Minden komplex rendszer egymással interakciókba kerülő elemek sokaságából tevődik össze. Bár a tudósok évezredek óta vizsgálják ezeket, az ilyen rendszerek matematikai leírása a releváns tényezők nagy száma miatt nagyon nehéznek bizonyult. Nem is beszélve a gyakran kaotikus viselkedések kiismeréséről, mint például amikor az időjárás alakulásában egy látszólag aprócska változás később óriási következményekkel jár. Az idei év fizikai Nobel-díjasai munkásságuk során az ilyen rendszerek működésének és hosszú távú alakulásának jobb megértését tették lehetővé.
Életadó üvegházhatás
Kétszáz évvel ezelőtt Joseph Fourier az elsők közt tanulmányozta a beeső napsugárzás és a felszínből származó sugárzás egyensúlyát. Megértette, hogy a légkörnek alapvető szerepe van ennek fenntartásában, minthogy a beérkező napsugárzás egy részét a felszín hő formájában kisugározza, amit aztán a légkör elnyel, és így felmelegszik. A ma üvegházhatás néven ismert jelenségről, amely létfontosságú a földi élet számára, azóta még többet derítettek ki a kutatók.
Az alapfeladat jelenleg is az, amit Fourier elkezdett: megérteni az egyensúlyt a beérkező, rövid hullámú napsugárzás, és a Földről kiinduló, hosszú hullámú infravörös sugárzás között. Az elmúlt két évszázadban egyre újabb elemekkel bővültek a vonatkozó éghajlati modellek, amelyeket a fizika törvényei és az időjárás előrejelzése során használt modellek alapján dolgoztak ki.
Míg az időjárást olyan meteorológiai mennyiségek alapján írják le, mint a hőmérséklet, a csapadék, a szél és a felhők mérhető mutatói, az éghajlati modellek statisztikai értékeken alapulnak, átlagokon, szórásokon, legmagasabb és legalacsonyabb mért értékeken. Ezek révén nem lehet megmondani, hogy milyen idő lesz Stockholmban jövő december 10-én, de arról elárulhatnak valamit, hogy milyen átlagos hőmérséklet és mennyi csapadék várható decemberben a svéd városban.
Az üvegházhatás, ahogy már említettük, létfontosságú a földi élet szempontjából. A légkör üvegházhatású gázai (szén-dioxid, metán, vízgőz stb.) elnyelik és visszasugározzák az energiát, felmelegítve a körülöttük lévő légkört és a felszínt. Ezek a gázok mennyiségüket tekintve elenyésző arányban vannak jelen a légkörben, amely 99 százalékban nitrogénből és oxigénből áll. A legnagyobb mennyiségben a vízgőz van jelen az atmoszférában közülük, míg a szén-dioxid mennyiség csak 0,04 százalék. Míg azonban a vízgőz mennyiségét nem nagyon tudjuk szabályozni odafent, a szén-dioxid szintjére komoly hatásunk van.
A szén-dioxid mennyisége ráadásul kihat a vízgőzére is. Ha sok a szén-dioxid a légkörben, az melegebb lesz, ami miatt több víz kerül párolgás útján a levegőbe, ami tovább fokozza az üvegházhatást. Ha a szén-dioxid szintje csökken, a vízgőz egy része kicsapódik és légkör hűlni fog.
A szén-dioxid szerepével kapcsolatos első fontos felfedezéseket Svante Arrhenius szolgáltatta az előző századforduló környékén. A kutató részletesen leírta az üvegházhatás fizikai hátterét, vagyis hogy a kimenő sugárzás arányos (T⁴) a sugárzó test abszolút hőmérsékletével (T). Minél forróbb a sugárforrás, annál rövidebb hullámhosszú a sugárzás. A Nap felszíne 6000 °C-os és elsősorban a látható tartományban sugároz. A Föld felszíne átlagosan 15 °C-os, így a visszasugárzott energia infravörös lesz.
Ha légkör nem nyelné el ezt a sugárzást, és nem melegítené a felszínt, azon alig mínusz 18 °C lenne a hőmérséklet.
Arrheniust elsősorban az érdekelte, hogy mi okozta a jégkorszakokat. Ezzel kapcsolatban arra jutott, hogy ha a légköri széndioxid-szint a felére csökkenne, az újabb jégkorszakot indítana be a bolygón. És fordítva: ha a gáz szintje megduplázódna, az átlagosan 5–6 °C-os felmelegedést váltana ki.
Főszerepben a szén-dioxid
A Japánban született, de karrierjét már az Egyesült Államokban megkezdő Manabe szintén azt igyekezett megérteni, hogyan befolyásolja a széndioxid-szint a hőmérsékletet. Ehhez olyan modelleket dolgozott ki, amelyek a levegő függőleges mozgását és vízgőz látens hőjét is tekintetbe vették.
A számítások leegyszerűsítése érdekében Manabe egy erősen redukált modellel dolgozott: egy függőleges légoszloppal, amely 40 kilométerre magasodik a légkörben. A különböző gázmennyiségekkel végzett szimulációk így is nagyon hosszú ideig tartottak, de a vizsgálatok végére
a kutató megmutatta, hogy míg az oxigén és a nitrogén hatása minimális a felszíni hőmérsékletre, a szén-dioxid mennyiségének megduplázása több mint 2 °C-kal növeli a globális átlaghőmérsékletet.
Ezt az első egydimenziós modellt 1975-ben egy háromdimenziós követte.
Hasselmann az időjárás és az éghajlat összefüggéseinek feltárásában játszott kulcsszerepet, megoldást találva arra, mit lehet kezdeni a gyors és kaotikus időjárási változásokkal az éghajlati modellekben. A Földön igen változatosan alakul a pillanatnyi időjárás, mivel a napsugárzás egyenetlenül oszlik el, időben és térben egyaránt. A magasabb szélességi körökre kevesebb napfény jut, mint az egyenlítőre, a megdőlt tengely évszakos eltéréseket okoz a beérkező napfény mennyiségében, és a hideg és meleg levegő eltérő sűrűsége miatt a hő változatosan áramlik a különböző szélességi körök, az óceán és a szárazföld, illetve a magasabb és az alacsonyabb légrétegek között.
Az időjárás előrejelzésében már 10 napra is nehéz előrelátni, annyira soktényezős rendszerről van szó, és annyira képtelenség minden tényező változását nyomon követni. A rendszert leírni képes egyenletek ráadásul nemlineárisak: a kezdeti értékekben bekövetkező legkisebb eltérés is nagyon eltérő időjárási rendszerek kialakulásához vezethet. Mindez lehetetlenné teszi a hosszú távú időjárás-előrejelzések megvalósulását.
Az éghajlati modellekkel azonban más a helyzet.
Hasselmannak 1980 körülre sikerült megmutatnia, hogy kaotikusan változó időjárást gyorsan változó zajként kezelve lehetséges hosszú távon, évszázadokra előre jelezni az éghajlat változásait.
Ezzel egyrészt szilárd tudományos alapokat biztosított az ilyen előrejelzéseknek, másrészt arra is kidolgozott módszereket, hogyan lehet azonosítani az emberi befolyást az éghajlat alakulására.
Az éghajlati modellek és az időjárási adatok közti kapcsolatot úgy képzelhetjük el, mintha egy kutyasétáltatás nyomán a kutya nyomaiból próbálnánk meghatározni az őt sétáltató nyomvonalát. Hasselmann sztochasztikus, vagyis a véletlenszerűséget is magába építő modelljével ez lehetségessé vált. A szakértő a modell segítségével azt is megmutatta, hogyan vezethetnek a gyors légköri változások lassabb óceáni varianciákhoz.
Ez a modell aztán alapvetőnek bizonyult az emberi hatás felderítéséhez is. Hasselmann rájött, hogyan szűrhet ki bizonyos jeleket az adathalmazból, amelyek az éghajlat változásához vezető tényezőket tárhatnak fel. Ilyenek voltak például a napsugárzás mennyiségében bekövetkező változások, a vulkanizmus és az emberi tevékenység is. Amelyről azóta Hasselmann munkájára alapozva egyértelművé vált, hogy meghatározó a jelenleg is zajló globális felmelegedésben.
Rendetlen rendszerek
Parisi 1970-es években kezdett rendezetlen komplex anyagok rejtett mintázataival foglalkozni. Felfedezéseivel megalapozta a komplex rendszerek működésével kapcsolatos elméleti tudásunkat, és lehetővé tette az olyan véletlenszerűnek tűnő rendszerek és anyagok megértését is leírását, amelyekkel a matematikától kezdve a biológián át az idegtudományig és a gépi tanulásig számtalan területen találkozhatunk.
A komplex rendszerek kutatásával kapcsolatos modern vizsgálatok a 19. század második felében kidolgozott, statisztikus mechanikai kutatásokon alapulnak, amelyeket James C. Maxwell, Ludwig Boltzmann és J. Willard Gibbs végzett. Az említett kutatók olyan anyagok viselkedésével foglalkoztak, amelyek nagy számú részecskéből állnak. A folyadékok és gázok leírásánál elkezdték figyelembe venni a részecskék véletlenszerű mozgását, és inkább azok átlagos hatását pórbálták meghatározni egy-egy részecske különálló vizsgálata helyett. A módszer alapvetőnek bizonyult a mikroszkopikus jelenségek és a makroszkopikus tulajdonságok összekapcsolásában.
Egy gáz részecskéit elképzelhetjük apró labdákként, amelyek ide-oda repkednek a térben. Ha a hőmérséklet növekszik, a labdák sebessége nő, ha a hőmérséklet csökken (vagy a nyomás nő), a labdák is lelassulnak. Elegendően nagy változás esetén a labdák folyadékká vagy szilárd anyaggá állnak össze, utóbbi esetben akár kristályos, vagyis magas szinten rendezett formát is felvehetnek. Ha azonban ez a változás gyorsan következik be, a labdák szabálytalanul is rendeződhetnek, ami a megszilárduláskor sem feltétlenül változik. Ha a gyors hűtést egymás után sokszor végzik el, a labdák minden esetben másfajta mintázatba fognak összeállni, annak ellenére, hogy a mintázatot létrehozó körülmények minden esetben egyformák. Parisit pontosan az érdekelte, hogy miért lesz mégis eltérő a végeredmény.
A szakértő ugyanakkor az egyszerű gázmodellnél jóval összetettebb modellel dolgozott: olyan ötvözeteket vizsgált, amelyekben például vasatomok vannak véletlenszerűen rézatomok kristályrácsába keverve. Bár a vasatomok száma nagyon alacsony, az anyag mágneses tulajdonságai rendkívül széles határok közt változhatnak. Minden vasatom egy apró mágnesként viselkedik, és hat a közeli vasatomokra. Míg azonban egy hétköznapi mágnesben a mágneses momentumok egy irányba rendeződnek, az ilyen rendszerekben egyes spinpárok egy irányba mutatnak, míg mások másfelé.
Az 1970-es években sokan foglalkoztak az ilyen rendszerek leírhatóságának problémájával, de végül
Parisi volt az első, akinek sikerült rejtett mintázatokat felfedezni az újra és újra elvégzett kísérletek végeredményei között, és ezt matematikailag leírni.
Újabb hosszú évekbe telt a matematikai leírás helyességének bizonyítása is, amelyet azóta rengeteg komplex rendszeren alkalmaztak – többek közt az éghajlati modellek kidolgozása során is.
