Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann en Giorgio Parisi elk vond verborgen patronen in ongeordende systemen
Het werk van Syukuro Manabe en Klaus Hasselmann legde de basis voor simulaties die de immense complexiteit van het klimaat en andere aardsystemen zoals oceaanstromingen vastleggen, zoals weergegeven in deze visualisatie.
Het klimaat op aarde is een enorm complex systeem op grote schaal. Op microscopisch niveau geldt dat ook voor de gecompliceerde fysica van atomen en moleculen die in materialen worden aangetroffen. De Nobelprijs voor de natuurkunde 2021 verenigt het werk van drie wetenschappers die zulke ingewikkelde fysieke systemen hebben verlicht door gebruik te maken van basisinstrumenten van de natuurkunde.
De helft van de prijs gaat naar klimaatwetenschappers Syukuro Manabe van Princeton University en Klaus Hasselmann van het Max Planck Institute for Meteorology in Hamburg, Duitsland, voor hun werk aan simulaties van het klimaat op aarde en voorspellingen van de opwarming van de aarde, zo maakte de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen in oktober bekend. 5. De andere helft van de prijs van 10 miljoen Zweedse kronen (meer dan $ 1,1 miljoen) gaat naar natuurkundige Giorgio Parisi van de Sapienza Universiteit van Rome, die werkte aan het begrijpen van de kolkende fluctuaties in ongeordende materialen.
Alle drie de onderzoekers gebruikten een vergelijkbare strategie om een specifiek stuk van een complex systeem in een model te isoleren, een wiskundige weergave van iets dat in de natuur wordt gevonden. Door dat model te bestuderen en dat begrip vervolgens te integreren in meer gecompliceerde beschrijvingen, boekten de onderzoekers vooruitgang bij het begrijpen van anders verbijsterende systemen, zegt natuurkundige Brad Marston van Brown University. “Het is een kunst om een model te construeren dat rijk genoeg is om interessante en misschien verrassende resultaten te geven, maar eenvoudig genoeg om te hopen het te begrijpen.”
De prijs, normaal gesproken een apolitieke aangelegenheid, stuurt een bericht naar wereldleiders: “Het idee van opwarming van de aarde berust op solide wetenschap”, zei Göran Hansson, secretaris-generaal van de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen, tijdens de bekendmaking van de prijswinnaars . Door de menselijke uitstoot van broeikasgassen, waaronder koolstofdioxide, is de gemiddelde temperatuur op aarde sinds de pre-industriële tijd met meer dan 1 graad Celsius gestegen. Die opwarming treft elke regio op aarde en verergert extreme weersomstandigheden zoals hittegolven, bosbranden en droogte (SN: 8/9/21).
Het werk van Manabe legde de basis voor klimaatmodellering, zei John Wettlaufer van Yale University, een lid van het Nobelcomité voor Natuurkunde. “Hij heeft echt de modellen gebouwd waaruit alle toekomstige klimaatmodellen zijn gebouwd”, legde Wettlaufer uit tijdens een interview na de prijsuitreiking. “Die steigers zijn essentieel voor het verbeteren van klimaatvoorspellingen.”
Manabe bestudeerde hoe stijgende koolstofdioxidegehaltes de temperatuur op aarde zouden veranderen. EEN vereenvoudigd klimaatmodel uit een paper uit 1967, co-auteur van Manabe, simuleerde een enkele kolom van de atmosfeer waarin luchtmassa’s stijgen en dalen terwijl ze opwarmen en afkoelen, waaruit bleek dat een verdubbeling van de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer de temperatuur met meer dan 2 graden C deed stijgen. Dit begrip zou dan kunnen worden geïntegreerd in complexere modellen die de hele atmosfeer simuleerden of bijvoorbeeld de effecten van de oceanen omvatten (SN: 5/30/70).
“Ik had nooit gedacht dat dit ding dat ik zou gaan bestuderen zulke enorme gevolgen zou hebben”, zei Manabe op een persconferentie in Princeton. “Ik deed het gewoon uit nieuwsgierigheid.”
Hasselmann bestudeerde de evolutie van het klimaat op aarde, rekening houdend met de verscheidenheid aan tijdschalen waarop verschillende processen plaatsvinden. De willekeur van het dagelijkse weer staat in contrast met seizoensvariaties en veel langzamere processen zoals de geleidelijke opwarming van de oceanen van de aarde. Het werk van Hassleman heeft geholpen om te laten zien hoe de jitter op korte termijn kan worden opgenomen in modellen om de klimaatverandering op de lange termijn te begrijpen.
De prijs is een bevestiging van het begrip van wetenschappers over het klimaat, zegt Michael Moloney, CEO van het American Institute of Physics in College Park, Maryland. “De klimaatmodellen waarvan we afhankelijk zijn om de impact van de klimaatcrisis te begrijpen, zijn wereld- klasse wetenschap daarboven met alle andere grote ontdekkingen die worden erkend [by] Nobelprijzen van de afgelopen jaren.”
Net als de weerpatronen op aarde, kan de innerlijke wereld van atomen in materialen complex en wanordelijk zijn. Parisi’s werk was gericht op het begrijpen van de processen binnen ongeordende systemen, zoals een soort materiaal dat spinglas wordt genoemd (SN: 18-10-02). In spinglazen gedragen atomen zich als kleine magneten, vanwege een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd. Maar de atomen kunnen het niet eens worden over de richting waarin ze hun magneten moeten richten, wat resulteert in een ongeordende opstelling.
Dat is vergelijkbaar met meer bekende soorten glas – een materiaal waarin atomen geen ordelijke rangschikking bereiken. Parisi bedacht een wiskundige beschrijving voor zo’n spinbril. Zijn werk raakt ook een verscheidenheid aan andere complexe onderwerpen, van turbulentie tot stroompatronen die de bewegingen van dieren beschrijven, zoals spreeuwen (SN: 31-7-14).
Hoewel zijn werk niet direct gericht is op het klimaat, gaf Parisi in een interview tijdens de Nobel-aankondiging commentaar op die helft van de prijs: “Het is duidelijk dat we voor de toekomstige generatie nu heel snel moeten handelen.”
Carolyn Gramling heeft bijgedragen aan het rapporteren van dit verhaal.
