人類が引き起こした気候変動の原因と兆候、および複雑なシステムの傘下に押し込まれた無秩序な物理システムに関する先駆的なモデリング作業が、今年のノーベル物理学賞を受賞しました。賞金の半分は、プリンストン大学の真鍋淑郎氏とマックス プランク気象研究所 (MPI-M) のクラウス ハッセルマン氏に贈られます。これは、天候の変動性にもかかわらず、炭素上昇の温暖化効果についてコンピューター モデルが具体的な予測を行う方法を示した功績によります。二酸化物 (CO2 ) 地球の大気中 — そして原因として人間の活動を指します.
賞の残りの半分は、ローマのサピエンツァ大学の Giorgio Parisi に贈られ、特定の磁性合金における無秩序な原子の挙動を理解する方法を開発しました。材料の挙動には大きなばらつきがあるにもかかわらず、Parisi は、根底にあるパターンを特定することが可能であることを示しました。彼の研究は数学、生物学、神経科学、機械学習に影響を与えており、何千ものムクドリのつぶやきがどのように協調して動いているように見えるかを説明するのにも役立ちます.
ストックホルム大学の物理学者でノーベル物理学委員会の委員長であるトールス・ハンス・ハンソン氏は、今朝の発表で、気候科学に焦点を当てることは「まだメッセージを受け取っていない世界の指導者」へのメッセージとして意図されていたと述べた。 「私たちが言いたいのは、気候のモデリングは物理理論とよく知られた物理学にしっかりと基づいているということです。」
真鍋とハッセルマンの受賞は気候科学者を喜ばせた。 「気候が物理学の一部であるという認識は素晴らしいことです。それはずっと前に行われるべきでした」とソルボンヌ大学のフランス CNRS の気候科学者である Sandrine Bony は言います。 MPI-M の気候科学者である Bjorn Stevens は次のように述べています。第二に、彼らはまさに完璧な候補者を選びました。」
科学者たちは、地球が地表に当たる太陽光線によって暖められ、赤外線を宇宙に放射する大気によって冷やされ、2 つの効果のバランスによって温度が設定されることを長い間理解していました。大気中の CO2 その赤外線の一部を吸収するため、冷却の効率が低下し、バランスが崩れて地球の気温が上昇します。早くも 1890 年代に、スウェーデンの物理学者スヴァンテ アレニウスは、上昇する CO2 の温暖化効果を予測しようとしました。 .しかし、初期の試みは、大気のある層から次の層へのエネルギー移動が純粋に放射線によって起こると仮定していたため、単純すぎました.
第二次世界大戦後、プリンストン大学の地球物理流体力学研究所で働くために日本を離れた真鍋は、物理学の重要な要素である対流を問題に取り入れました。学童なら誰でも知っているように、大気中では熱い空気が上に上がり、冷たい空気が下に流れ、その流れによってエネルギーも運ばれます。真鍋氏は、この現象を説明しないと大気を理解できないことを知っていた、とスティーブンスは言う。 「それは天才的な一撃でした。」
1967 年の記念碑的な研究で、真鍋は大気の複雑さを 40 キロメートルの高さの空気柱の単純な 1D モデルにまで減らしましたが、当時の初歩的なコンピューターでは数百時間の実行時間が必要でした。モデルは、CO2 、わずか数百万分の1（ppm）のレベルで、気候に大きな影響を与えました. CO2なら レベルが現在のレベル (当時の約 300 ppm) から 2 倍になり、600 ppm になると、地球の気温は 2.3℃ 上昇します。
1975 年、真鍋は大気と海洋を結び付けた最初の 3D 気候モデルを発表しました。海は熱とCO2を吸収します 大気から何世紀にもわたって保存することができるため、交換は気候の長期モデリングにとって重要です。真鍋さんがモデルを使って同じ CO2 を実行したとき 2 倍の実験で、彼は 2.93℃ の温度上昇を発見しました。これは、今日の高性能コンピューター モデルによって与えられた答えと非常によく似ています。 「それは本当に素晴らしいことです」とボニーは言います。 「これは、気候がどのように機能するかを物理的に理解することの力を本当に示しています。」
ハッセルマンは、気候変動が現実のものであり、人間の活動がそれを引き起こしていることを観察から証明するための基礎を築きました。気候変動の激しい傾向と、天候や季節の急速で劇的な変化とを区別する必要があるため、これは簡単な作業ではありません。統計物理学の教科書から借用して、ハッセルマンは偶然が組み込まれた気候モデルを開発し、急速に変化する気象パターンをノイズとして扱いました。 1979 年、ハッセルマンはそのモデルを使用して、地球温暖化の人間の指紋を特定した最初の人物の 1 人であり、火山の排出などの自然な気候要因を急速に増加する人間の気候要因 (化石燃料の燃焼による温室効果ガス) から分離しました。
そのフィンガープリントは複雑で多面的ですが、いくつかのはっきりとした特徴があるとスティーブンスは言います。たとえば、CO2 の蓄積による温暖化 成層圏 (高度約 10 キロメートルから 50 キロメートルの大気の層) を冷却し、下部対流圏を暖める必要があります。 「太陽からの [加熱] から、あなたはそれを期待していません」とスティーブンスは言います。
パリシの作品は、ガラスのような無秩序な固体材料の特性を支配する隠された規則を探し求めました。彼はもともと、鉄原子が銅原子のグリッドにランダムに散らばっている「スピングラス」として知られるエキゾチックな磁性材料に焦点を当てていました。鉄原子のスピンは小さな磁石のように機能し、通常の鉄ではすべての原子が同じ方向を指し、材料の挙動を支配する単一の、簡単に特定できる最低エネルギーの「基底」状態を生み出します。ただし、スピングラスでは、隣接するスピンが反対方向を向く必要がありますが、周囲の銅原子の配置により、すべてのスピンが反対方向を向くわけではありません。このような「フラストレーション」は、物質がさまざまな、しかし事実上同等の低エネルギー状態を膨大に持っていることを意味し、その挙動を予測することを困難にしています。
パリシは、そのような系とその無数の低エネルギー状態のランドスケープに対処するための新しい理論的パラダイムを開発しましたが、奇妙なことに、それらをスピンごとに1つずつ、膨大な数の次元を持つ抽象的な空間を占めていると考えることによって、と統計物理学者のレンカ・ズデボロバは述べていますローザンヌのスイス連邦工科大学で。その空間では、さまざまな低エネルギー状態が樹木のような構造を形成しており、Parisi は枝の統計分析によってスピングラスの挙動を予測できることを示したと彼女は言います。これは役に立たない抽象化の練習のように聞こえるかもしれませんが、これらの数学的ツールは、鳥の群れからコンピューター サイエンスに至るまで、さまざまな分野で不可欠であることが証明されていると Zdeborová は述べています。 「彼は本当に、コミュニティ全体がフォローアップし、彼が思いついた理論の力を解き放つ科学者の 1 人です」と彼女は言います。 「彼は [賞] に値する。」
真鍋氏の気候モデリングとパリシ氏の固体の原子挙動に関する研究の一見異なる 2 つの世界は、ハッセルマン氏の研究を通じてつながりを共有していると、ノーベル物理学委員会のメンバーであるジョン ウェットラウファー氏は述べています。 「変動性を理解しない限り、予測可能性を理解することはできません」と彼は賞を発表する記者会見で述べました。
そして、スピングラスの専門家は、気候科学者とひとくくりにされても問題ないようです。賞委員会から電話で連絡を受けたパリシ氏は、イギリスのグラスゴーで開催される 11 月の気候サミットで、各国に地球温暖化に対して行動を起こすよう促しました。 /P>
