جائزة نوبل في الفيزياء حصل العمل على مناخ الأرض والأنظمة المعقدة الأخرى على

مصر: ايهاب محمد زايد

تم تكريم Syukuro Manabe و Klaus Hasselmann لعملهما الذي أدى إلى تنبؤات موثوقة لتأثيرات تغير المناخ. سوف يتقاسمون جائزة نوبل مع جورجيو باريزي ، الذي أجرى دراسات رائدة للأنظمة الفيزيائية الفوضوية.
تعامل الفيزيائيون تقليديًا مع أنظمة بسيطة – ذرة واحدة ، غاز في صندوق – تكون القوانين الحاكمة لها واضحة ويمكن حساب إجاباتها بدقة. لوصف الأنظمة الأكبر والأكثر تعقيدًا بقليل ، فإنهم يعرفون كيفية التبسيط وتجريد الأشياء إلى جوهرها وتجاهل التفاصيل غير المهمة. تتدحرج الكرة بنفس الطريقة على منحدر سواء كان أحمر أو أزرق.
لكن في القرن العشرين ، بدأ الفيزيائيون في التعامل مع أنواع الأنظمة المعقدة التي لا يمكن تجريدها بالطريقة المعتادة. في هذه الأنظمة – مثل مناخ الأرض – التفاصيل الصغيرة مهمة ؛ يمكنهم كرة الثلج وإحداث تغييرات كاسحة ، في عملية تسمى حلقة التغذية الراجعة الإيجابية. كان لابد من تطوير طرق جديدة لتحديد مبادئ التشغيل الكامنة وراء هذه الأنظمة المعقدة والفوضوية من أجل تقريب سلوكها. تم تكريم هذا العمل الرائد في تقطير التعقيد بجائزة نوبل في الفيزياء اليوم.
حصل سيوكورو مانابي ، عالم المناخ في جامعة برينستون ، وكلاوس هاسلمان ، من معهد ماكس بلانك للأرصاد الجوية في هامبورغ ، ألمانيا ، على نصف الجائزة لعملهما في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي ، على التوالي ، لبناء نماذج مناخية تنبأت بالآثار بشكل صحيح. من زيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض.
مُنح جورجيو باريزي ، الفيزيائي بجامعة سابينزا في روما ، النصف الآخر لاكتشافه أنماطًا مخفية في الأنظمة الفيزيائية المعقدة ، وأبرزها “نظارات الدوران” – وهي مواد مصنوعة من العديد من الأجزاء البسيطة والمتفاعلة التي تسمى السبينات. دراسات باريسي في أواخر السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي حول كيفية تأثير الدورات الفردية والمتقلبة على الخصائص العالمية للزجاج الدوراني ، وكيف يرتبط تطور نظام معقد ككل بديناميكيات الأجزاء الفردية التي يتكون منها. ، سمحت للباحثين باكتساب فهم أفضل لمجموعة واسعة من المواد المعقدة والمضطربة.
شارك كلاوس هاسيلمان وسيوكورو مانابي (من الأعلى) نصف جائزة نوبل لعملهما في نمذجة المناخ. حصل جورجيو باريزي على النصف الآخر من الجائزة لتوضيحه نظامًا معقدًا يسمى زجاج الدوران.
تحمل جميع أعمال الفائزين بالجائزة رسالة صارخة ، عبر عنها باريزي ردًا على سؤال من أحد المراسلين في حفل توزيع الجوائز هذا الصباح في ستوكهولم. قال باريزي: “من الملح أن نتخذ قرارات حقيقية وقوية للغاية ، وأن نتحرك بوتيرة قوية جدًا” للتصدي لتغير المناخ ، “لأننا في موقف يمكننا فيه الحصول على ردود فعل إيجابية وقد يؤدي ذلك إلى تسريع زيادة درجة الحرارة . من الواضح أنه من أجل الأجيال القادمة علينا أن نتصرف الآن بطريقة سريعة للغاية ، وليس تأخير “.
ما هو نموذج المناخ؟
سعى الفيزيائيون منذ سفانت أرينيوس في عام 1896 إلى تجريد مناخ الأرض من جوهره. إنها تقرب الواقع من خلال تحديد أهم القوى التي تلعب داخل النظام – تلك التي لها تأثير إجمالي كبير على دينامياته. ثم يقومون بعمل معادلات مترابطة تصف تلك القوى ، مع تجاهل التفاصيل الأقل أهمية من أجل جعل النماذج قابلة للحل.
لكن المناخ نظام غير خطي ، حيث يمكن للتغييرات في متغير واحد أن تلامس متغيرًا آخر ، مما يؤدي إلى حلقات تغذية مرتدة غير مستقرة. هذا يجعل من الصعب تحديد التأثيرات الصغيرة التي يمكن تجاهلها. حدد أرينيوس بخار الماء كأحد هذه المشاكل: عندما تزداد درجة حرارة الهواء ، يزداد كذلك محتواه من بخار الماء ، مما يجعله يحبس المزيد من حرارة الأرض في الأسفل ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. يعد فقدان الجليد سببًا آخر للتغذية المرتدة: يعكس الجليد ضوء الشمس ، لذلك عندما يكون هناك القليل منه ، يمتص المحيط المظلم المزيد من ضوء الشمس ، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة الذي يؤدي إلى زيادة سرعة فقدان الجليد.
تأخذ النماذج المناخية الحديثة في الاعتبار التفاعل المعقد والتغذية المرتدة بين ملايين المتغيرات. يفعلون ذلك عن طريق حل نظام من المعادلات التي تمثل الحفاظ على الكتلة والزخم والطاقة في كل نقطة على شبكة ثلاثية الأبعاد تمثل الغلاف الجوي للأرض. تحاول المعادلات التقاط تأثيرات كل شيء أصغر من الشبكة ، مثل السحب الفردية أو ميزات الأرض.
في بعض الأحيان ، يمكن أن يكون لهذه الميزات الصغيرة تأثيرات كبيرة لا يلتقطها النموذج ، مما يعني أنه كلما كانت الشبكة أدق ، كان النموذج أفضل. لكن هذه الدقة تأتي على حساب موارد الحوسبة الهائلة. قد يتطلب النموذج الحديث أسابيع أو شهورًا من وقت المعالجة على أسرع كمبيوتر عملاق في العالم ، والذي يمكنه تنفيذ 1.5 كوينتيليون عملية حسابية في الثانية.
عندما بدأ مصممو نماذج المناخ لأول مرة ، كان عليهم التفكير في قطعة أصغر حجمًا من أحجية المناخ.
ماذا أظهرت نماذج المناخ المبكرة لمانابي؟
نماذج مانابي في الستينيات “يمكن اعتبارها أول تحقيق لحلم أرينيوس ،” وفقًا للجنة نوبل. تعتبر هذه النماذج عمودًا رأسيًا واحدًا من الغلاف الجوي يمتد من الأرض إلى الستراتوسفير. تعامل مانابي وزملاؤه مع هذا العمود على أنه سلسلة من نقاط الشبكة ، ودرسوا كيف يؤثر تركيز غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون داخل العمود على تدفق الحرارة والهواء بين نقاط الشبكة.
لقد وضع في الاعتبار حقيقة أن الهواء الساخن أخف من الهواء البارد ، لذا فهو يرتفع ، وأن الهواء الساخن يحمل أيضًا المزيد من بخار الماء ، وهو أحد الغازات الدفيئة القوية. (تمتص غازات الدفيئة مثل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون بقوة وتعيد إطلاق الحرارة المشعة إلى أعلى من سطح الأرض ، مما يمنع الكثير منها من الهروب إلى الفضاء. هذه هي الآلية الرئيسية التي تسبب الاحتباس الحراري.) كما اعتبر مانابي ومعاونوه ذلك ، مرتفعًا في أعلى العمود ، يكون الهواء أكثر برودة ، وبالتالي تتشكل قطرات السحب ، مطلقة الحرارة الكامنة المخزنة في بخار الماء.
من خلال حساب التفاعل بين هذه المتغيرات في كل عمود من السماء مع تجاهل النقل الأفقي للهواء والحرارة ، يمكنهم استقراء العالم بأسره وتقريب “الحساسية” الإجمالية للمناخ: مقدار ارتفاع درجة حرارة الهواء نتيجة لذلك لمضاعفة مستوى ثاني أكسيد الكربون. تقديراتهم المبكرة – أن درجة الحرارة العالمية سترتفع بمقدار 2.3 درجة مئوية استجابة لمضاعفة تركيز ثاني أكسيد الكربون – تظل دقيقة بشكل مثير للإعجاب حتى عند قياسها مقابل النماذج المناخية الحديثة.
بحلول عام 1975 ، قام مانابي وزميله ريتشارد ويثرالد بتوسيع نموذج العمود الخاص بهم إلى نموذج عالمي بدائي ، بحساب (على جهاز كمبيوتر به نصف ميغا بايت من ذاكرة الوصول العشوائي) حساسية المناخ العالمي لتكون 2.93 درجة مئوية. تتنبأ النماذج الحالية بمدى يتراوح بين 2.5 إلى 4 درجات مئوية لحساسية المناخ. لقياس مدى هذا المستوى المتوقع للاحترار ، ضع في اعتبارك أن الأرض خلال العصر الجليدي الأخير كانت 6 درجات مئوية أكثر برودة مما هي عليه اليوم.
كيف يتفاعل الطقس مع المناخ؟ فالمناخ طويل الأمد. الطقس قصير المدى. ومع ذلك ، فإن الاثنين مرتبطان. كيف؟
في سبعينيات القرن الماضي ، طور كلاوس هاسلمان نماذج مناخية تضم أحداث الطقس ، بدلاً من حساب المتوسط ​​عليها ، كما حدث من قبل. لقد اعتمد على فرضية أن المناخ يتطور ببطء كاستجابة شاملة للتقلبات العشوائية السريعة التي نعرفها بالطقس.
للقيام بذلك ، طور معادلات تقترن بوظيفة متغيرة ببطء تمثل المناخ مع وظيفة سريعة التغير تمثل الطقس. أظهر أن الأخير يؤثر على الأول بنفس الطريقة التي تؤثر بها الحركة العشوائية لجزيئات الهواء على المقاييس المجهرية على الحركة العشوائية لجزيئات الغبار على المقاييس العيانية – وهو تأثير يسمى الحركة البراونية. أثبت هذا التشابه مع الحركة البراونية أنه قوي جدًا كطريقة لفهم التفاعل بين المقاييس الفيزيائية المختلفة في النظام المناخي.
كيف يميز مصممو نماذج المناخ الأسباب الطبيعية والبشرية لتغير المناخ؟
لعقود من الزمان ، كافح الباحثون للتخلص بشكل منهجي من آثار الأحداث الجوية العشوائية والانفجارات البركانية والتغيرات الطبيعية الأخرى الناجمة عن تغير المناخ الذي يسببه الإنسان. في ثلاث ورقات امتدت من 1979 إلى 1997 ، أنشأ هاسلمان إطارًا للقيام بذلك ، طريقة لمقارنة النماذج المناخية والملاحظات من أجل تقييم ما إذا كانت النماذج تلتقط بأمانة آثار التباين الطبيعي.
في إطاره ، ابتكر تقنيات “الكشف الأمثل” لتحديد إشارات الاحترار الذي يسببه الإنسان. وأوضح أن أفضل طريقة للكشف عن مثل هذه الإشارات ، على سبيل المثال ، ليس في أجزاء البيانات المناخية حيث تكون أقوى ، ولكن حيث تكون الضوضاء أضعف.
وصفت مقالة حديثة حول تاريخ علم المناخ إحدى أوراق هاسلمان للكشف الأمثل بأنها “أول جهد جاد لتوفير إطار إحصائي سليم لتحديد إشارة الاحترار التي يسببها الإنسان”. يواصل المؤلفون كتابة أنه “بدلاً من البحث عن إبرة في ركن صغير من كومة قش كبيرة (ثم الشروع في البحث في الزاوية الصغيرة التالية) ، دعا هاسلمان إلى استراتيجية أكثر فاعلية – البحث في كومة قش بأكملها في وقت واحد” عن إشارات ذات الخصائص الفريدة ، أو “بصمات الأصابع” ، التي تظهر أنها ليست ناشئة عن الضوضاء.
نمت بصمات الاحترار الذي يسببه الإنسان بشكل أكثر وضوحًا مع مرور العقود ، مما أدى إلى إجماع متزايد بين باحثي المناخ. في وقت سابق من هذا العام ، خلص الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ إلى أنه “من الواضح أن التأثير البشري أدى إلى تدفئة الغلاف الجوي والمحيطات والأرض”.
ما هو زجاج الدوران؟
بينما كان باحثون مثل مانابي وهاسلمان يتصارعون مع المناخ ، كانت ملهمة جورجيو باريزي منذ أواخر السبعينيات فصاعدًا عبارة عن نظام فيزيائي يسمى زجاج الدوران. هذه مادة تحتوي على جزيئات مغناطيسية – ذرات الحديد ، على سبيل المثال – والتي يمكنك التفكير فيها على أنها مغناطيس شريطي صغير يشير إما لأعلى أو لأسفل. في العمل الذي كان له صدى قوي مع رؤى هاسلمان حول الطقس والمناخ ، درس باريزي كيف أثر التقليب ذهابًا وإيابًا للدوران على الديناميكيات البطيئة للدوران الزجاجي ككل.
أسرت النظارات الدوارة علماء فيزيائيين مثل باريزي بسبب ظاهرة تُعرف باسم “الإحباط”. تخيل كوبًا بسيطًا تدور حوله ثلاث لفات في زوايا المثلث. تفضل الدورات المجاورة أن تشير في اتجاهين متعاكسين. لكن الدورات الثلاث ، عندما تنقلب ذهابًا وإيابًا في محاولة للوصول إلى تكوين مستقر ، لا يمكنها جميعًا تلبية هذا القيد في وقت واحد ؛ النظام هو ما يسميه علماء الفيزياء “بالإحباط”.
الإحباط يعني أن نظارات الدوران يجب أن تتنازل ؛ يسعون إلى التكوين الأقل سوءًا. ووفقًا للجنة نوبل ، فإن دراسات باريزي حول كيفية حدوث ذلك في نظارات الدوران كانت “عميقة جدًا” ، “لدرجة أنها لم تؤثر فقط على الفيزياء ، ولكن أيضًا في الرياضيات وعلم الأحياء وعلم الأعصاب والتعلم الآلي ، لأن كل هذه المجالات تتضمن مشكلات مباشرة المتعلقة بالإحباط “.
المصدر كوانتا