Zapleteno podnebje »ujeli« v modele

To najuglednejšo znanstveno nagrado so prejeli, ker jim je uspelo kompleksen pojav podnebja »ujeti« v modele, ki nam omogočajo razumevanje vremenskih in drugih procesov na našem planetu.

Trije lavreati za fiziko so zaslužni za temelje našega znanja o zemeljskem podnebju in kako človeštvo vpliva nanj, ob tem pa so revolucionirali teorijo neurejenih materialov in naključnih procesov. Konkretneje, Syukuru Manabe in Klaus Hasselmann sta bila izbrana »za fizično modeliranje zemeljskega podnebja, kvantificiranje variabilnosti in zanesljivo napovedovanje globalnega segrevanja«, za drugo polovico nagrade pa je bil izbran Giorgio Parisi »za odkritje medsebojnega delovanja motnje in nihanja fizičnih sistemov od atomske do planetarne lestvice«.

Novica o izboru Nobelovih nagrajencev za fiziko je sovpadla s pripravami na veliki podnebni vrh v Glasgowu na Škotskem in je prispevala k utišanju zanikovalcev človeškega vpliva na podnebne spremembe. Samo delo lavreatov namreč pojasnjuje zelo zapletene in še vedno precej neznane povezave med pojavi, ki so del kompleksnega sistema našega podnebja in tudi vremena, ki je le en majhen del sicer zapletenega podnebja.

»Priznana odkritja kažejo, da naše znanje o podnebju temelji na trdni znanstveni podlagi, ta pa na natančni analizi opazovanj. Vsi trije nagrajenci so prispevali k temu, da tudi sicer bolje razumemo lastnosti in razvoj kompleksnih fizičnih sistemov, ne le podnebja,« je ob razglasitvi nobelovcev za fiziko poudaril Thors Hans Hansson, predsednik Nobelovega odbora za fiziko.

Iskanje poti skozi labirint zapletenih povezav

Kompleksni sistemi, med njimi je najbolj očiten sistem podnebja, so sestavljeni iz številnih različnih, medsebojno delujočih delov. Fiziki so jih preučevali že nekaj stoletij in jih je težko matematično opisati, bodisi zaradi tega, ker imajo ogromno komponent, ki jih mnoge sploh ne poznamo, ali pa jih upravlja naključje. Lahko so tudi kaotični, kot je vreme, kjer majhna odstopanja v začetnih vrednostih povzročijo velike razlike v poznejši fazi. Prav raziskave letošnjih nagrajencev za fiziko so prispevale, da danes tovrstne sisteme in njihov dolgoročni razvoj bolje poznamo.

Podnebje na Zemlji med takimi kompleksnimi sistemi posebej izstopa, saj ga vsi na tak ali drugačen način občutimo, ne vemo pa, kako deluje. Zdaj razpolagamo z nekaj modeli njegovega delovanja, po katerih lahko tudi marsikaj predvidimo, kaj nas čaka v prihodnosti. Manabe in Hasselmann sta prejela Nobelovo nagrado za pionirsko delo prav pri razvoju podnebnih modelov, Parisi pa za teoretične rešitve širokega nabora problemov v teoriji kompleksnih sistemov, s katerimi lahko danes pojasnimo in predvidimo tudi delovanje podnebja.

Japonec Syukuro Manabe je zaslužen za odkritje povezave med množino zloglasnega ogljikovega dioksida v zraku in globalnim segrevanjem. Dokazal je, kako povečane koncentracije ogljikovega dioksida v ozračju vodijo do povišanja temperatur na površini Zemlje. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je vodil razvoj fizičnih modelov zemeljskega podnebja in bil prvi, ki je raziskoval interakcijo med sevalnim ravnovesjem in vertikalnim transportom zračnih mas. Njegovo delo je postavilo temelje za razvoj podnebnih modelov.

Približno deset let pozneje je Klaus Hasselmann v Nemčiji ustvaril model, ki povezuje vreme in podnebje, s čimer je odgovoril na vprašanje, zakaj so podnebni modeli lahko zanesljivi, čeprav je vreme spremenljivo in kaotično. Razvil je tudi metode za prepoznavanje specifičnih signalov, t. i. »prstnih« odtisov, ki jih v podnebju puščajo naravni pojavi in vse bolj tudi naše dejavnosti. Njegove metode so bile uporabljene za dokaz, da je povišana temperatura v ozračju posledica človeških izpustov ogljikovega dioksida.

Okoli leta 1980 je tretji nagrajenec za fiziko, Italijan Giorgio Parisi, odkril skrite vzorce v neurejenih kompleksnih materialih. Njegova odkritja so med najpomembnejšimi prispevki k teoriji kompleksnih sistemov. Omogočajo razumevanje in opis številnih različnih in na videz povsem naključnih kompleksnih materialov in pojavov, ne le v fiziki, ampak tudi na drugih področjih, na primer v matematiki in biologiji. Delo vseh treh znanstvenikov je bilo bistveno za utišanje tistih, ki zanikajo vpliv človekove dejavnosti na tako silen sistem, kot je podnebje.
 

Učinek tople grede je bil izračunan že pred 200 leti

Proučevanje vpliva človeka na podnebje sega daleč v preteklost, v čas, ko je človek začel prve meritve dogajanja v okolju. Tako je že pred dvesto leti francoski fizik Joseph Fourier preučeval energijsko ravnovesje med sončnim sevanjem proti tlom in sevanjem tal. Razumel je vlogo ozračja v tem ravnovesju; na zemeljskem površju se vhodno sončno sevanje pretvori v odhajajoče sevanje – »temno toploto« – ki jo atmosfera absorbira in jo tako segreje.

To varovalno vlogo ozračja so ponazorili z učinkom rastlinjaka in jo poimenovali učinek tople grede. Ta oznaka izvira iz podobnosti učinkovanja steklenih plošč na rastlinjaku, ki prepuščajo žarke sonca, ki grejejo zrak, ta toplota pa se ujame v notranjost rastlinjaka in ga segreva. Sevalni procesi v ozračju so seveda veliko bolj zapleteni, princip, kaj moramo poznati, pa je enak: raziskati ravnotežje med kratkovalovnim sončnim sevanjem, ki prihaja proti našemu planetu, in odhajajočim dolgovalovnim infrardečim sevanjem Zemlje. Podrobnosti k temu, kar je odkril Fourier, so v naslednjih dveh stoletjih dodali številni podnebni znanstveniki.
 

Ugotavljanje vloge ogljikovega dioksida

Učinek tople grede je bistvenega pomena za življenje na Zemlji. Uravnava temperaturo, ker toplogredni plini v ozračju – ogljikov dioksid, metan, vodna para in drugi plini – najprej absorbirajo zemeljsko infrardeče sevanje in nato sprostijo to absorbirano energijo ter segrejejo okoliški zrak in tla pod njim.

Toplogredni plini, čeprav o njih ogromno slišimo, dejansko sestavljajo zelo majhen delež suhe zemeljske atmosfere, ki je večinoma dušik in kisik – teh je 99 prostorninskih odstotkov. Zloglasni ogljikov dioksid sestavlja le 0,04 volumna. In tudi še zdaleč ni najmočnejši toplogredni plin, kot zmotno velja v laični javnosti. Najmočnejši toplogredni plin je namreč vodna para. A težava je v tem, da koncentracije vodne pare v ozračju ne moremo nadzorovati, lahko pa nadzorujemo koncentracije ogljikovega dioksida. 

Količina vodne pare v ozračju je zelo odvisna od temperature in tu veliko vlogo igra mehanizem povratnih informacij. Več ogljikovega dioksida v ozračju povzroči toplejše ozračje, kar omogoča zadrževanje več vodne pare v zraku, to pa nadalje poveča učinek tople grede in še dodatno dvigne temperature. Če se raven ogljikovega dioksida zniža, bo nekaj vodne pare kondenziralo in temperatura bo padla.

Pomemben prvi del odgovora na uganko o vplivu ogljikovega dioksida na segrevanje je sicer že pred več kot sto leti prispeval švedski raziskovalec in nobelovec Svante Arrhenius. Po naključju je prav njegov znanstveni kolega, meteorolog Nils Ekholm, že pred 120 leti prvi uporabil besedo rastlinjak za opis skladiščenja in ponovnega sevanja toplote v ozračju. Arrhenius pa je takrat dojel fizikalni pojav, ki povzroči učinek t. i. tople grede oziroma rastlinjaka – da je izhodno sevanje sorazmerno z absolutno temperaturo sevalnega telesa (T) na četrto potenco (T4).

Bolj ko je vir sevanja vroč, krajša je njegova valovna dolžina žarkov. Sonce ima površinsko temperaturo 6000 °C in oddaja predvsem žarke v vidnem spektru. Zemlja s površinsko temperaturo le 15 °C ponovno seva infrardeče sevanje, ki je za nas nevidno. Če atmosfera ne bi absorbirala tega sevanja, bi površinska temperatura na Zemlji komaj presegla -18 °C.

Arrhenius je pravzaprav poskušal ugotoviti, kaj je povzročilo pojav ledenih dob. Prišel je do zaključka, da če bi se raven ogljikovega dioksida v ozračju prepolovila, bi to zadostovalo, da bi Zemlja vstopila v novo ledeno dobo. In obratno – podvojitev količine ogljikovega dioksida bi dvignila temperaturo za 5–6 °C, kar je presenetljivo blizu današnjim ocenam klimatologov.
 

Pionirski model za učinek ogljikovega dioksida

V petdesetih letih prejšnjega stoletja je bil japonski atmosferski fizik Syukuro Manabe eden od številnih mladih in nadarjenih raziskovalcev v Tokiu, ki so zaradi vojne opustošeno Japonsko zapustili in nadaljevali svojo znanstveno kariero v ZDA. Manabeja je tedaj, podobno kot Arrheniusa približno 70 let prej, zanimalo, kako lahko povečane ravni ogljikovega dioksida v ozračju povzročijo dvig temperature. Medtem ko se je Arrhenius osredotočil na ravnovesje sevanja, je Manabe v šestdesetih letih prejšnjega stoletja vodil delo pri razvoju fizikalnih modelov, ki bi vključevali navpični transport zračnih mas zaradi konvekcije pa tudi latentno toploto vodne pare.

Da bi bili ti izračuni obvladljivi, se je odločil zmanjšati model na eno dimenzijo, in sicer na navpični stolpec, ki sega 40 kilometrov v ozračje. Kljub temu je bilo potrebnih na stotine dragocenih računalniških ur, da so testirali model s spreminjanjem ravni plinov v ozračju. Model je pokazal, da sta kisik in dušik komajda kaj vplivala na temperaturo površine, za ogljikov dioksid pa se je, nasprotno, pokazal zelo jasen vpliv: ko se je njegova raven podvojila, se je globalna temperatura povečala za več kot 2 °C.

Model je potrdil, da je globalno ogrevanje res posledica povečanja ogljikovega dioksida, ker je napovedal naraščajoče temperature bližje tlom, medtem ko se je zgornja atmosfera ohladila. Če bi bil dvig temperature posledica zgolj sprememb v sončnem sevanju, bi se namreč morala celotna atmosfera segrevati hkrati.

Pred šestdesetimi leti so bili računalniki stotisočkrat počasnejši kot zdaj, zato je bil ta model razmeroma preprost, toda Manabeju je omogočil pravilno razkritje ključnih lastnosti. »Vedno moraš problem poenostaviti,« je pojasnjeval Manabe. »S kompleksnostjo narave ne moremo tekmovati, saj je na primer v vsaki dežni kapljici toliko fizike, da nikoli ne bi bilo mogoče izračunati popolnoma vsega.« Uvidi iz poenostavljenega enodimenzionalnega modela so Manabeja vodili do podnebnega modela v treh dimenzijah, ki ga je objavil leta 1975; to je bil še en mejnik na poti do razumevanja podnebnih skrivnosti. 

Vreme, ki nas vsakodnevno zadeva, je le en majhen del silnega in zapletenega sistema podnebja. Ljudje pogosto napačno enačimo vreme s podnebjem. A podnebje je veliko več kot samo vreme. Šele deset let potem, ko je Manabe razvil pionirski podnebni model, je Klausu Hasselmannu uspelo povezati vreme in podnebje tako, da je našel način, kako prelisičiti hitre in kaotične vremenske spremembe, ki so bile tako moteče za izračune. 
 

Kaotično vreme

Naš planet ima razsežne spremembe vremena, ker je sončno sevanje geografsko in časovno neenakomerno porazdeljeno. Zemlja je okrogla, zato manj sončnih žarkov doseže višje zemljepisne širine kot nižje okoli ekvatorja. Poleg tega je treba upoštevati, da je Zemljina os nagnjena, kar povzroča sezonske razlike v dohodnem sevanju. Razlike v gostoti med toplejšim in hladnejšim zrakom povzročajo ogromne prenose toplote med različnimi zemljepisnimi širinami, med oceanom in kopnim, med višjimi in nižjimi zračnimi masami, ki poganjajo vreme na našem planetu.

Kot vsi vemo, je ustvarjanje zanesljivih napovedi o vremenu za več kot naslednjih deset dni velik izziv. Meteorologi pojasnjujejo, da gre pri vremenu za toliko različnih podatkov in zlasti toliko odstopanj, da vseh sprememb kljub silni zmogljivosti računalnikov ni mogoče pravočasno predvideti. Vreme je pač kaotično, kar je v šestdesetih letih prejšnjega stoletja dokazal ameriški meteorolog Edward Lorenz, ki je postavil temelje današnje teorije kaosa.
 

Je dolgoročna vremenska napoved sploh mogoča?

Kako lahko izdelamo zanesljive podnebne modele za nekaj desetletij ali sto let v prihodnost, čeprav je vreme klasičen primer kaotičnega sistema? Okoli leta 1980 je Klaus Hasselmann pokazal, kako lahko kaotično spreminjajoče se vremenske pojave opišemo kot hitro spreminjajoč se »podatkovni šum«, s čimer je dolgoročne podnebne napovedi postavil na trdno znanstveno podlago. Približno takrat je razvil tudi metode za prepoznavanje človekovega vpliva na opazovano globalno temperaturo.

Kot mlad doktorski študent fizike v Hamburgu v Nemčiji je Hasselmann v petdesetih letih prejšnjega stoletja delal na dinamiki fluidov, nato pa začel razvijati opazovanja in teoretične modele za oceanske valove in tokove. Preselil se je v Kalifornijo in nadaljeval raziskovalno delo v oceanografiji ter se tam srečal in začel sodelovati s Charlesom Davidom Keelingom, znanem po najdaljšem nizu meritev atmosferskega ogljikovega dioksida na observatoriju Mauna Loa na Havajih. Keelingova krivulja, ki kaže spremembe v ravneh ogljikovega dioksida, je pozneje postala podlaga Hasselmannovega dela na podnebnih modelih z uporabo podatkov, ki jih opredeljuje šum.

Razvoj takih modelov in interpretiranje podatkov, to je »branje« modela, je izredno zapleteno. Meteorologi in klimatologi ga primerjajo z branjem podatkov iz sledi vašega psa, ko ga sprehajate: pes teče na povodcu naprej in nazaj, od strani do strani in okoli vaših nog. Kako lahko uporabite pasje sledi, da vidite, ali hodite ali stojite pri miru? Ali hodite hitro ali počasi? Pasje sledi so vremenske spremembe, vaš sprehod pa je izračunano podnebje. Je sploh mogoče sklepati o dolgoročnih trendih v podnebju z uporabo kaotičnih in s »šumom« obremenjenih vremenskih podatkov?

Dodatna težava je, da so nihanja, ki vplivajo na podnebje, sčasoma izjemno spremenljiva – lahko so hitra, na primer moč vetra ali temperatura zraka, ali zelo počasna, na primer taljenje ledenih plošč in segrevanje oceanov. Na primer, enakomerno segrevanje za samo eno stopinjo lahko za ocean traja tisoč let, za ozračje pa le nekaj tednov. Odločilno je bilo vključiti hitre spremembe vremena v izračune kot »šum« in pokazati, kako ta »šum« vpliva na podnebje.

Hasselmann je ustvaril stohastični podnebni model, kar pomeni, da je naključje vgrajeno v model. Njegov navdih je prišel iz teorije Brownovega gibanja Alberta Einsteina, imenovane tudi naključni hod. S to teorijo je Hasselmann pokazal, da lahko hitro spreminjajoče se ozračje dejansko povzroči počasne spremembe v oceanu.
 

Prepoznavne sledi človekovega vpliva

Ko je bil model za podnebne variacije končan, se je Hasselmann lotil razvoja metod za prepoznavanje človekovega vpliva na podnebni sistem. Ugotovil je, da modeli skupaj z opazovanji in teoretičnimi premisleki vsebujejo ustrezne informacije o lastnostih šuma in signalov. Na primer, spremembe sončnega sevanja, vulkanskih delcev ali ravni toplogrednih plinov puščajo edinstvene signale, prstne odtise, ki jih je mogoče ločiti. To metodo za identifikacijo prstnih odtisov lahko uporabimo tudi za učinek, ki ga imajo ljudje na podnebni sistem. Hasselmann je tako odprl pot nadaljnjim študijam podnebnih sprememb, ki so z velikim številom neodvisnih opazovanj pokazale sledi človekovega vpliva na podnebje.

Podnebni modeli so postajali vse bolj izpopolnjeni, saj so procesi, vključeni v zapletene interakcije podnebja, podrobneje preslikani, ne nazadnje s satelitskimi meritvami in vremenskimi opazovanji. Modeli jasno kažejo pospeševanje učinka tople grede. Od sredine 19. stoletja se je raven ogljikovega dioksida v ozračju povečala za 40 odstotkov. Zemljina atmosfera že več sto tisoč let ni vsebovala toliko ogljikovega dioksida. V skladu s tem meritve temperature kažejo, da se je svet v zadnjih 150 letih segrel za 1°C.

Prav po zaslugi Manabejevega in Hasselmannovega raziskovanja in razvoja podnebnih modelov se danes ne moremo več izgovarjati, da naš vpliv na podnebje ni dokazan. Ne moremo se več izgovarjati, da ne vemo, da se Zemlja segreva. In ne moremo se sprenevedati, da ne vemo, da so vzrok segrevanja povečane količine toplogrednih plinov v ozračju. In prav tako ne moremo več trditi, da je to dogajanje mogoče razložiti zgolj z naravnimi dejavniki. In ne nazadnje, ne moremo več zanikati, da so izpusti iz naših dejavnosti razlog za globalno segrevanje. 
 

Članek je bil objavljen v reviji Gea

Gea spodbuja dejaven življenjski slog in vseživljenjsko radovednost ter navdušuje z aktualnimi raznolikimi temami o dogajanju okrog nas.

Več o reviji Gea >