy jakiekolwiek parametry klimatyczne na szum, to zwykle nie jest to „szum biały” (chyba że dotyczy to krótkoterminowej pogody), tylko tak zwany „szum czerwony” – mający przewagę niższych częstotliwości, dłuższych cykli.

Hasselman pokazał, że obecność oceanu w systemie musi coś takiego spowodować. Autokorelacja spowodowana przez ocean skutkuje tym, że system nie jest czysto stochastyczny, bez pamięci, kroczący przypadkowo. Ocean powoduje, że w systemie klimatycznym mamy pamięć.

Ocean jest wielkim zbiornikiem energii. Według najnowszego raportu IPCC (IPCC AR6, 2021) to właśnie w nim odkłada się ponad 90% energii, której przybywa na Ziemi w związku z globalnym ociepleniem. Ciepło właściwe wody jest cztery razy większe niż powietrza, a masa oceanu jest ok. 300 razy większa od masy atmosfery. To powoduje, że ocean zmienia temperaturę (ogrzewa się lub stygnie) bardzo powoli. Także przemieszczanie się wód oceanicznych (którego skutkiem jest m. in. transport ciepła na duże odległości i mieszanie) zachodzi niezwykle wolno w porównaniu z przemieszczaniem się mas powietrza.

Jednocześnie jednak procesy zachodzące w oceanie istotnie wpływają na to, co dzieje się w atmosferze, bo ocean stanowi dla niej ważne źródło ciepła i pary wodnej. Właśnie temu zawdzięczamy pamięć klimatyczną. Przykładowo, jeśli w wyniku erupcji wulkanicznej dojdzie do gwałtownego ograniczenia ilości promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi, obecność oceanu może złagodzić ochłodzenie atmosfery, bo on „pamięta jeszcze” czasy, gdy było cieplej i może podzielić się z atmosferą nadwyżką energii.

Klaus Hasselmanna pokazał swoimi obliczeniami (np. Hasselmann, 1975 , Frankingoul i Hasselmann 1977), że choć pogoda charakteryzuje się daleko idącą przypadkowością (chaotycznością) i nie da się jej przewidzieć na dłużej niż kilka dni na przód, z klimatem jest inaczej. Metody stworzone przez niego pomogły także w rozdzielaniu wpływu poszczególnych czynników na klimat i pozwoliły na odróżnienie efektów związanych z działalnością człowieka od przejawów zmienności naturalnej. Podobnie jak Manabe, Haselmann rozwijał też modele oddziaływania atmosfera-ocean – wiele z nich ma niezwykle praktyczne zastosowania i służy dziś np. do prognoz stanu morza.

Nobel z fizyki 2021: Wykres z pracy Hegerl i Zwiersa, pokazujący zmiany średniej temperatury związane z czynnikami naturalnymi i działalnością człowieka oraz samymi czynnikami naturalnymi. Tylko ten pierwszy jest zbliżony kształtem do wykresu na podstawie danych obserwacyjnych. Rysunek ilustruje wykorzystanie prac Klaussa Hasselmanna.
Rysunek 3: Autor ilustracji: Johan Jarnestad (The Royal Swedish Academy of Sciences),
na podstawie Hegerl i Zwiers (2011).

Giorgio Parisi – zrozumienie zachowania układów złożonych

Blisko zagadnień badanych przez Hasselmana zlokalizowanych jest kilka prac trzeciego laureata tegorocznego nobla z fizyki, Giorgio Parisiego (np. Benzi, Parisi i in., 1980). Parisi wyjaśnia, jak zaburzenia losowe (np. wybuchy wulkanów), nakładając się na wymuszanie orbitalne przez cykle Milankovicha, pomagały „przerzucać” stan klimatu między glacjałami (zlodowaceniami) i interglacjałami. Dorobek naukowy Parisiego, wspaniałego fizyka teoretyka, obejmuje wiele zagadnień wykraczających poza zakres naszego portalu. Znany jest przede wszystkim ze swoich prac dotyczących wzrostu powierzchni, tzw. szkieł spinowych, teorii turbulencji a nawet chromodynamiki kwantowej. Jednak łączy go z pozostałymi laureatami jedno, co znakomicie opisał komitet noblowski: „przełomowy wkład do rozumienia działania układów złożonych”.

Fakt że jakiś układ fizyczny, np. układ klimatyczny, jest skomplikowany, nie oznacza, że nie możemy zrozumieć sposobu, w jaki działa. Wspaniale dowodzą tego osiągnięcia tegorocznych noblistów z fizyki, a specjalne docenienie fizyki klimatu w tym werdykcie pokazuje nam wszystkim na jak solidnych fundamentach naukowych oparta jest nasza wiedza o klimacie i jego zmianach. Obyśmy potrafili, z pożytkiem dla wszystkich, skorzystać z nauk, jakie ze sobą niesie.

Aleksandra Kardaś i Szymon Malinowski, konsultacja merytoryczna: prof. Jacek Piskozub

Zobacz też:

Wykład dr Aleksandry Kardaś, „Klimat złożony i prosty – Nobel 2021”, w ramach cyklu „Zapytaj fizyka„.
Konwersatorium Wydziału Fizyki UW, prof J. Piskozub i prof. P. Szymczak o zdobywcach nagrody Nobla.

Opublikowano: 7 października 2021

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

Nasza strona służy popularyzacji nauki. Chętnie odpowiadamy na pytania, ale nie akceptujemy spamu i dezinformacji.