Arbeiten an komplexen Systemen, einschließlich des Erdklimas, gewinnen den Physik-Nobelpreis

Das Klima der Erde ist ein sehr komplexes System im großen Stil. Auf mikroskopischer Ebene ist dies auch die komplizierte Physik von Atomen und Molekülen in Materialien. Der Nobelpreis für Physik 2021 vereint die Arbeit von drei Wissenschaftlern, die solch komplizierte physikalische Systeme beleuchtet haben, indem sie sich grundlegende physikalische Werkzeuge zunutze machten.

Die Hälfte des Preises geht an die Klimawissenschaftler Syukuro Manabe von der Princeton University und Klaus Hasselmann vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg für ihre Arbeiten zu Simulationen des Erdklimas und Vorhersagen der globalen Erwärmung, gab die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften im Oktober bekannt 5. Die andere Hälfte des 10 Millionen schwedischen Kronen (über 1,1 Millionen US-Dollar) Preis geht an den Physiker Giorgio Parisi von der Universität Sapienza in Rom, der sich mit dem Verständnis der aufgewühlten Fluktuationen in ungeordneten Materialien beschäftigt hat.

Alle drei Forscher verwendeten eine ähnliche Strategie, um einen bestimmten Teil eines komplexen Systems in einem Modell zu isolieren, einer mathematischen Darstellung von etwas, das in der Natur gefunden wurde. Durch das Studium dieses Modells und die anschließende Integration dieses Verständnisses in kompliziertere Beschreibungen machten die Forscher Fortschritte beim Verständnis ansonsten verwirrender Systeme, sagt der Physiker Brad Marston von der Brown University. „Es ist eine Kunst, ein Modell zu konstruieren, das reich genug ist, um interessante und vielleicht überraschende Ergebnisse zu liefern, aber einfach genug, um es zu verstehen.“

Der Preis, normalerweise eine unpolitische Angelegenheit, sendet eine Botschaft an die Staats- und Regierungschefs der Welt: „Der Begriff der globalen Erwärmung beruht auf solider Wissenschaft“, sagte Göran Hansson, Generalsekretär der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften, bei der Bekanntgabe der Preisträger . Der Ausstoß von Treibhausgasen durch den Menschen, einschließlich Kohlendioxid, hat die Durchschnittstemperatur der Erde seit der vorindustriellen Zeit um mehr als 1 Grad Celsius erhöht. Diese Erwärmung betrifft jede Region der Erde und verschärft extreme Wetterereignisse wie Hitzewellen, Waldbrände und Dürre (SN: 09.08.21).

Syukuro Manabe von der Princeton University (links) und Klaus Hasselmann vom Max-Planck-Institut für Meteorologie (rechts) arbeiteten an frühen Simulationen des Erdklimas und legten damit den Grundstein für die heutigen detaillierteren Klimamodelle, mit denen die möglichen Auswirkungen der globalen Erwärmung bewältigt werden können .Von links: Bengt Nyman/Wikimedia Commons (CC BY 2.0); Süddeutsche Zeitung Foto/Alamy Stock Foto

Manabes Arbeit legte den Grundstein für die Klimamodellierung, sagte John Wettlaufer von der Yale University, Mitglied des Nobelkomitees für Physik. „Er hat wirklich die Modelle konstruiert, aus denen alle zukünftigen Klimamodelle gebaut wurden“, erklärte Wettlaufer in einem Interview nach der Preisverkündung. „Dieses Gerüst ist essentiell für die Verbesserung der Klimavorhersagen.“

Manabe untersuchte, wie steigende Kohlendioxidwerte die Temperaturen auf der Erde verändern würden. EIN vereinfachtes Klimamodell aus einem 1967 von Manabe mitverfassten Papier simulierte eine einzelne Säule der Atmosphäre, in der Luftmassen beim Erwärmen und Abkühlen auf- und absteigen, was zeigte, dass eine Verdoppelung der Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre die Temperatur um über 2 °C erhöhte könnten dann in komplexere Modelle integriert werden, die beispielsweise die gesamte Atmosphäre simulierten oder die Auswirkungen der Ozeane einbeziehen (SN: 30.05.70).

“Ich hätte nie gedacht, dass dieses Ding, das ich zu studieren beginnen würde, so große Konsequenzen hat”, sagte Manabe auf einer Pressekonferenz in Princeton. “Ich habe es nur aus Neugier getan.”

Hasselmann hat die Entwicklung des Erdklimas untersucht und dabei die Vielfalt der Zeitskalen berücksichtigt, über die verschiedene Prozesse ablaufen. Die Zufälligkeit des täglichen Wetters steht im Gegensatz zu jahreszeitlichen Schwankungen und viel langsameren Prozessen wie der allmählichen Erwärmung der Ozeane der Erde. Hasslemans Arbeit half zu zeigen, wie der kurzfristige Jitter in Modelle integriert werden könnte, um den langfristigen Klimawandel zu verstehen.

Foto von Giorgio Parisi
Giorgio Parisi von der Universität Sapienza in Rom ist bekannt für seine Arbeiten zur Physik ungeordneter Materialien wie Spingläser, in denen sich verschiedene Atome nicht darauf einigen können, in welche Richtung sie ihre Spins richten sollen. Lorenza Parisi / Wikimedia Commons

Der Preis bestätigt das Klimaverständnis der Wissenschaftler, sagt Michael Moloney, CEO des American Institute of Physics in College Park, Maryland. „Die Klimamodelle, auf die wir angewiesen sind, um die Auswirkungen der Klimakrise zu verstehen, sind weltweit. Klasse Wissenschaft da oben mit all den anderen großartigen Entdeckungen, die anerkannt werden [by] Nobelpreise vergangener Jahre.“

Illustration von Eisenatomen, die in einem Gitter aus Kupferatomen durchsetzt sind, mit Pfeilen, die den Spin anzeigen, der in verschiedene Richtungen zeigt
In einem hier dargestellten Spinglas haben Eisenatome (rot) innerhalb eines Gitters aus Kupferatomen (blau) Spins (schwarze Pfeile), die sich nicht auf eine Richtung einigen können.C. Chang

Ähnlich wie die Wettermuster auf der Erde kann die innere Welt der Atome in Materialien komplex und ungeordnet sein. Parisis Arbeit zielte darauf ab, die Prozesse in ungeordneten Systemen zu verstehen, wie etwa einer Materialart namens Spinglas (SN: 18.10.02). In Spingläsern verhalten sich Atome aufgrund einer Quanteneigenschaft namens Spin wie kleine Magnete. Aber die Atome können sich nicht einigen, in welche Richtung sie ihre Magnete richten sollen, was zu einer ungeordneten Anordnung führt.

Das ist ähnlich wie bei bekannteren Glasarten – einem Material, in dem Atome keine geordnete Anordnung erreichen. Parisi hat eine mathematische Beschreibung für solche Spinngläser entwickelt. Seine Arbeit berührt auch eine Vielzahl anderer komplexer Themen, von Turbulenzen bis hin zu Schwärmemustern, die die Bewegungen von Tieren wie Staren beschreiben (SN: 31.07.14).

Obwohl sich seine Arbeit nicht direkt auf das Klima konzentriert, kommentierte Parisi in einem Interview während der Nobelpreisverkündigung diese Hälfte des Preises: “Es ist klar, dass wir für die zukünftige Generation jetzt sehr schnell handeln müssen.”

Carolyn Gramling hat dazu beigetragen, diese Geschichte zu berichten.


Source: Science News by www.sciencenews.org.

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