العمل على أنظمة معقدة ، بما في ذلك مناخ الأرض ، يفوز بجائزة نوبل في الفيزياء


مناخ الأرض هو نظام معقد للغاية على نطاق واسع. على المستوى المجهري ، كذلك هي الفيزياء المعقدة للذرات والجزيئات الموجودة داخل المواد. تجمع جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2021 بين عمل ثلاثة علماء سلطوا الضوء على مثل هذه الأنظمة الفيزيائية المعقدة من خلال تسخير الأدوات الأساسية للفيزياء.

أعلنت الأكاديمية السويدية الملكية للعلوم في أكتوبر / تشرين الأول ، أن نصف الجائزة تذهب إلى علماء المناخ سيوكورو مانابي من جامعة برينستون وكلاوس هاسلمان من معهد ماكس بلانك للأرصاد الجوية في هامبورغ بألمانيا ، لعملهما في محاكاة مناخ الأرض والتنبؤ بالاحتباس الحراري. 5. النصف الآخر من جائزة 10 ملايين كرونة سويدية (أكثر من 1.1 مليون دولار) يذهب إلى الفيزيائي جورجيو باريزي من جامعة سابينزا في روما ، الذي عمل على فهم التقلبات المتوترة داخل المواد غير المنتظمة.

استخدم الباحثون الثلاثة استراتيجية مماثلة لعزل جزء معين من نظام معقد في نموذج ، وهو تمثيل رياضي لشيء موجود في الطبيعة. من خلال دراسة هذا النموذج ، ثم دمج هذا الفهم في أوصاف أكثر تعقيدًا ، أحرز الباحثون تقدمًا في فهم الأنظمة المحيرة ، كما يقول الفيزيائي براد مارستون من جامعة براون. “هناك فن لبناء نموذج غني بما يكفي ليمنحك نتائج مثيرة للاهتمام وربما مفاجئة ، ولكنه بسيط بما يكفي بحيث يمكنك أن تأمل في فهمه.”

ترسل الجائزة ، التي عادة ما تكون شأنًا غير سياسي ، رسالة إلى قادة العالم: “إن فكرة الاحتباس الحراري تعتمد على العلم الراسخ” ، كما قال جوران هانسون ، الأمين العام للأكاديمية الملكية السويدية للعلوم ، أثناء الإعلان عن الفائزين بالجائزة. . أدت انبعاثات غازات الدفيئة البشرية ، بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون ، إلى زيادة متوسط ​​درجة حرارة الأرض بأكثر من 1 درجة مئوية منذ فترات ما قبل الصناعة. هذا الاحترار تؤثر على كل منطقة على وجه الأرض، مما يؤدي إلى تفاقم الظواهر الجوية المتطرفة مثل موجات الحر وحرائق الغابات والجفاف (SN: 8/9/21).

عمل سيوكورو مانابي من جامعة برينستون (على اليسار) وكلاوس هاسلمان من معهد ماكس بلانك للأرصاد الجوية (على اليمين) على عمليات محاكاة مبكرة لمناخ الأرض ، مما وضع الأساس لنماذج مناخية أكثر تفصيلاً تُستخدم اليوم للتعامل مع الآثار المحتملة للاحتباس الحراري. .من اليسار: Bengt Nyman / Wikimedia Commons (CC BY 2.0) ؛ Sueddeutsche Zeitung صور / Alamy ألبوم الصور

قال جون ويتلوفر من جامعة ييل ، عضو لجنة نوبل للفيزياء ، إن عمل مانابي وضع الأساس لنمذجة المناخ. أوضح Wettlaufer خلال مقابلة بعد إعلان الجائزة: “لقد قام بالفعل ببناء النماذج التي تم من خلالها بناء جميع النماذج المناخية المستقبلية”. “هذه السقالات ضرورية لتحسين التنبؤات بالمناخ.”

درس مانابي كيف أن ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون من شأنه أن يغير درجات الحرارة على الأرض. أ نموذج مناخي مبسط من ورقة عام 1967 شارك في تأليفها مانابي تحاكي عمودًا واحدًا من الغلاف الجوي ترتفع فيه الكتل الهوائية وتنخفض عندما تكون دافئة وباردة ، مما كشف أن مضاعفة كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أدت إلى زيادة درجة الحرارة بأكثر من درجتين مئويتين. يمكن دمجها بعد ذلك في نماذج أكثر تعقيدًا التي تحاكي الغلاف الجوي بأكمله أو تضمنت تأثيرات المحيطات ، على سبيل المثال (SN: 5/30/70).

درس هاسلمان تطور مناخ الأرض مع الأخذ في الاعتبار تنوع الفترات الزمنية التي تعمل فيها العمليات المختلفة. تتناقض عشوائية الطقس اليومي مع التغيرات الموسمية والعمليات الأبطأ بكثير مثل التسخين التدريجي لمحيطات الأرض. ساعد عمل هاسلمان في إظهار كيف يمكن دمج الارتعاش قصير المدى في النماذج لفهم التغير طويل المدى في المناخ.

صورة لجورجيو باريزي
يشتهر جورجيو باريزي من جامعة سابينزا في روما بعمله الخوض في فيزياء المواد المضطربة ، مثل النظارات الدوارة ، حيث لا يمكن للذرات المختلفة أن تتفق على الاتجاه الذي توجه فيه دورانها. لورينزا باريزي / ويكيميديا ​​كومنز

الجائزة هي تأكيد لفهم العلماء للمناخ ، كما يقول مايكل مولوني ، الرئيس التنفيذي للمعهد الأمريكي للفيزياء في كوليدج بارك ، ماريلاند. “النماذج المناخية التي نعتمد عليها لفهم تأثير أزمة المناخ هي نماذج عالمية- علم الصف هناك مع كل الاكتشافات العظيمة الأخرى التي تم التعرف عليها [by] جوائز نوبل في السنوات الماضية “.

رسم توضيحي لذرات الحديد المنتشرة في شبكة من ذرات النحاس ، مع الأسهم التي تشير إلى الدوران في اتجاهات مختلفة
في زجاج الدوران ، الموضح هنا ، ذرات الحديد (الحمراء) ، داخل شبكة من ذرات النحاس (الزرقاء) ، لها دوران (أسهم سوداء) لا يمكنها الاتفاق على اتجاه للإشارة.سي تشانغ

مثل الكثير من أنماط الطقس على الأرض ، يمكن أن يكون العالم الداخلي للذرات داخل المواد معقدًا وغير منظم. يهدف عمل Parisi إلى فهم العمليات داخل الأنظمة المضطربة مثل نوع من المواد يسمى a تدور الزجاج (SN: 10/18/02). في نظارات الدوران ، تتصرف الذرات مثل المغناطيس الصغير ، بسبب خاصية كمومية تسمى الدوران. لكن الذرات لا يمكنها الاتفاق على الاتجاه الذي توجه فيه مغناطيسها ، مما يؤدي إلى ترتيب غير منظم.

هذا مشابه لأنواع الزجاج الأكثر شيوعًا – وهي مادة لا تصل فيها الذرات إلى ترتيب منظم. توصل باريزي إلى وصف رياضي لمثل هذه الزجاجات الدوارة. يتطرق عمله أيضًا إلى مجموعة متنوعة من الموضوعات المعقدة الأخرى ، من الاضطرابات إلى أنماط يتدفقون التي تصف حركات الحيوانات مثل الزرزور (SN: 7/31/14).

على الرغم من أن عمله لا يركز بشكل مباشر على المناخ ، في مقابلة أثناء إعلان جائزة نوبل ، علق باريزي على نصف الجائزة: “من الواضح أنه بالنسبة لجيل المستقبل علينا أن نتصرف الآن بطريقة سريعة جدًا”.

ساهمت كارولين جراملينج في الإبلاغ عن هذه القصة.



المصدر

ندى عبدالرحمن
مهتمة في العلوم والفضاء خاصةً محبة للتقنية اعمل كاتبة في موقع اراود