По порядку:
- Кому и за что присудили Нобелевскую премию по физике в 2021 году?
- Зачем изучать хаотические системы?
- Откуда порядок в хаосе?
- Что это знание дает людям, далеким от физики?
- Даже прогноз на завтра не точен! Как же можно смоделировать климат?
- И как ученые это сделали?
- Почему важно прогнозировать климатические изменения?
Кому и за что присудили Нобелевскую премию по физике в 2021 году?
В этот раз премию в размере 1,19 миллионов долларов разделили между собой трое ученых. Одну половину получили физики-климатологи Сюкуро Манабе (Princeton University, США) и Клаус Хассельман (Max Planck Institute of Meteorology, Германия) за «физическое моделирование земного климата, количественную оценку изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления». Вторую половину — физик-теоретик Джорджо Паризи (Sapienza University of Rome, Италия) за «открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах от атомных до планетарных масштабов».
Зачем изучать хаотические системы?
Чем сложнее система, тем больше переменных нужно учесть для ее моделирования. Для их расчетов используют тысячи взаимосвязанных уравнений. В таких ситуациях неизбежен «эффект бабочки»: мельчайшее отклонение в начальных условиях в итоге может привести к совершенно иной динамике процесса.
Откуда порядок в хаосе?
Джорджо Паризи в 1980-х разработал систему «спиновое стекло», где спин — магнитный момент электронов и атомов, а стекло — некоторое аморфное вещество. Кристаллической решетки в аморфных веществах в отличие от твердых нет. Однако Паризи доказал, что стеклоподобные материалы все же структурированы, но более сложным образом. Их молекулы или атомы ориентируются в непостоянные геометрические фигуры (чаще треугольники), рассредоточенные по всему объему. Это обусловлено фрустрацией — явлением, когда атомы в веществе случайным образом пытаются достичь равновесного состояния, но это заведомо невозможно из-за природы их взаимодействий.
Что это знание дает людям, далеким от физики?
Модель Паризи применяют не только в физике и химии материалов, но также в медицине, биологии, оптике — и даже машинном обучении. Главная мысль — хаос на более нижних уровнях не мешает воспринимать порядок на более высоком. То есть если невозможно определить или спрогнозировать состояния отдельных элементов целого, то нужно «взглянуть» чуть выше. Кстати, этим принципом воспользовался и Хассельман, исследуя климат.
Даже прогноз на завтра не точен! Как же можно смоделировать климат?
Не стоит путать понятия «погода» и «климат». Первое обозначает состояние атмосферы в конкретный момент времени, второе — усредненное за длительный период.
И как ученые это сделали?
Климатическая модель Манабе 1960-х годов учитывала излучение Солнца, инфракрасное излучение Земли, парниковый эффект, вертикальные движения воздуха и конденсацию водяного пара в верхних слоях атмосферы. Все эти переменные объясняют среднюю температуру планеты в +15 °С, которая в расчетах без парникового эффекта была бы -18 °С, а без учета перемещения воздушных потоков — +34 °С. Спустя 20 лет Хассельман дополнил модель одним допущением: чтобы нивелировать непредсказуемое влияние погоды (текущего состояния атмосферы) на прогнозирование климата, он предложил принять первое за шум.
Почему важно прогнозировать климатические изменения?
Труды Манабе еще во второй половине прошлого века показали, что удвоение концентрации углекислого газа в атмосфере приведет к увеличению средней температуры Земли на 2 °С и более, и легли в основу современных исследований глобального потепления. А модель Хассельмана позволяет сравнивать теоретические прогнозы с полученными на практике данными и таким образом отделять естественные переменчивости от тех, что вызваны человеком, — то есть оценивать антропогенный вклад в изменение окружающей среды.
