Hoćemo li ikad spoznati koliko je fizike u samo jednoj kapljici kiše. Ponašanje neuređenih sustava

Pouzdane vremenske prognoze nemoguće je napraviti već za desetak dana unaprijed, piše Sarah Ivušić u članku u kojem opisuje kaotičnu prirodu vremena i predstavlja ovogodišnje dobitnike Nobelove nagrade za fiziku. Kako, unatoč tome, napraviti pouzdane klimatske projekcije za budućih nekoliko desetljeća ili stotina godina?

•  Sarah Ivušić, mag. phys. – geophys, doktorandica na Državnom hidrometeorološkom zavodu

Švedska kraljevska akademija znanosti objavila je 5. listopada dodjelu Nobelove nagrade za fiziku u 2021. godini znanstvenicima koji su dali “revolucionarni doprinos razumijevanju složenih sustava” čije se ponašanje najčešće opisuje kao slučajno i neuređeno. Američko-japanski znanstvenik Syukuro Manabe i Nijemac Klaus Hasselmann dobili su nagradu “za fizikalno modeliranje klime na Zemlji, određivanje varijabilnosti i pouzdane projekcije globalnog zagrijavanja”, a Talijan Giorgio Parisi “za otkriće odnosa između neuređenosti i fluktuacija u fizikalnim sustavima od atomskih do planetarnih razmjera”. Syukoro Manabe, 90, sa Sveučilišta u Princetonu, na jednostavnom klimatskom modelu među prvima pokazuje kako uslijed povećanja količine ugljičnog dioksida u atmosferi dolazi do porasta temperature na površini Zemlje, također svojim radom postavlja temelje za razvoj sadašnjih klimatskih modela. Klaus Hasselmann, 89, jedan od osnivača Max Planck instituta za meteorologiju, utvrđuje pouzdanost klimatskih projekcija razvojem modela koji povezuje promjenjivo i kaotično vrijeme s klimom te dokazuje da je porast temperature u atmosferi posljedica porasta emisije ugljičnog dioksida uslijed ljudskih aktivnosti. Giorgio Parisi, 73, sa Sveučilišta Sapienza u Rimu, otkriva skrivene obrasce ponašanja u neuređenim složenim materijalima, a svojim otkrićima postavlja temelje teoriji složenih sustava koja ima primjenu ne samo u fizici već u područjima poput matematike, biologije, neuroznanosti i strojnog učenja.

Poveznica između istraživanja trojice dobitnika je nastojanje da se opišu najmanja i temeljna svojstva prirode kako bi se objasnili veliki i složeni fenomeni. Ključnu ulogu ovdje igraju fluktuacije za koje je profesor John Wettlaufer, član povjerenstva za dodjelu Nobelove nagrade u fizici, izjavio da su “ključ prediktabilnosti” složenih sustava te nadalje komentira da “kako bi razumjeli prediktabilnost nužno je razumijevanje varijabilnosti”. Komisija za dodjelu Nobelove nagrade na ovaj način odala je priznanje znanstvenicima koji su posvetili svoj rad objašnjenju složenih sustava i predviđanju njihovog dugoročnog ponašanja. Svakako jedan od nezamjenjivih sustava za čovječanstvo je Zemljin klimatski sustav sa svim svojim komponentama (atmosfera, hidrosfera, kriosfera, tlo i biosfera).

Prvi put u povijesti Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je znanstvenicima iz područja geofizike, točnije meteorologije i oceanografije, što je iznenađenje i čast za struku, ali i za samog dobitnika Manabea koji je, u intervjuu neposredno nakon objave nagrade, izjavio: “Pa ja sam samo klimatolog”.

Meteorolog i kemičar Paul Crutzen, koji je umro početkom ove godine, dobitnik je Nobelove nagrade za kemiju za 1995. godinu za istraživanje formiranja i razgradnje ozona u atmosferi. Nobelova nagrada za mir za 2007. godinu dodijeljena je Međuvladinom panelu za klimatske promjene (IPCC) i bivšem potpredsjedniku SAD-a, Al Goreu, za njihove napore u borbi s klimatskom krizom. Prvi put u povijesti Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je znanstvenicima iz područja geofizike, točnije meteorologije i oceanografije, što predstavlja iznenađenje i čast za struku, ali i za samog dobitnika Manabea koji je, u intervjuu neposredno nakon objave nagrade, izjavio: “Pa ja sam samo klimatolog”. Na pitanje novinara da li s ovom nagradom šalju poruku svjetskim vođama o ozbiljnosti klimatske krize, članovi komisije jasno odgovaraju da je modeliranje klime i klimatskih promjena, uključujući i globalno zatopljenje, čvrsto utemeljeno na zakonima fizike. Činjenica je da je nagrada dodijeljena samo nekoliko mjeseci nakon objave dosad najalarmantnijeg 6. IPCC izvještaja o stanju klime i klimatskih promjena, njihovih uzroka i mogućih načina ublažavanja i prilagodbe, a koje je utemeljeno na preko 14 tisuća znanstvenih radova. Također, nekoliko tjedana nas dijeli od 26. konferencije Ujedinjenih naroda o klimatskim promjenama (COP26) u Glasgowu na kojoj se sastaju svjetski vođe s ciljem jačanja globalnog odgovora na klimatsku krizu. Parisi potvrđuje pravovremenost dodjele nagrade u razgovoru s novinarima neposredno nakon objave, uz izjavu “jasno je da za buduće generacije moramo djelovati sada i to na brz način”.

Prije predstavljanja temelja koje su Manabe i Hasselmann postavili u istraživanju klime, klimatskih promjena i njihovog modeliranja, korisno je podsjetiti na efekt staklenika koji je nužan za život na Zemlji. Sunčevo kratkovalno zračenje dolazi na površinu Zemlje koja to zračenje apsorbira te zrači natrag u svemir. Zemljino zračenje je dugovalno, infracrveno zračenje. Kada ne bi postojala atmosfera, temperatura na površini Zemlje bi iznosila oko -18°C. Upravo zahvaljujući atmosferi, odnosno stakleničkim plinovima koji apsorbiraju Zemljino zračenje te ga emitiraju natrag prema tlu, površinska temperatura iznosi oko 15°C. Glavni staklenički plinovi su vodena para, ugljični dioksid i metan koji zapravo čine mali postotak u cjelokupnom volumenu atmosfere no uslijed porasta njihovih koncentracija temperatura atmosfere raste. Vodena para je najmoćniji staklenički plin, ali njenu količinu je nemoguće kontrolirati upravo zbog složenog hidrološkog ciklusa. Za svaki stupanj porasta temperature atmosfera može primiti oko 7% više vodene pare, a više vodene pare u atmosferi će pojačati efekt staklenika, odnosno temperatura atmosfere će porasti. Ovo se naziva uzajamno povratni proces vodene pare.

Slika 1: Shema Manabeovog klimatskog modela

Za razliku od vodene pare, količinu ugljičnog dioksida moguće je kontrolirati. Poznavajući teoriju efekta staklenika, švedski kemičar i nobelovac Svante Arrhenius krajem 19. stoljeća na temelju bilance zračenja zaključuje da ako se razina ugljičnog dioksida u atmosferi prepolovi na Zemlji će započeti novo ledeno doba, a ako se razina ugljičnog dioksida udvostruči temperatura će porasti za 5-6°C. Sedamdeset godina kasnije, Syukuro Manabe, također nastoji odgovoriti na pitanje kako porast razine ugljičnog dioksida uzrokuje porast temperature. Godine 1967. Manabe radi na razvoju fizikalnog modela koji će uključivati vertikalni transport zračnih masa uslijed konvekcije kao i latentnu toplinu vodene pare (slika 1). Topli zrak lakši je od hladnog stoga se konvekcijom podiže noseći sa sobom vodenu paru. Što je zrak topliji on može primiti veće koncentracije vodene pare i obratno. Na višim nadmorskim visinama okolna atmosfera je hladnija te dolazi do kondenzacije vodene pare i otpuštanja latentne topline. Kako bi račun bio moguć model je ograničen na jednu dimenziju tj. vertikalni stupac koji se proteže 40 km u visinu. Računaju se godišnji srednjaci temperature za pojedine geografske širine uz pretpostavku profila apsolutne vlažnosti zraka i koncentracije stakleničkih plinova.

Unatoč pojednostavljenjima, testovi osjetljivosti na razine atmosferskih plinova su trajali stotinama računalnih sati. Kisik i dušik su imali zanemariv utjecaj na površinsku temperaturu, dok je utjecaj ugljičnog dioksida bio očigledan; za dvostruko veću količinu ugljičnog dioksida površinska temperatura će porasti za 2,3°C. Ovaj jednostavni model potvrđuje da do zagrijavanja doista dolazi zbog povećanja ugljičnog dioksida, jer predviđa porast temperatura bliže tlu, dok se gornja atmosfera hladi (slika 2). Ako bi promjene u sunčevom zračenju bile odgovorne za porast temperature taj porast bi se odrazio u cijelom stupcu atmosfere ne samo pri tlu. Do 1975. Manabe i suradnici znatno unaprjeđuju svoj model rješavajući potpune jednadžbe za toplinu, masu, količinu gibanja i zračenje na globalnoj skali, što predstavlja njihov prvi globalni klimatski model. Proračuni su napravljeni na računalu s oko samo 0,5 MB RAM memorije koje je zauzimalo cijelu prostoriju. Model ne uključuje prijenos topline oceanskim strujama, pretpostavlja idealiziranu topografiju i nepromjenjivu raspodjelu oblaka među mnogo drugih pretpostavki. Ovim modelom globalna prosječna površinska temperatura raste za 2,93°C kada se udvostruči koncentracija ugljičnog dioksida. Suvremeni globalni klimatski modeli nastali po uzoru na ovaj model daju porast temperature u rasponu od 2,5-4°C dok je Manabe s dva različita modela dobio raspon od 2,3-2,93°C. Ovo je izvanredan rezultat koji sugerira da pouzdanost projekcija neće uvijek nužno porasti s povećanjem složenosti modela.

Slika 2: Vertikalni profil temperature s obzirom na koncentraciju ugljičnog dioksida u atmosferi

Oko deset godina kasnije, 1980. Klaus Hasselmann povezuje vrijeme i klimu tako da brze i kaotične promjene vremena promatra kao brzo promjenjivi šum. Još početkom 19. stoljeća poznati francuski znanstvenik, Pierre-Simon de Laplace, smatra da ako poznajemo položaj i brzinu svih čestica u svemiru možemo izračunati što se dogodilo i što će se dogoditi u svijetu. To je ostvarivo na osnovu determinističkih jednadžbi Newtonovih zakona gibanja koje također opisuju gibanje zraka u atmosferi. Međutim, nemoguće je točno odrediti temperaturu, tlak, vlažnost, smjer i brzinu vjetra za svaku točku u atmosferi. Što u kombinaciji s nelinearnim jednadžbama koje opisuju vrijeme uzrokuje da male promjene u početnim vremenskim uvjetima u konačnici vode do potpuno različitog razvoja vremenskog sustava u budućnosti. Ovo zapravo govori o kaotičnoj prirodi vremena i nemogućnosti pouzdane prognoze za otprilike desetak dana unaprijed. Postavlja se pitanje kako unatoč ovome napraviti pouzdane klimatske projekcije za budućih nekoliko desetljeća ili stotina godina. Dodatna poteškoća je to što fluktuacije koje utječu na klimu mogu biti izrazito promjenjive u vremenu, odnosno mogu biti brze kao promjene vjetra ili temperature zraka ili spore kao topljenje ledenjaka ili zagrijavanje oceana.  Hasselmann, koji se u to vrijeme bavio opažanjima i teorijskim modelima oceanskih struja i valova, inspiriran Brownovim gibanjem i Einsteinovom teorijom istog gibanja, radi na stohastičkom modelu oceana. U ovom modelu šum je predstavljen brzo promjenjivim atmosferskim uvjetima za koje je dokazao da mogu uzrokovati spore varijacije u oceanu. Ovime je dokazao da je moguće donijeti zaključke o dugoročnim klimatskim trendovima koristeći kaotične podatke o vremenu.

Slika 3: Promjene izmjerene i modelirane (bez i s ljudskim utjecajem) srednje površinske temperature u razdoblju od 1900-2000. godine u odnosu na temperaturni srednjak za period od 1901-1950.

Nadalje, Hasselmanna zanima da li klimatski modeli vjerodostojno reproduciraju klimatski signal iz prirodne varijabilnosti što zahtijeva usporedbu rezultata modela s mjerenjima. Otkriva da modeli, uključujući opažanja i teorijska razmatranja, sadrže određene informacije o svojstvima signala i šuma. Informacije poput promjene u sunčevom zračenju, količini vulkanskih čestica ili razini stakleničkih plinova koje ostavljaju jedinstvene signale koji se mogu izdvojiti iz cjelokupnog klimatskog signala. Radi se zapravo o metodi multivarijatne regresije gdje jedna varijabla ovisi o više međusobno nezavisnih varijabli koja je prilagođena otkrivanju klimatskih promjena i pripisivanju tih promjena nekim od prethodno navedenih vanjskih utjecaja. Metodu je također moguće primijeniti i na utjecaj koji ljudi imaju na klimatski sustav, što je Hasselmann učinio (slika 3). Pokazao je tragove ljudskog utjecaja na klimatski sustav, što je kasnije potvrđeno u velikom broju istraživanja koja su koristila neovisna mjerenja.

Pojednostavljenje problema bilo je ključno u prethodno opisanim istraživanjima, jer kako Manabe kaže “ne možemo se natjecati sa složenošću prirode – toliko je fizike uključeno u svaku kapljicu kiše da nikad neće biti moguće uzeti sve u obzir prilikom modeliranja”. Suvremeni klimatski modeli, koji su tijekom vremena sve više usavršavani, jasno pokazuju ubrzavajući učinak efekta staklenika. Od sredine 19. stoljeća, razine ugljičnog dioksida u atmosferi porasle su za 40 %. Zemljina atmosfera nije sadržavala toliko ugljičnog dioksida stotinama tisuća godina. U skladu s tim, mjerenja temperature pokazuju da se svijet zagrijao za 1°C u posljednjih 150 godina. Već se suočavamo s klimatskim promjenama koje će se s vremenom pojačavati u vidu češćih i intenzivnijih toplinskih valova, suša, ekstremne oborine, bujičnih poplava, otapanja ledenjaka itd. “Oko 50 godina upozoravamo na klimatske promjene; samo što ljudi nisu spremni prihvatiti činjenicu da moraju djelovati sada zbog nečega što će se dogoditi za nekoliko godina” rekao je Husselmann u telefonskom razgovoru nakon objave dobitnika. Kako razuvjeriti skeptike u vezi klimatskih promjena, Manabe odgovara da je “taj problem je oko milijun puta teži od razumijevanja klimatskih promjena.” U konačnici, ovogodišnja dodjela Nobelove nagrade za fiziku pokazuje kako je klimatologija cijenjena znanost, a napori klimatologa koji upozoravaju o klimatskim promjenama su prepoznati, ono što preostaje je hitna i konkretna akcija ublažavanja i prilagodbe.

• Radovi koji opisuju istraživanja za koja je dobivena Nobelova nagrada za fiziku u 2021. i ostala spomenuta istraživanja:

Arrhenius A. 1896. On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, Phil. Mag. 41, 237-275.

Frankignoul C, Hasselmann K. 1977. Stochastic climate models, Part II. Application to sea-surface temperature anomalies and thermocline variability. Tellus 29, 289305.

Hasselmann K. 1966. Feynman diagrams and interaction rules of wave-wave scattering processes. Rev. Geophys. 4, 1-32.

Hasselmann K. 1967. Non-linear interactions treated by the methods of theoretical physics (with application to the generation of waves by wind). Proc. R. Soc. A 299, 77-100.

Hasselmann K. 1976. Stochastic climate models part I. Theory. Tellus 28(6), 473-485.

Hasselmann K. 1979. On the Signal-to-Noise Problem in Atmospheric Response Studies. In: Meteorology of Tropical Oceans. Ed. by D.B. Shaw. London: Roy Meteorol Soc., pp. 251 − 259.

Hasselmann K. 1993. Optimal Fingerprints for the Detection of Time-Dependent Climate Change. J. Climate 6, 1957-1971.

Hasselmann K. 1997. Multi-Pattern Fingerprint Method for Detection and Attribution of Climate Change. Clim. Dyn. 13, 601-611.

Hegerl G, Hasselmann K, Cubasch U, Mitchell JFB, Roeckner E, Voss R, Waszkewitz J. 1997. Multifingerprint detection and attribution analysis of greenhouse gas, greenhouse gas-plus-aerosol and solar forced climate change. Clim. Dyn. 13, 613-634.

Lorenz, EN. 1963. Deterministic nonperiodic flow. J. Atmos. Sci. 20, 130–41.

Manabe, S, Möller, F. 1961. On the radiative equilibrium and heat balance of the atmosphere. Mon. Wea. Rev. 89, 503–32.

Manabe, S, Strickler, RF. 1964. Thermal equilibrium of the atmosphere with a convective adjustment J. Atmos. Sci. 21, 361–85.

Manabe, S, Wetherald, RT. 1967. Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity. J. Atmos. Sci. 24, 241–259.

Manabe, S, Wetherald, RT. 1975. The Effects of Doubling the CO2 Concentration on the climate of a General Circulation Model. J. Atmos. Sci. 32, 3–15.

Parisi G. 1979. Toward a Mean Field Theory for Spin Glasses. Phys. Lett. A 73, 203.

Parisi G. 1979. Infinite number of order parameters for spin-glasses Phys. Rev. Lett. 43, 1754.

Parisi G. 1980. Magnetic properties of spin glasses in a new mean field theory. J. Phys. A: Math. Gen. 13, 1887.

Parisi G. 1983. Order parameter for spin-glasses. Phys. Rev. Lett. 50, 1946.