Syukuro Manabe, climatologo dell’Universit\u00e0 di Princeton, e Klaus Hasselmann, del Max Planck Institute for Meteorology di Amburgo, in Germania, hanno ricevuto met\u00e0 del premio per il loro lavoro svolto rispettivamente negli anni 1960 e 1970, costruendo modelli climatici che hanno previsto correttamente gli effetti dell’aumento dell’anidride carbonica nell’atmosfera terrestre.<\/p>\n
Giorgio Parisi, un fisico della Sapienza Universit\u00e0 di Roma, \u00e8 stato premiato con l’altra met\u00e0 del premio per aver scoperto strutture nascoste nei sistemi fisici complessi, in particolare gli “spin glasses” – materiali realizzati da parti semplici e interagenti chiamate spin.<\/p>\n
Gli studi di Parisi alla fine degli anni 1970 e 1980 su come gli spin individuali e fluttuanti influenzano le propriet\u00e0 globali dello spin glass e su come, in generale, l’evoluzione di un sistema complesso nel suo complesso si riferisce alla dinamica delle singole parti che lo compongono, hanno permesso ai ricercatori di acquisire una migliore comprensione di una vasta gamma di materiali complessi e disordinati.<\/p>\n
I fisici da Svante Arrhenius nel 1896<\/strong> in poi, hanno cercato di ridurre il clima della terra alle sue leggi essenziali. Approssimano la realt\u00e0 identificando le forze pi\u00f9 importanti in gioco all’interno di un sistema, quelle che hanno la maggior influenza globale sulle sue dinamiche. Quindi elaborano equazioni correlate che descrivono queste forze, ignorando dettagli meno importanti per rendere i modelli risolubili.<\/p>\n Ma il clima \u00e8 un sistema non lineare, in cui i cambiamenti di una variabile possono modificarne un’altra, giungendo a innescare cicli di feedback instabili. Ci\u00f2 rende difficile identificare quei piccoli effetti che possono essere ignorati. Arrhenius <\/strong>identific\u00f2 il vapore acqueo come una di queste aree problematiche: quando la temperatura dell’aria aumenta, aumenta anche il suo contenuto di vapore acqueo, e questo porta a intrappolare pi\u00f9 calore della Terra sottostante, conducendo a un ulteriore aumento della temperatura. La perdita di ghiaccio \u00e8 un’altra causa di feedback: il ghiaccio riflette la luce solare, quindi quando ce n’\u00e8 meno, una maggior quantit\u00e0 di luce solare viene assorbita dall’oceano pi\u00f9 scuro, causando cos\u00ec un riscaldamento che accelera ulteriormente la perdita di ghiaccio.<\/p>\n I moderni modelli climatici tengono conto della complicata interazione e del feedback tra milioni di variabili. Lo fanno risolvendo un sistema di equazioni che rappresentano la conservazione di massa, della quantit\u00e0 di moto ed energia in ogni punto su una griglia 3D che rappresenta l’atmosfera della Terra.<\/p>\n Le equazioni, cercano di catturare gli effetti di qualcosa di pi\u00f9 piccolo della griglia, come le singole nuvole o caratteristiche della Terra. A volte queste piccole caratteristiche possono avere grandi effetti che non vengono catturati dal modello, il che significa che pi\u00f9 fine \u00e8 la griglia, migliore \u00e8 il modello. Ma questa precisione va a scapito di enormi risorse IT<\/strong>. Un modello allo stato dell’arte pu\u00f2 richiedere settimane o mesi di elaborazione sul supercomputer pi\u00f9 veloce del mondo, in grado di eseguire 1,5 quintilioni di calcoli al secondo.<\/p>\n I modelli di Manabe <\/strong>nel 1960 “possono essere considerati le prime realizzazioni del sogno di Arrhenius”, secondo il comitato del premio Nobel. Questi modelli hanno esaminato una singola colonna verticale dell’atmosfera che si estende dal suolo alla stratosfera. Trattando questa colonna come una serie di punti della griglia, Manabe e i suoi collaboratori hanno studiato come la concentrazione di un gas serra come l’anidride carbonica all’interno della colonna influenzi il flusso di calore e aria tra i vari punti della griglia.<\/p>\n Egli consider\u00f2 il fatto che l’aria calda \u00e8 pi\u00f9 leggera dell’aria fredda, e quindi sale, e che l’aria pi\u00f9 calda trasporta anche pi\u00f9 vapore acqueo, che \u00e8 un potente gas serra. I gas serra come il vapore acqueo e l’anidride carbonica assorbono ed emettono fortemente il calore che si irradia verso l’alto dalla superficie terrestre, impedendo a gran parte di esso di fuggire nello spazio<\/strong>. Questo \u00e8 il meccanismo chiave che causa il riscaldamento terrestre. <\/p>\n Tenendo conto dell’interazione tra queste variabili in ogni colonna del cielo ignorando il trasporto orizzontale di aria e calore, riuscirono a estrapolare queto modello all’intero globo e approssimare la “sensibilit\u00e0” complessiva del clima: ovveros stabilire di quanto aumenta la temperatura dell’aria a seguito del raddoppio del livello di anidride carbonica. Le loro prime stime \u2013 che la temperatura globale aumenterebbe di 2,3 gradi Celsius in risposta a un raddoppio della concentrazione di anidride carbonica \u2013 rimangono straordinariamente accurate anche se misurate rispetto ai moderni modelli climatici<\/strong>.<\/p>\n Nel 1975, Manabe e il suo collega Richard Wetherald riuscirono e estendere il loro modello a colonna in un modello globale primitivo, calcolando (su un computer con mezzo megabyte di RAM) la sensibilit\u00e0 climatica globale, pari a 2,93 gradi Celsius<\/strong>. I modelli attuali prevedono un intervallo da 2,5 a 4 gradi Celsius. Per comprendere l’entit\u00e0 di questo riscaldamento previsto, si consideri che la Terra nell’ultima era glaciale era pi\u00f9 fredda di 6 gradi Celsius rispetto a oggi.<\/p>\n Il clima \u00e8 a lungo termine; il tempo \u00e8 a breve termine. Ma i due devono essere correlati, come? Nel 1970, Klaus Hasselmann<\/strong> svilupp\u00f2 modelli climatici che incorporavano fenomeni meteorologici, invece di fare la media, come era stato fatto in precedenza. Si basava sulla premessa che il clima sta lentamente cambiando come risposta globale alle fluttuazioni rapide e casuali che conosciamo come tempo (meteorologico).<\/p>\n Per fare questo, svilupp\u00f2 equazioni che, accoppiando una funzione che cambia lentamente (rappresentante il clima) con una funzione che cambia rapidamente (il tempo). Hasselmann riusc\u00ec cos\u00ec a dimostrare che il tempo influisce sul clima nello stesso modo in cui il movimento casuale delle molecole d’aria su scale microscopiche influenza il movimento casuale delle particelle di polvere su scale macroscopiche \u2013 un effetto chiamato moto browniano<\/strong>. Questa analogia con il movimento browniano si \u00e8 rivelata molto potente come mezzo per comprendere l’interazione tra le diverse scale fisiche nel sistema climatico.<\/p>\n Per decenni, i ricercatori hanno lottato per separare gli effetti di eventi meteorologici casuali, di eruzioni vulcaniche e di altri cambiamenti naturali da quelli causati dall’uomo. In tre articoli che vanno dal 1979 al 1997, Hasselmann <\/strong>ha creato un sistema per poterlo fare, un modo per confrontare modelli climatici e osservazioni al fine di valutare se i modelli stavano riportando fedelmente gli effetti della variabilit\u00e0 naturale.<\/p>\n In questo metodo, Hasselmann svilupp\u00f2 tecniche di “rilevamento ottimale” per identificare i segnali di riscaldamento prodotto dall’uomo. Egli dimostr\u00f2 che tali segnali sono rilevati pi\u00f9 facilmente, ad esempio, non nei dati climatici in cui sono pi\u00f9 forti, ma dove il “rumore” \u00e8 pi\u00f9 basso. Un recente articolo sulla storia della scienza del clima ha descritto uno degli articoli di rilevamento ottimale di Hasselmann come “il primo serio sforzo per fornire un solido quadro statistico atto a identificare un segnale di riscaldamento causato dall’uomo”.<\/p>\n Le “impronte digitali” del riscaldamento causato dall’uomo sono diventate pi\u00f9 evidenti nel corso dei decenni, portando a un crescente consenso tra i ricercatori sul clima. All’inizio di quest’anno, il Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici ha concluso che “\u00e8 inequivocabile che l’influenza umana ha riscaldato l’atmosfera, l’oceano e la terra”.<\/p>\n Mentre studiosi come Manabe e Hasselmann si misuravano con il clima, Giorgio Parisi della fine del 1970 studiava un sistema fisico chiamato spin glass. Si tratta di un materiale che contiene particelle magnetiche \u2013 atomi di ferro, per esempio \u2013 che si possono pensare come piccole barre magnetiche che puntano verso l’alto o il basso. In un lavoro che ricordava fortemente le intuizioni di Hasselmann sul tempo e sul clima, Parisi studi\u00f2 come l’inversione degli spin avanti e indietro influenzasse la lenta dinamica del sistema spin glass nel suo complesso.<\/p>\n I sistemi spin glass hanno affascinato fisici come Parisi a causa di un fenomeno noto come “frustrazione”. Immaginiamo un semplice sistema spin glass composto da tre spin posizionati agli angoli di un triangolo. Gli spin adiacenti puntano sempre in direzioni opposte<\/strong>. Ma i tre spin, mentre variano la loro posizione avanti e indietro nel tentativo di ottenere una configurazione stabile, non possono soddisfare tutti quel vincolo contemporaneamente<\/strong>, trattandosi di un triangolo; questo sistema viene definito dai fisici “frustrato”.<\/p>\n La frustrazione<\/strong> sta nel fatto che gli spin glass devono raggiungere un compromesso e ricercano la configurazione meno “insoddisfacente”.<\/p>\n Gli studi di Parisi su come questo “accomodamento” si svolga nei sistemi spin glass “sono stati cos\u00ec profondi”, secondo il comitato del Nobel, “che non solo hanno influenzato la fisica, ma anche la matematica, la biologia, le neuroscienze e il machine learning, perch\u00e9 tutti questi campi presentano problemi direttamente correlati alla frustrazione”.<\/p>\n Foto di L.W.<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Cosa mostravano i primi modelli climatici di Manabe?<\/h2>\n
Clima e tempo meteorologico<\/h2>\n
Come si ditinguono nei modelli climatici i cambiamenti naturali da quelli dovuti all’uomo?<\/h2>\n
Cos’\u00e8 lo spin glass?<\/h2>\n