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Der Nobelpreis für Physik 2021 geht an 3 Wissenschaftler, die Klimamodelle entwickelt haben

Drei Wissenschaftler, die damit begannen, das Chaos des globalen Klimas zu durchbrechen und die Grundlage für Vorhersagen über die Zukunft des Planeten zu legen, wurden am Dienstag mit dem Nobelpreis für Physik 2021 ausgezeichnet.

Die Hälfte des mit 1,1 Millionen US-Dollar dotierten Preises ging an Giorgio Parisi, 73, von der Universität Sapienza in Italien für seine Arbeit zur Quantifizierung des Zufalls und zur Verbindung der Bewegung von Atomen mit dem Planeten als Ganzes. Die andere Hälfte teilten sich zu gleichen Teilen auf Syukuro Manabe, 90, von der Princeton University, und Klaus Hasselmann, 89, vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Deutschland. Manabe und Hasselmann entwickelten Modelle, die trotz der inhärenten Volatilität des Klimasystems der Erde verlässliche Vorhersagen machen konnten.

„Ich bin so überrascht“, sagte Manabe der Nobelpreis-Website. „Niemand hat den Physikpreis für meine Art von Arbeit erhalten, und ich schätze die Schwedische Akademie der Wissenschaften sehr [for choosing] diesem Feld, Klimathemen und Klimawandel.“

Das große Bild des Klimawandels ist einfach genug: Wärmespeichernde Gase in der Atmosphäre verwandeln die Erde in ein metaphorisches Treibhaus, das den Planeten erwärmt.

Aber wie genau diese Erwärmung stattfinden wird – über die Ozeane, Eiskappen, Berge, Wälder und Städte des Planeten, angetrieben von allem, von Methanlecks über Kohlendioxid bis hin zu Fluorkohlenwasserstoffen – ist außerordentlich chaotisch.

„Wir sind in jeder Größenordnung, die wir beobachten, von Komplexität überflutet, und [as] Wissenschaftler fragen wir: Wie viel Detail ist nötig, um die Beobachtungen zu erklären?“ Das sagte John Wettlaufer, Physiker an der Yale University, auf der Pressekonferenz zur Preisverkündung. „Müssen wir jedes Wassermolekül verfolgen, um den Ozean zu erklären?“

Die Physik-Preisträger fanden Wege, um die aufwühlende Zufälligkeit zu erklären, die in allem vorhanden ist, von Materialien bis hin zu Bewegungen der Atmosphäre, und dennoch nützliche Vorhersagen zu treffen.

Die Nobelpreiskomitees haben die globale Herausforderung des Klimawandels schon früher erkannt. Der Friedensnobelpreis 2007 wurde dem ehemaligen US-Vizepräsidenten Al Gore und dem Zwischenstaatlichen Ausschuss für Klimaänderungen, einer von den Vereinten Nationen einberufenen globalen Gruppe führender Klimawissenschaftler, verliehen. Den Wirtschaftspreis 2018 teilte William Nordhaus, der ein Modell entwickelte, das physikalische Klimamodelle und Ökonomie integriert und die sozialen Auswirkungen der Erwärmung quantifiziert.

Jetzt rückt die Klimamodellierung ins Rampenlicht. Es ist dringend erforderlich, genau herauszufinden, wie sich der Planet aufwärmen wird: Es wird bestimmen, wo Pflanzen wachsen können, wo Menschen leben können und was die zunehmenden Katastrophen kosten werden. Diese Wissenschaftler und die düstere Zukunft, die sie zu erhellen halfen, prägen immer noch die Bemühungen der Menschheit, eine globale Katastrophe abzuwenden.

Wie Wissenschaftler Muster im Chaos fanden

Die Klimawissenschaft hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt, aber die Grundlagen wurden vor Hunderten von Jahren gelegt und gehen auf die Nobelpreise zurück, die 1901 erstmals verliehen wurden.

In den 1820er Jahren stellte der französische Wissenschaftler Joseph Fourier die Theorie auf, dass die Erde eine Möglichkeit haben muss, Wärme zu speichern, und dass die Atmosphäre eine Rolle spielen könnte. Im Jahr 1850 steckte die amerikanische Wissenschaftlerin Eunice Newton Foote Thermometer in Glasröhren und experimentierte damit, sie in die Sonne zu legen. In den Röhren verglich Foote trockene Luft, feuchte Luft und Kohlendioxid und stellte fest, dass sich die CO2-haltige Röhre mehr erwärmte als die anderen und länger heiß blieb.

„Eine Atmosphäre dieses Gases würde unserer Erde eine hohe Temperatur verleihen“, schrieb sie in einem Artikel, in dem sie ihre Ergebnisse präsentierte.

Im Jahr 1859 begann der irische Wissenschaftler John Tyndall zu quantifizieren, wie viel Wärme verschiedene Gase in der Atmosphäre absorbieren. „So wie ein über einen Fluss gebauter Damm eine lokale Vertiefung des Flusses verursacht, erzeugt unsere Atmosphäre, die als Barriere über die Erdstrahlen geworfen wird, eine lokale Erhöhung der Temperatur an der Erdoberfläche“, schrieb Tyndall.

Und im Jahr 1896 berechnete der schwedische Wissenschaftler Svante Arrhenius, wie viel Kohlendioxid den Planeten erwärmt, und stellte in seiner späteren Arbeit die Theorie auf, dass mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre den Planeten aufheizen würde.

Aber herauszufinden, wie sich diese größeren Trends auf kleineren, greifbareren Skalen entwickeln, erwies sich als kompliziert. Wie stark sich eine bestimmte Region mit mehr Treibhausgasemissionen erwärmen würde, hängt von den lokalen Bedingungen wie Baumbedeckung, Luftverschmutzung, Windmustern und Niederschlag ab, zusätzlich davon, wie viel Wärme die Atmosphäre aufnehmen kann.

Als Meteorologe für die US-Regierung und in Princeton in den 1960er Jahren verband Syukuro Manabe die von der Atmosphäre absorbierte Energie mit der Bewegung der Luft vertikal über der Erde, einem kritischen Parameter für die Klimasimulation.

Syukuro Manabe zeigte, wie die Atmosphäre Wärme speichert und die Bewegung von Luft und Wasser erklärt. Es ist ein wichtiger Parameter in Klimamodellen. Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Am Max-Planck-Institut für Meteorologie arbeitete Klaus Hasselmann in den 1980er Jahren daran, wilde, kurzfristige Wettermuster mit langfristigen Klimaverschiebungen zu verbinden. Er fand heraus, dass selbst verrauschte Wetterdaten Einblicke in breitere Muster geben und es Wissenschaftlern sogar ermöglichen könnten, den menschlichen Einfluss auf das Klima zu verfolgen. Diese Ergebnisse haben einige der frühesten Saatkörner der Wissenschaft der Klimazuordnung gesät, die Wissenschaftler jetzt verwenden, um zu quantifizieren, wie sehr Menschen eine bestimmte Hitzewelle oder einen sintflutartigen Regenguss verschlimmert haben.

Giorgio Parisis Arbeit war nicht von Natur aus mit Klimasystemen verbunden, aber seine Forschungen in den 1980er Jahren bewiesen, dass die scheinbar zufälligen Bewegungen von Partikeln in Muster und Vorhersagen quantifiziert werden können. Diese Erkenntnis half Klimawissenschaftlern, Simulationen aus einzelnen Gasmolekülen aufzubauen.

In den Jahrzehnten seit dieser frühen Arbeit sind Klimamodelle ausgefeilter geworden, und die Rechenleistung hat begonnen, aufzuholen. Es gibt Forschern eine klarere Vision der Zukunft, sollten die Treibhausgase weiter in den Himmel steigen.

Die größte Unsicherheit bei den Klimaprognosen bleibt jedoch, was die Menschheit tun wird – ob Länder, Unternehmen und Einzelpersonen ihre schädlichen Emissionen schnell und drastisch reduzieren werden. Und das bleibt, wie Wissenschaftler sagen, ein Bereich aktiver Forschung.

„Am dringendsten sind Maßnahmen gegen den Klimawandel erforderlich“, sagte Hasselmann auf der Website des Nobelpreisträgers. „Wir können viele Dinge tun, um den Klimawandel zu verhindern, und das ist die ganze Frage, ob die Menschen erkennen, dass etwas, was in 20 oder 30 Jahren passieren wird, etwas ist, auf das man jetzt reagieren muss.“

Es liegt an uns, das Problem zu lösen, das Hasselman, Manabe und Parisi der Welt geholfen haben, es zu verstehen.

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