Обвиняется человек. Нобелевскую премию по физике присудили за исследования климатических изменений и законов хаоса

В этом году Нобелевский комитет присудил самую престижную премию в области физики троим исследователям, чьи работы помогли человечеству понять, почему меняется климат, и как на это влияет человек. Кроме того, эти ученые определили законы поведения сложных систем.

Половину премии разделят между собой Сюкуро Манабэ (США) и Клаус Хассельман (Германия), которые исследовали климатическую систему Земли. А другая половина достанется Джорджо Паризи (Италия) — он изучал закономерности поведения атомов в некоторых металлических сплавах, которые оказались актуальными и для других сложных систем. В частности, того же климата.

Климат раздора 

Вопрос, действительно ли климат меняется, не вызывает сомнений даже у тех, кто далек от науки — просто потому, что процесс сложно не увидеть собственными глазами. Речь идет про аномально жаркие лета, бесснежные и теплые зимы, длительные периоды засухи, или же наоборот, чрезмерные осадки.

Но вопрос о причине этих изменений до сих пор вызывает немало споров. Кто-то убежден, что решающим фактором является деятельность человека — в первую очередь, связанная со сжиганием угля, нефти и газа. В то же время другие настаивают: даже если человек и способен влиять на климат планеты, то точно не играет в этом главной роли.

Аргументы этих людей следующие: климат Земли менялся и раньше, когда человечество точно не могло на него влиять (с этим утверждением сложно не согласиться). Или же они считают, что деятельность вулканов куда больше влияет на атмосферу и, соответственно, климат, чем выбросы заводов, транспорта и животноводческих ферм (а это уже ложное представление). Вместе с тем среди ученых, исследующих климат, давно существует консенсус: именно деятельность человека — главная причина изменений.

Парниковый эффект 

Но чтобы понять это, наука прошла долгий путь. В первой половине XIX века французский физик Жозеф Фурье впервые понял решающую роль атмосферы в формировании климата Земли.

Планета получает тепло вместе с солнечными лучами. Они отражаются от ее поверхности и в виде невидимых инфракрасных лучей возвращаются обратно в космос. Если бы не было атмосферы, средняя температура поверхности Земли составляла бы около 18°C ниже нуля — не многим лучше с точки зрения живых организмов, чем на Марсе.

Но атмосфера отражает часть лучей обратно к земной поверхности и нагревается сама. Позже это явление получило название «парникового эффекта» — именно благодаря ему на нашей планете все еще существует пригодный для нормальной жизни климат.

Чтобы лучше понять его роль, стоит взглянуть на Луну, расположенную сравнительно недалеко от нас. Здесь нет парникового эффекта, потому что нет атмосферы вообще. Температура прыгает в диапазоне более трехсот градусов — от слишком низкой для любых форм жизни до слишком высокой для всех, кроме разве что «экстремальных» бактерий.

Противоположный пример — Венера. Здесь парниковый эффект слишком сильный, поэтому температура у ее поверхности превышает 400°C. По этому показателю она опередила даже Меркурий, расположенный ближе к Солнцу, но почти лишенный атмосферы.

«Незаметный» газ 

Следующий важный шаг в понимании климатической системы Земли связан с именем шведского ученого Сванте Аррениуса. Он понял, что ключевую роль в парниковом эффекте играет углекислый газ (CO₂) несмотря на то, что его доля в атмосфере составляет всего лишь около 0,04%.

Он пришел к выводу: достаточно снизить этот процент вдвое, чтобы на Земле наступил ледниковый период. А если удвоить его, то средняя температура на планете вырастет на 5-6°C, что означает катастрофу для биосферы и человечества. Следующее открытие в понимании климата произошло во второй половине прошлого века. Тогда в распоряжении исследователей появились первые, примитивные по современным меркам компьютеры.

Модель, с которой все началось

Сюкуро Манабэ родился в 1931 году в Японии. Но в 1950-м молодой и перспективный исследователь оставил опустошенную войной родину, чтобы поселиться в США. Так же как и его предшественник Аррениус, он стремился выяснить, как изменение концентрации углекислого газа повлияет на температуру приземной атмосферы. Построенная им модель учитывала не только излучение, которое Земля получает от Солнца и которое затем задерживает атмосфера благодаря парниковому эффекту, но и другие атмосферные процессы. В частности, вертикальное «перемешивания» слоев атмосферы, благодаря которым более легкие теплые массы перемещаются вверх, тогда как тяжелые холодные — вниз.

По его расчетам выходило, что если доля CO₂ в атмосфере снизится вдвое, то температура на планете упадет примерно на 2,3°C. И примерно на столько же вырастет, если процент углекислого газа удвоится. Стоит напомнить, что по условиям Парижского соглашения, рост температуры на планете даже на два градуса недопустим. Поэтому 2,3°C — это угрожающая цифра, пренебрегать которой точно не стоит.

Его модель была простой по сравнению с теми, которые есть в распоряжении ученых сегодня. Но она открыла путь к дальнейшим исследованиям и гораздо более точным моделям климата.

Послание Нобелевского комитета? 

Немецкий исследователь Клаус Хассельман также моделировал климатические процессы. Среди прочего, он нашел метод, который позволяет выяснить вклад различных факторов в состояние климатической системы. Ведь на него влияют и солнечная активность, и вулканы, и различные аспекты человеческой деятельности. И именно его работы приводят к выводу: выбросы в атмосферу углекислого газа в результате человеческой деятельности — главная причина изменения климата.

Стоит напомнить, что в августе этого года свой очередной доклад обнародовала авторитетная научная организация по вопросам изменений климата — IPCC (Межправительственная группа экспертов по изменению климата). Если в предыдущих докладах она осторожно говорила о главной роли человечества в климатических изменениях, то теперь настаивает: в этом нет никаких сомнений. Таким образом, в течение всего лишь нескольких месяцев человечество получило два мощных сигнала о том, что сомнения и споры давно должны уступить место действиям.

Законы беспорядка 

Джорджо Паризи исследовал закономерности, объясняющие поведение сложных систем. Что это и как они себя ведут? Представим себе газ, который постепенно охлаждается. Сначала он превратится в жидкость, а затем, если продолжать его охлаждать, мы получим твердое вещество. Обычно, оно имеет кристаллическое строение, то есть, его атомы расположены в определенном правильном порядке.

Но если охлаждение происходит очень быстро, атомы в твердом веществе расположатся хаотично. Если с тем же веществом повторить эксперимент с точно такими же условиями, атомы тоже застынут в беспорядке, но он будет совсем другим. Как это можно объяснить и обосновать с научной точки зрения?

Ответ на этот вопрос и искал Джорджо Паризи, хотя за отправную точку он взял не аморфные вещества из предыдущего примера, а так называемое спиновое стекло — магнитные сплавы, в которых, например, атомы железа случайным образом расположены в кристаллах меди. Заслуга Паризи в том, что он нашел математический аппарат, объясняющий свойства таких сплавов и других сложных систем, в том числе, климатических.

Возвращение на Землю 

В прошлом году Нобелевский комитет присудил премию по физике троим ученым за исследования, связанные с черными дырами. Половина премии досталась 89-летнему британскому математику и физику Роджер Пенроузу. А вторую между собой поделили 68-летний Райнхард Генцель из Германии и 55-летняя Андреа Гез из США.

В 2019 году премию по физике также получили три исследователя. Половину — Джон Пиблз из США. Его работы позволили понять, что наша Вселенная на 95% состоит из темной материи и темной энергии и только на 5% — из обычной материи, из которой состоим и мы сами.

Другую половину премии разделили Мишель Майор и Дидье Кело, которые в середине 1990-х годов открыли первую экзопланету — 51 Пегаса b, о чем мы рассказывали ранее.

Две премии в одни руки 

Нынешняя Нобелевская премия по физике стала 115-й в истории. До этого года ее получили 215 исследователей. При этом американский ученый Джон Бардин получил ее дважды — в 1956-м и 1972-м годах. Мария Кюри также получила Нобелевскую премию дважды, но в разных номинациях — по физике и химии.

Самый пожилой и самый молодой лауреаты

Самым молодым лауреатом премии по физике стал Уильям Лоренс Брэгг: ему было 25 лет, когда в 1915 году он вместе со своим отцом, Уильямом Генри Брэггом, получил ее «за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей».

Старейшим лауреатом стал Артур Эшкин. В 2018-м он получил премию «за разработку лазерного пинцета и использование его в биологических системах». Тогда ему было 96 лет.

Четыре женщины за столетие

Женщины четыре раза в истории награждались Нобелевской премией по физике. Мария Кюри в 1903-м получила премию «за выдающиеся заслуги в совместных исследованиях явлений радиации». Марию Гёпперт-Майер наградили в 1963 году «за открытия, касающиеся оболочечной структуры ядра». В 2018 году премии удостоилась Донна Стрикленд «за разработку методов генерации высокоэффективных ультракоротких оптических импульсов». А в прошлом году она досталась Андреа Гез, благодаря исследованиям которой мы узнали, что в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра.