 |
Володарі
цьогорічної Нобелівської премії з фізики Сюкуро Манабе (США), Клаус Хассельман
(Німеччина) та Джорджіо Парізі (Італія) Фото: Ill.
Niklas Elmehed / Nobel Prize Outreach |
Цього року Нобелівський комітет присудив найпрестижнішу премію в галузі фізики трьом дослідникам. Половину премії розділять між собою Сюкуро Манабе (США) та Клаус Хассельман (Німеччина), які окремо досліджували кліматичну систему Землі. А інша половина дістанеться Джорджіо Парізі (Італія), який вивчав закономірності поведінки атомів у деяких металічних сплавах, які виявилися актуальними й для інших складних систем. Зокрема, того ж клімату.
Клімат
розбрату
Питання, чи
справді клімат змінюється, не викликає сумнівів навіть у людей, далеких від
науки — просто тому, що процес складно не побачити на власні очі. Йдеться про
аномально спекотні літа, безсніжні й теплі зими, тривалі періоди посухи, або ж
навпаки, надмірні опади.
Але питання про
причину цих змін досі викликає чимало суперечок. Хтось переконаний, що
вирішальним чинником є діяльність людини — насамперед пов’язана зі спалюванням
вугілля, нафти і газу. Водночас інші наполягають: навіть якщо людина здатна
впливати на клімат планет, то точно не відіграє головної ролі.
Аргументи цих людей: клімат Землі змінювався й раніше, коли людство точно не могло на нього впливати (з цим твердженням складно не погодитися). Або ж вважають, що діяльність вулканів значно більше впливає на атмосферу і, відповідно, клімат, ніж викиди заводів, транспорту й тваринницьких ферм (а це вже хибне уявлення). Водночас серед науковців, що досліджують клімат, давно є консенсус: саме діяльність людини — головна причина зміни клімату.
Парниковий
ефект
Але щоб зрозуміти
це, наука пройшла довгий шлях. У першій половині XIX століття французький фізик
Джозеф Фур’є вперше зрозумів вирішальну роль атмосфери у формуванні клімату
Землі.
Планета отримує
тепло разом із сонячними променями. Вони відбиваються від її поверхні і у
вигляді невидимих інфрачервоних променів повертаються у космос. Якби не було
атмосфери, середня температура поверхні Землі становила б близько 18°C нижче
нуля — не набагато краще для живих організмів, ніж на Марсі.
Натомість
атмосфера відбиває частину променів назад до земної поверхні і нагрівається
сама. Пізніше це явище отримало назву парникового ефекту — саме завдяки йому
наша планета все ще має придатний для нормального життя клімат.
Щоб краще
зрозуміти його роль, слід поглянути на Місяць, розташований відносно недалеко
від нас. Там немає парникового ефекту, бо немає атмосфери взагалі. Температура
коливається в діапазоні понад трьохсот градусів — від надто низької для
будь-яких форм життя до надто високої для всіх, крім хіба що «екстремальних»
бактерій.
Протилежний
приклад — Венера. Там парниковий ефект надто сильний, тому температура біля її
поверхні перевищує 400°C. За цим показником вона випередила навіть Меркурій,
розташований ближче до Сонця, але майже позбавлений атмосфери.
«Непомітний»
газ
Наступний
важливий крок у розумінні кліматичної системи Землі пов’язаний з іменем
шведського науковця Сванте Арреніуса. Він зрозумів, що ключову роль у
парниковому ефекті відіграє вуглекислий газ (CO₂) попри те, що його частка в
атмосфері становить лише приблизно 0,04%.
Науковець дійшов
висновку: достатньо знизити цей відсоток удвічі, щоб на Землі настав
льодовиковий період. А якщо подвоїти її, то середня температура на планеті
зросте на 5-6°C, що означатиме катастрофу для біосфери і людства. Наступне
відкриття у розумінні клімату сталося в другій половині минулого століття. Тоді
в розпорядженні дослідників з’явилися перші, примітивні за сучасними мірками,
комп’ютери.
Модель, з якої
все почалося
Сюкуро Манабе
народився у 1931-му році в Японії. Але в 1950-му молодий та перспективний
дослідник залишив спустошену війною батьківщину, щоб оселитися в США. Як і його
попередник Арреніус, Манабе прагнув з’ясувати, як зміна концентрації
вуглекислого газу вплине на температуру приземної атмосфери. Побудована ним
модель враховувала не лише випромінювання, яке Земля отримує від Сонця і яке
потім затримує атмосфера завдяки парниковому ефекту, але й інші атмосферні
процеси. Зокрема, вертикальне «перемішування» шарів атмосфери, завдяки яким
легші тепліші маси переміщуються вгору, тоді як важчі холодніші — вниз.
За його
розрахунками виходило, що якщо частка CO₂ в атмосфері знизиться вдвічі, то
температура на планеті впаде приблизно на 2,3°C. І приблизно на стільки ж
виросте, якщо відсоток вуглекислого газу подвоїться. Варто нагадати, що за
умовами Паризької угоди, навіть зростання температури на планеті на два градуси
є недопустимим. Тому 2,3°C – це загрозлива цифра, нехтувати якою точно не
варто.
Його модель була
простою, якщо порівнювати з тим, що є у науковців сьогодні. Але вона відкрила
шлях до подальших досліджень і набагато точніших моделей клімату.
Послання
Нобелівського комітету?
Німецький
дослідник Клаус Хассельман також моделював кліматичні процеси. Так, він знайшов
метод, який дозволяє з’ясувати внесок різних факторів у стан кліматичної
системи. Адже на нього впливають і сонячна активність, і вулкани, і різні
аспекти людської діяльності. І саме його роботи дозволяють зробити висновок:
викиди в атмосферу вуглекислого газу внаслідок людської діяльності — головна
причина зміни клімату.
Варто нагадати,
що у серпні цього року чергову доповідь оприлюднила найавторитетніша наукова
організація з питань змін клімату — IPCC (Міжурядова група експертів з питань
змін клімату). Якщо в попередніх доповідях вона обережніше зазначала про
головну роль людства у кліматичних змінах, то тепер наполягає: у цьому не
залишається сумнівів. Так упродовж лише кількох місяців людство отримало два
потужних сигнали про те, що сумніви та суперечки давно мають поступитися діям.
Закони
безладу
Джорджіо Парізі
досліджував закономірності, що пояснюють поведінку складних систем. Що це і як
вони поводяться? Уявімо газ, який поступово охолоджується. Спочатку він перетвориться
на рідину, а потім, якщо охолоджувати далі, отримаємо тверду речовину. Зазвичай
вона має кристалічну будову, тобто її атоми розташовані у певному правильному
порядку.
Але якщо
охолодження відбувається дуже швидко, атоми у твердій речовині розташуються
хаотично. Якщо з тією ж речовиною повторити експеримент за точно такими ж
умовами, атоми також зупиняться в безладі, але він буде зовсім іншим. Як це
можна пояснити і обґрунтувати з наукового погляду?
Відповідь на це
запитання й шукав Джорджіо Парізі, хоча за відправну точку він взяв не аморфні
речовини з попереднього прикладу, а так зване спінове скло — магнітні сплави, у яких, наприклад, атоми
заліза випадковим чином розташовані в кристалах міді. Заслуга Парізі в тому, що
він знайшов математичний апарат, що пояснює властивості таких сплавів та інших
складних систем, зокрема кліматичних.
Повернення на
Землю
Торік
Нобелівський комітет присудив премію з фізики трьом науковцям за дослідження, пов’язані з чорними дірами. Половина преміїдісталася 89-річному британському математику й фізику Роджеру Пенроузу. А другуміж собою поділили 68-річний Райнхард Ґенцель з Німеччини та 55-річна АндреаҐез зі США.
Іншу половину
премії розділили Мішель Майор та Дідьє Кело, які в середині 1990-их років
відкрили першу екзопланету — 51 Пегаса b, про що hromadske розповідало раніше.
Дві премії в одні
руки
Цьогорічна
Нобелівська премія з фізики стала 115-ю в історії. До цього року її отримали
215 дослідників. Американський вчений Джон Бардін отримав її двічі — в 1956-му
та 1972 роках. Марія Кюрі також отримала Нобелівську премію двічі, але в різних
номінаціях — з фізики та хімії.
Найстарший і
наймолодший лауреати
Наймолодшим
лауреатом премії з фізики став Вільям Лоренс Брегг: йому було 25 років, коли в
1915-му році він разом зі своїм батьком Вільямом Генрі Бреггом отримав її «за
заслуги в дослідженні структури кристалів за допомогою рентгенівських
променів».
Найстаршим
лауреатом став Артур Ешкін. У 2018-му він отримав премію «за розробку лазерних
щипців та їхнє використання у біологічних системах». Тоді йому було 96
років.
Чотири жінки за
понад століття
Жінки чотири рази
в історії нагороджувалися Нобелівською премією з фізики. Марія Кюрі у 1903-му
отримала премію «за видатні заслуги в спільних дослідженнях явищ радіації».
Марію Гепперт-Маєр нагородили в 1963-му році «за відкриття, що стосуються
оболонкової структури ядра». У 2018-му році її удостоїлася Донна Стрікленд «за
розробку методів генерації високоефективних ультракоротких оптичних імпульсів».
А торік вона дісталася Андреі Ґез, завдяки дослідженням якої ми дізналися, що в
центрі нашої Галактики розташована надмасивна чорна діра.