В общей сложности лауреаты получат 10 млн шведских крон (около миллиона евро). Средства выделяются из фонда Альфреда Нобеля, который шведский промышленник и изобретатель динамита учредил за год до своей смерти, в 1896 году.

 

Первую половину премии этого года разделили метеорологи Сюкуро Манабе (Syukuro Manabe) из Принстона и Клаус Хассельман (Klaus Hasselmann) из Гамбурга. Официальная формулировка Нобелевского комитета — «за физическое моделирование климата Земли, количественный анализ вариаций и надёжный прогноз глобального потепления». Речь идёт о моделировании сложных систем с хаотическим поведением, в частности, моделей движения атмосферных потоков с учётом полей температуры и плотности воздушных масс.

атмосфера,глобальное потепление,квантовая механика,климатические явления,математическое моделирование,Нобелевская премия,термодинамика
 

Система дифференциальных уравнений Лоренца (1960-е гг.) — прообраз моделей климата и хаотических систем.Одна из первых таких моделей, очень схематично описывающая конвекцию в атмосфере — это система, или аттрактор Лоренца, предложенная в середине 1960-х годов и приобретшая с тех пор популярность как одна из базовых моделей хаотического поведения. В ней всего три переменные, описывающие распределение скоростей, плотности и температуры воздушных масс. Связывающая их система из трёх нелинейных дифференциальных уравнений при определённых значениях параметров (в них можно узнать число Рэлея и некоторые другие динамические параметры жидкой или газообразной среды) демонстрирует несколько нетривиальных режимов, в числе которых — странный аттрактор — особый режим, в котором рисунок траекторий системы в фазовом пространстве имеет фрактальную структуру. Пример такого странного аттрактора как решение системы Лоренца приведён на рисунке. Эта же система, кстати, описывает процессы конвекции при нагреве воды в кастрюле, в частности, так называемые ячейки Бенара, как пример самоорганизующейся системы.

атмосфера,глобальное потепление,квантовая механика,климатические явления,математическое моделирование,Нобелевская премия,термодинамика
 

Свойство хаотичности системы означает сильную зависимость её решений от начальных условий: две близкие в начальный момент времени стартовые точки дают совершенно разные траектории. Поскольку начальное состояние системы невозможно задать с абсолютной точностью, прогноз поведения системы возможен только до некоторого предела (его называют временем Ляпунова). Хоть уравнения для описания системы являются детерминированными, но поведение системы выглядит случайным. Это свойство хаоса хорошо знакомо нам по прогнозам погоды, где горизонт предсказания ограничивается несколькими днями. Сам Э.Лоренц назвал это явление «эффектом бабочки» («взмах крыльев бабочки в Бразилии вызывает торнадо в Техасе», как гласит одна из классических его формулировок). Тем не менее модель Лоренца положила начало современной теории хаоса.

 
 

Сюкуро Манабе в 1960-х годах изучал подобные модели движения атмосферных масс с включением в расчёты концентрации газов в атмосфере и их способности поглощать тепловое излучение. Он был одним из первых исследователей, связавшим баланс солнечного излучения, его поглощение атмосферными газами и вертикальный перенос воздушных масс. Его работы тех лет положили начало развитию математических моделей климата Земли. Для упрощения он сначала рассмотрел одномерную геометрию — вертикальный столб воздуха высотой 40 километров. Такой уровень упрощения примерно соответствует предположениям в основе климатической модели Лоренца; самое главное — он также был адекватен возможностям вычислительной техники того времени. Учёт баланса солнечного излучения и поглощения различными атмосферными газами позволил установить ключевой результат: увеличение содержания CO2 в атмосфере приводит к увеличению средней поверхностной температуры Земли на 2 °C. При этом верхние слои атмосферы как раз охлаждаются. Если бы изменения были вызваны только вариациями солнечного излучения, то нагрев бы происходил во всей воздушной колонне.

атмосфера,глобальное потепление,квантовая механика,климатические явления,математическое моделирование,Нобелевская премия,термодинамика
 

Вторую половину Нобелевской премии получил известный физик-теоретик Джорджо Паризи из университета «Sapienza» «за открытие того, как беспорядок и флуктуации взаимодействуют в физических системах от атомных до планетарных масштабов». Как и в первой части премии, здесь отмечены заслуги в исследовании сложных хаотических систем, но с другого ракурса — Дж. Паризи занимается изучением статистических ансамблей, то есть свойствами систем из множества хаотично перемещающихся частиц — атомов или молекул. Описание с точки зрения статистики многих частиц является в определённой степени дополнительным к феноменологическому описанию на основе небольшого количества уравнений движения для макропеременных (как в вышеупомянутых уравнениях Лоренца или задачах термодинамики).

 

Спиновое стекло — металлический сплав с вкраплением атомов с магнитным моментом (железо) в решётке из немагнитного материала (медь).

 

 

Дж. Паризи в 1980-х годах исследовал необычный объект — спиновые стёкла. Это специальные сплавы с вкраплением атомов магнитных материалов (например, атомы железа в матрице из меди). «Стёклами» их делает взаимодействие между собой магнитных частиц: ближайшие друг к другу магнитные атомы при определённых условиях (антиферромагнитные свойства системы) стремятся переориентироваться так, чтобы их магнитные моменты «смотрели» навстречу. Но в некоторых конфигурациях (как на упрощённом рисунке чуть ниже) такое условие для всех атомов выполнить невозможно: в системе окажутся фрустрированные атомы, любая ориентация которых будет «противоречить» ориентации одного или другого соседа. В этом и сходство с аморфным стеклом — твёрдым телом, в котором, в отличие от кристалла, отсутствует дальний порядок атомов. (Сам Паризи приводит аналогию с персонажами трагедий Шекспира — представьте себе кого-то, кто должен подружиться одновременно с представителями семейств Монтекки и Капулетти. Впрочем, у Шекспира подобные коллизии встречаются достаточно часто).

атмосфера,глобальное потепление,квантовая механика,климатические явления,математическое моделирование,Нобелевская премия,термодинамика
 

Спиновые стёкла как пример сложных систем исследуются с 1970-х годов. В силу неоднозначности их упорядоченного состояния обычная техника статистического ансамбля не даёт адекватного описания системы. Можно привести более интуитивный и классический пример — гранулированные материалы. При сжатии контейнера с жёсткими шариками или дисками они формируют определённые нерегулярные структуры, причём даже если повторять эксперимент при одинаковых условиях, рисунок каждый раз будет разный. Дж. Паризи как раз обнаружил скрытые закономерности в таких «замороженно-неупорядоченных системах» и предложил математический способ их описания методами статистической физики. Такие «фрустрированные» структуры возникают во многих областях физики, геологии, машинного обучения и биологии. Общее у этих явлений, как и у моделей климата — сложное коллективное поведение системы из сравнительно «простых» компонент.

атмосфера,глобальное потепление,квантовая механика,климатические явления,математическое моделирование,Нобелевская премия,термодинамика
 
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!