Syukuro Manabe e Klaus Hasselmann foram homenageados por seu trabalho que levou a previsões confiáveis dos efeitos das mudanças climáticas. Eles dividirão o Nobel com Giorgio Parisi, que fez estudos pioneiros de sistemas físicos caóticos.

O Secretário-Geral da Real Academia Sueca de Ciências Goran Hansson, ao centro, flanqueado à esquerda pelo membro do Comitê Nobel de Física Thors Hans Hansson, à esquerda, e membro do Comitê Nobel de Física John Wettlaufer, à direita, anuncia os vencedores de 2021 Prêmio Nobel de Física na Real Academia Sueca de Ciências, em Estocolmo, Suécia, terça-feira, 5 de outubro de 2021. O Prêmio Nobel de Física foi concedido a cientistas do Japão, Alemanha e Itália. Syukuro Manabe e Klaus Hasselmann foram citados por seu trabalho na "modelagem física do clima da Terra, quantificando a variabilidade e prevendo com segurança o aquecimento global". A segunda metade do prêmio foi concedida a Giorgio Parisi pela "descoberta da interação da desordem e das flutuações nos sistemas físicos das escalas atômicas às planetárias". Crédito da imagem: Nobel Prize

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Modelos modernos de computador do clima da Terra, como este que destaca o movimento do dióxido de carbono, mostram como padrões claros podem emergir mesmo de sistemas turbulentos.

Os físicos tradicionalmente lidam com sistemas simples, um único átomo, um gás em uma caixa, para os quais as leis governantes são claras e as respostas exatas podem ser calculadas. Para descrever sistemas maiores e um pouco mais complicados, eles sabem como simplificar, reduzindo as coisas à sua essência e ignorando detalhes que não importam. Uma bola rola da mesma maneira descendo uma rampa, seja ela vermelha ou azul.

Mas, no século 20, os físicos começaram a lutar contra os tipos de sistemas complexos que não podem ser eliminados da maneira usual. Nestes sistemas, como o clima da Terra, os pequenos detalhes são importantes; eles podem formar uma bola de neve e efetuar mudanças radicais, em um processo denominado ciclo de feedback positivo. Novos métodos tiveram que ser desenvolvidos para identificar os princípios operacionais por trás desses sistemas complexos e caóticos e aproximar seu comportamento. É esse trabalho pioneiro em destilar complexidade que foi homenageado pelo Prêmio Nobel de Física de hoje.

Syukuro Manabe, um físico da Universidade de Princeton, e Klaus Hasselmann, do Instituto Max Planck de Meteorologia em Hamburgo, Alemanha, receberam metade do prêmio por seu trabalho nas décadas de 1960 e 1970, respectivamente, construindo modelos climáticos que previram corretamente os efeitos de aumentar o dióxido de carbono na atmosfera da Terra.

Giorgio Parisi, um físico da Universidade Sapienza de Roma, recebeu a outra metade por descobrir padrões ocultos em sistemas de “lentes de spin” - sistemas complexos que surgem de muitas partes simples e interativas chamadas de spins. Os estudos de Parisi no final dos anos 1970 e 1980 sobre como os spins flutuantes individuais afetam as propriedades globais da lente de spin e como, em geral, a evolução de um sistema complexo como um todo se relaciona com a dinâmica das partes individuais que o formam, permitiram aos pesquisadores obter uma melhor compreensão de uma ampla gama de materiais complexos e desordenados.

Klaus Hasselmann e Syukuro Manabe (a partir da esquerda) dividiram metade do Nobel por seu trabalho em modelagem climática. Giorgio Parisi (à direita) recebeu a outra metade do prêmio por elucidar um sistema complexo chamado “lentes de spin”. Crédito da imagem: BBVA Foundation Frontiers of Knowledge Awards; Markus Marcetic, the Royal Swedish Academy of Sciences; Wolf Foundation

Todo o trabalho dos laureados carrega uma mensagem contundente, que Parisi articulou em resposta a uma pergunta de um repórter na cerimônia de premiação desta manhã em Estocolmo: “É urgente que tomemos decisões realmente muito fortes e avancemos em um ritmo muito forte” para abordar a mudança climática, disse Parisi, “porque estamos em uma situação em que podemos ter um feedback positivo e isso pode acelerar o aumento da temperatura. É claro que para as gerações futuras temos que agir agora de uma forma muito rápida, e sem atrasos”.

O que é um modelo climático?

Físicos desde Svante Arrhenius em 1896 têm se esforçado para reduzir o clima da Terra à sua essência. Eles aproximam a realidade identificando as forças mais importantes em jogo dentro de um sistema, aquelas que têm um grande efeito geral em sua dinâmica. Eles então elaboram equações interligadas que descrevem essas forças, enquanto ignoram detalhes menos significativos para tornar os modelos solucionáveis.

Mas o clima é um sistema não linear, em que mudanças em uma variável podem provocar outra, levando a ciclos de feedback instáveis. Isso torna difícil identificar quais pequenos efeitos podem ser desconsiderados. Arrhenius identificou o vapor d'água como uma dessas áreas problemáticas: quando a temperatura do ar aumenta, o mesmo acontece com o seu conteúdo de vapor d'água, o que faz com que ele retenha mais calor da Terra abaixo, levando a um aumento adicional da temperatura. A perda de gelo é outro feedback: O gelo reflete a luz do sol, então quando há menos luz do sol, mais luz do sol é absorvida pelo oceano escuro, causando o aquecimento que acelera ainda mais a perda de gelo.

Os modelos climáticos modernos levam em consideração a complicada interação e feedback entre milhões de variáveis. Eles fazem isso resolvendo um sistema de equações que representam a conservação de massa, quantidade de movimento e energia em cada ponto de uma grade 3D que representa a atmosfera da Terra. As equações tentam capturar os efeitos de tudo que é menor do que a grade, como nuvens individuais ou características terrestres. Às vezes, esses pequenos recursos podem ter grandes efeitos que não são capturados pelo modelo, o que significa que quanto mais fina a grade, melhor é o modelo. Mas essa precisão vem com o custo de recursos de computação formidáveis. Um modelo de última geração pode exigir semanas ou meses de tempo de processamento no supercomputador mais rápido do mundo, que pode executar 1,5 quintilhão de cálculos por segundo.

Quando os modeladores climáticos estavam começando, eles tiveram que considerar uma peça muito menor e do tamanho de uma mordida do quebra-cabeça climático.

O que os primeiros modelos climáticos de Manabe mostraram?

Os modelos de Manabe na década de 1960 “podem ser considerados as primeiras realizações do sonho de Arrhenius”, segundo o comitê do Nobel. Esses modelos consideravam uma única coluna vertical da atmosfera que se estendia do solo à estratosfera. Tratando esta coluna como uma série de pontos de grade, Manabe e seus colaboradores estudaram como a concentração de um gás de efeito estufa como o dióxido de carbono dentro da coluna afeta o fluxo de calor e ar entre os pontos de grade.

Ele explicou o fato de que o ar quente é mais leve do que o ar frio, então ele sobe, e que o ar mais quente também carrega mais vapor de água, que é um poderoso gás de efeito estufa. (Gases de efeito estufa, como vapor d'água e dióxido de carbono, absorvem e reemitem fortemente o calor que irradia para cima da superfície da Terra, o que bloqueia grande parte dele de escapar para o espaço. Este é o mecanismo-chave que causa o aquecimento.) Manabe e seus colaboradores também consideraram que, no alto da coluna, o ar é mais frio e, portanto, as nuvens se formam, liberando o calor latente armazenado no vapor d'água.

Ao levar em conta a interação entre essas variáveis em cada coluna do céu, ignorando o transporte horizontal de ar e calor, eles poderiam extrapolar para todo o globo e aproximar a "sensibilidade" geral do clima: Quanto a temperatura do ar aumenta como resultado da duplicação do nível de dióxido de carbono. As primeiras estimativas de Manabe e seus colegas - de que a temperatura global aumentaria 2,3 graus Celsius em resposta à duplicação da concentração de dióxido de carbono, permanecem impressionantemente precisas, mesmo quando medidas em comparação com modelos climáticos modernos.

Em 1975, Manabe e seu colega Richard Wetherald haviam estendido seu modelo de coluna em um modelo global primitivo, calculando (em um computador com meio megabyte de RAM) a sensibilidade climática global de 2,93 graus Celsius. Os modelos contemporâneos preveem uma faixa de 2,5 a 4 graus Celsius para a sensibilidade climática. Para medir o tamanho desse nível previsto de aquecimento, considere que a Terra durante a última era do gelo era 6 graus Celsius mais fria do que é hoje.

Como o tempo interage com o clima?

O clima é de longo prazo; o tempo é de curto prazo. No entanto, as duas coisas estão relacionadas. Como?

Na década de 1970, Klaus Hasselmann desenvolveu modelos climáticos que incorporavam eventos climáticos, em vez de calcular a média sobre eles, como havia sido feito antes. Ele se baseou na premissa de que o clima evolui lentamente como uma resposta geral às flutuações rápidas e aleatórias que conhecemos como clima. Para fazer isso, ele desenvolveu equações que acoplavam uma função de variação lenta que representa o clima com uma função de variação rápida que representa o clima. Ele mostrou como o último impacta o primeiro, da mesma forma que o movimento aleatório das moléculas de ar em escalas microscópicas afeta o movimento aleatório de partículas de poeira em escalas macroscópicas, um efeito chamado movimento browniano. Essa analogia com o movimento browniano mostrou-se muito poderosa como forma de entender a interação entre diferentes escalas físicas no sistema climático.

Como os modeladores do clima distinguem as causas naturais e humanas das mudanças climáticas?

Durante décadas, os pesquisadores lutaram para separar sistematicamente os efeitos de eventos climáticos aleatórios, erupções vulcânicas e outras mudanças naturais causadas pelo homem. Em três artigos que vão de 1979 a 1997, Hasselmann criou uma estrutura para fazer isso, uma maneira de comparar modelos climáticos e observações a fim de avaliar se os modelos capturavam fielmente os efeitos da variabilidade natural.

Em sua estrutura, ele desenvolveu técnicas de “detecção ideal” para identificar o sinal de aquecimento causado pelo homem. Ele mostrou que esses sinais são mais bem detectados, por exemplo, não em partes dos dados climáticos onde são mais fortes, mas onde o ruído é mais fraco. Um artigo recente sobre a história da ciência do clima descreveu o artigo de detecção ideal de Hasselman como "o primeiro esforço sério para fornecer uma estrutura estatística sólida para identificar um sinal de aquecimento causado pelo homem." Os autores continuam a escrever que “Em vez de procurar por uma agulha em um canto minúsculo de um grande palheiro (e então prosseguir com a busca no próximo canto minúsculo), Hasselmann defendeu uma estratégia mais eficiente, pesquisar todo o palheiro simultaneamente” em busca de sinais com características únicas, ou “impressões digitais”, que mostram que não provêm de ruído.

As impressões digitais do aquecimento causado pelo homem ficaram mais pronunciadas com o passar das décadas, gerando um consenso crescente entre os pesquisadores do clima. No início deste ano, o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas concluiu que “É inequívoco que a influência humana aqueceu a atmosfera, os oceanos e a terra”.

O que é uma lente de spin?

Enquanto pesquisadores como Manabe e Hasselmann lutavam com o clima, a musa de Giorgio Parisi do final dos anos 1970 era um sistema físico chamado de "lente de spin". Este é um material que contém partículas magnéticas, átomos de ferro, por exemplo, que você pode imaginar como minúsculos ímãs em barra apontando para cima ou para baixo. Em um trabalho que teve uma forte ressonância com os insights de Hasselmann sobre o tempo e o clima, Parisi estudou como a inversão dos giros afetava a lenta dinâmica da lente de spin como um todo.

As lentes de spin cativaram físicos como Parisi por causa de um fenômeno conhecido como "frustração". Imagine, por exemplo, um vidro giratório simples que consiste em três voltas nos cantos de um triângulo. Os giros adjacentes preferem apontar em direções opostas. Mas os três giros, à medida que vão e voltam tentando atingir uma configuração estável, não podem satisfazer essa restrição simultaneamente; o sistema é o que os físicos chamam de "frustrado". Frustração significa que as lentes de spin devem se comprometer; eles procuram a configuração menos ruim. Os estudos de Parisi sobre como isso funciona em lentes de spin "foram tão profundos", de acordo com o comitê do Nobel, "que influenciaram não apenas a física, mas também a matemática, a biologia, a neurociência e o aprendizado de máquina, porque todos esses campos incluem problemas diretos relacionado à frustração”

Mais informações:

www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/summary/

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Referência:

WOLCHOVER, Natalie. Work on Earth’s Climate and Other Complex Systems Earns Nobel Prize in Physics. Quanta Magazine, 05, out. 2021. Disponível em: <https://www.quantamagazine.org/pioneering-climate-modelers-earn-nobel-prize-in-physics-20211005/>. Acesso em: 05, out. 2021.