מחצית הפרס תוענק לחוקרים שפיתחו מודלים לחיזוי שינויי אקלים, ומחציתו לחוקר מערכות מורכבות

פרס נובל בפיזיקה יוענק השנה לשלושה חוקרים של מערכות מורכבות. מחצית הפרס תוענק לשוקורו מנאבה (Manabe) מאוניברסיטת פרינסטון בארצות הברית, שהראה איך עליית הריכוז של פחמן דו-חמצני באטמוספרה גורמת לעליית הטמפרטורה על פני כדור הארץ, ולקלאוס הסלמן (Hasselmann) ממכון מקס פלנק למטאורולוגיה בהמבורג, שהראה כיצד שינויי אקלים עשויים להשפיע על מזג האוויר וכיצד אפשר לזהות השפעה של פעילות האדם על האקלים. שיטות אלו שימשו כדי להוכיח שההתחממות הגלובלית נגרמת מפליטת פחמן דו חמצני, שמקורה בפעילות האדם. המחצית השנייה של הפרס תוענק לג'ורג'ו פריזי (Parisi) מאוניברסת ספיאנצה ברומא, על פיתוח מודלים תיאורטיים המאפשרים לחקור מערכות מורכבות ביותר, בהן גם מערכות אקלים. פריזי זכה השנה בפרס וולף על מחקריו בפיזיקה תיאורטית. 


רמה גבוהה מאוד של מורכבות. מימין: מנאבה, הסלמן, ופריזי | איורים: אתר פרס נובל

הגזים והחממה

הגורם המשמעותי ביותר באקלים שלנו הוא השמש. בלי קרינת השמש היינו קופאים בטמפרטורה של כמה מעלות מעל לאפס המוחלט (כ-273 מעלות צלזיוס מתחת לאפס). עם זאת, בלי האטמוספרה ואפקט החממה, הטמפרטורה הממוצעת בכדור הארץ הייתה בערך מינוס 18 מעלות צלזיוס, היינו נשרפים בכל פעם שהשמש זורחת, וקופאים חזרה כשהיא שוקעת. בירח למשל, בהעדר אטמוספרה, הפרש הטמפרטורות בין הלילה ליום הוא קרוב ל-300 מעלות צלזיוס. 

קרינת השמש מחממת את האטמוספרה ואת פני כדור הארץ כאשר היא נבלעת בהם, וחלק מהאנרגיה נפלט חזרה כקרינה תת-אדומה, או קרינת חום. חלק מהקרינה הזו נבלע באטמוספרה או מוחזר ממנה כלפי מטה, אל פני כדור הארץ, וחלקה נפלט אל החלל. כל עוד כמות הקרינה המוחזרת אל פני כדור הארץ זהה לכמות שנפלטת מהם, לא נחווה חימום או קירור משמעותי של האקלים העולמי. גזי חממה, כמו אדי מים ופחמן דו-חמצני, בולעים קרינה תת-אדומה במה שמכונה "אפקט החממה", וכך משנים את מאזן האנרגיה בין קרינת השמש הנבלעת והקרינה הנפלטת לחלל. עם זאת, הפרטים המדויקים של אפקט החממה, ואיך הוא משפיע על האקלים כולו, מורכבים ביותר. 

מנאבה הראה במחקריו שכדי להבין את השפעת ריכוז הפחמן הדו-חמצני על אקלים כדור הארץ, לא די לנתח את מאזן הקרינה, אלא חשוב להבין לעומק את תנועת האוויר באטמוספרה, וכן להתחשב בחום הכמוס האגור באדי המים. אוויר חם עולה בתנועת הסעה (קונבקציה) אל אזורים קרים יותר, שם אדי המים שהוא מכיל מתעבים לטיפות ומשחררים את החום הכמוס שלהם. ככל שהאוויר חם יותר, הוא עולה גבוה יותר, ויכול להכיל יותר אדי מים. תחילה, מנאבה חקר מודל פשטני, שבו האוויר נע רק מעלה ומטה, על פני כ-40 קילומטרים. לאחר חישובים ארוכים הוא הראה כי שינוי בריכוזים של החמצן והחנקן באטמוספרה אינם משמעותיים לאקלים, אך הכפלה של ריכוז הפחמן הדו-חמצני תוביל להתחממות של כשתי מעלות צלזיוס בפני הקרקע. בנוסף, בניגוד להתחממות משינוי הקרינה מהשמש, המודל הראה כי עלייה בריכוז הפחמן הדו חמצני מובילה דווקא לקירור שכבות האטמוספרה העליונות, מה שמאפשר להבדיל בין מקורות החימום. 

בהמשך, מנאבה שכלל את המודל שלו למודל תלת-ממדי ואף הוסיף את ההשפעה ההדדית בין האטמוספרה לאוקיינוסים. עד היום מודלים אלו הם רכיב מרכזי בחיזוי ובהבנה של האקלים ומזג האוויר בכדור הארץ. לפי מנאבה, אי אפשר להתחרות עם המורכבות של הטבע, ולכן כדי להבין אותו אנחנו חייבים תחילה למצוא הנחות מפשטות מתאימות. לטענתו, כל טיפת גשם היא תולדה של פיזיקה כה מורכבת, עד שלעולם לא נוכל לחשב את כל הפרטים שמרכיבים את מערכת האקלים. 

ממודל פשוט למערכת מסובכת המושפעת משתנים רבים. המודל הבסיסי של מנאבה לאפקט החממה | תרגום מאתר פרס נובל
ממודל פשוט למערכת מסובכת המושפעת משתנים רבים. המודל הבסיסי של מנאבה לאפקט החממה | תרגום מאתר פרס נובל

עושים סדר בכאוס

כולנו יודעים שקשה מאוד לחזות מה יהיה מזג האוויר יותר מכמה ימים קדימה. חלק מזה הוא בגלל הקושי למדוד בדיוק, ובכל מקום באטמוספרה, את כל הגורמים המשפיעים עליו, הכוללים טמפרטורה, לחות, לחץ ברומטרי, צפיפות האטמוספרה, קרינה, וכן כיוון הרוח ועוצמתה. קרינת השמש הנבלעת למשל, שונה בזמנים שונים ובאזורים שונים. העובדה שהארץ היא כדור גורמת לכך שהקרינה חלשה יותר ככל שמתקרבים לקטבים, ונטיית ציר הסיבוב של כדור הארץ מובילה לשינויים בקרינה הגורמים לעונות השנה. הקרינה, הטמפרטורה, והפרשי הצפיפות והלחץ, גורמים לתנועה אדירה של אוויר ושל חום בין קווי הרוחב, בין האוקיינוסים ליבשה, ובין גבהים באטמוספרה. תנועות אלה מניעות את מערכות מזג האוויר בכדור הארץ.  

לפני כמאתיים שנים, הפיזיקאי והמתמטיקאי הצרפתי פייר סימון דה-לפלס (Laplace) טען שאם רק נדע בדיוק את המיקום ואת המהירות של כל חלקיקי האוויר באטמוספירה, נדע בדיוק את מזג האוויר בעבר ובעתיד. למרות שהיה מדען גדול, בכך לפלס טעה מאוד. מעבר לקושי למדוד הכל במדויק, המשוואות המתארות את מזג האוויר הן לא לינאריות, לכן שינוי קטן באחד הפרמטרים יכול לגרום לשינוי גדול במזג האוויר. תופעה זו מכונה לעיתים אפקט הפרפר, בשל הדוגמה המפורסמת שלפיה משק כנפיו של פרפר בצידו האחד של העולם יכול לגרום לסופה בצידו האחר. קלאוס הסלמן הבין זאת, והראה איך אפשר להתייחס למערכות מזג אוויר כאוטיות כאל רעש המשתנה מהר, ולחשב את ההשפעה ארוכת הטווח של רעש זה על האקלים. בנוסף, המודלים שלו מכילים בתוכם את אי הסדר האופייני לעולם האמיתי, תוך שהם שואבים השראה ממודל התנועה הבראונית של אלברט איינשטיין

הסלמן גם תרם תרומה מכרעת להבנה שפעילות האדם היא זו שגורמת כיום להתחממות האקלים, ולא תופעות טבעיות. הוא מצא שהמודלים, עם תצפיות ושיקולים תיאורטיים, מכילים מידע חשוב על הרעשים ומאפיינים נוספים. למשל, שינוי בקרינת השמש, ריכוז החלקיקים הגעשיים באטמוספרה, או כמות גזי החממה, יוצרים בתורם שינויים בעלי מאפיינים יחודיים, מעין טביעות אצבע, כך שאפשר להבחין אם שינוי האקלים נגרם מגורם זה או אחר. שימוש בשיטה זו איפשר גם להבין את החשיבות פליטות גזי החממה בפעילות האדם לשינוי האקלים. בכך, הסלמן פרץ את הדרך למחקרים רבים נוספים, עם מודלים ומדידות טובות מאי פעם, אשר הראו כי פעילות האדם, שהובילה במאה האחרונה לעלייה של כ-40 אחוזים בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, היא  האחראית לשינויי האקלים שאנו חווים כיום. הפאנל הבין לאומי לחקר שינויי האקלים, IPCC, קבע בדו"ח האחרון, שפורסם לפני כחודשיים, כי לא נותר עוד מקום לספק  שפליטות גזי חממה בעקבות פעילות האדם הן המקור העיקרי להתחממות כדור הארץ. 

פליטת גזי חממה בעקבות פעילות האדם, כמו תעשייה ותחבורה, היא האחראית לשינויי האקלים. תוצאות המדידות והמודלים עם ובלי השפעת האדם | תרגום מאתר פרס נובל
פליטת גזי חממה בעקבות פעילות האדם, כמו תעשייה ותחבורה, היא האחראית לשינויי האקלים. תוצאות המדידות והמודלים עם ובלי השפעת האדם | תרגום מאתר פרס נובל

זכוכית נוזלית וציפורים נודדות

מערכות מזג אוויר ואקלים הן כאמור בין המערכות המורכבות ביותר מבחינה פיזיקלית. חלק ניכר מהתשתית התיאורטית לחקר מערכות כאלה הניח הפיזיקאי האיטלקי ג'ורג'ו פריזי, מאוניברסיטת ספיאנצה ברומא, שמחקריו המאפשרים להבין טוב יותר תופעות מורכבות במערכות שנראות חסרות סדר.

בסדרה של מאמרים פורצי דרך בשנות השמונים שינה פריזי את התפיסות המקובלות לגבי המבנה של מערכות חסרות-סדר. הוא חקר מערכות פיזיקליות שנקראות זכוכיות-ספין: חומר מוצק בעל תכונות מגנטיות של נוזל. שילוב התכונות נובע מכך שהאטומים בגבישים מסודרים במרחב כמו בחומר מוצק, אבל הספינים, או כיווני הסיבוב של האטומים, עוברים בין האטומים, ומתנהגים בעצמם כמו חלקיקים. האטומים למעשה מחליפים את כיוון הסיבוב שלהם, ומאפשרים את ההתנהגות הייחודית של הגביש. בגבישים רבים האטומים מסודרים במבנה ריבועי, כך שאפשר לאזן אנרגטית בין הספינים שלהם (שניים מסתובבים בכיוון אחד ושניים בכיוון הפוך), אבל האטומים של זכוכית ספין מסודרים במבנה דמוי משולש, שבו אי אפשר לאזן בין הספינים, ולכן יש מספר אינסופי של מצבים אנרגטיים מורכבים, האחראים לתכונות הייחודיות של החומר. פריזי ניסח ופתר את המשוואות המתארות את התנהגות האטומים בסריג המשולש, וכך הצליח לתאר את התנהגות החומר הזה. מתוך הפתרון הוא הצליח לתאר מתמטית תופעות האופייניות למערכות מורכבות, כמו תנודות שונות, התערבלות ועוד. מהמודל הזה פיתח פריזי את היסודות למסקנות חשובות על מערכות מורכבות נוספות, מחומרים מורכבים ועד רשתות עצביות.

ב-1986 פרסם פריזי עם ייִ צ'נג ז'אנג (Zhang) ומהרן קרדר (Kardar) את משוואת KPZ, העוסקת בפיזיקה סטטיסטית ומאפשרת לחקור מגוון רחב של תופעות, כגון דרך ההיווצרות של גבישים על גבי משטחים. 

תרומתו של פריזי לפיזיקה התיאורטית נוגעת בתחומים רבים נוספים, ובהם מעברי פאזות, פיזיקה מתמטית, תורת המיתרים, מכניקה סטטיסטית ועוד. עבודותיו נוגעות גם למגוון רחב של יישומים מחקריים – מבניית מחשבים, דרך התנהגות מערכת החיסון ועד המבנה הארגוני של להקות ציפורים נודדות. 

שינה את התפיסות המקובלות לגבי מערכות כאוטיות. פריזי (במרכז) מקבל את פרס וולף בשגרירות ישראל ברומא. עוד בתמונה, מימין: מנכ"לית קרן וולף רעות ינון ברמן, מ"מ יו"ר הקרן, פרופ' דן שכטמן, רקטורית אוניברסיטת רומא אנטונלה פולימני ושגריר ישראל באיטליה, דרור אידר | צילום: קרן וולף
פריזי (במרכז) מקבל את פרס וולף בשגרירות ישראל ברומא. עוד בתמונה, מימין: מנכ"לית קרן וולף רעות ינון ברמן, מ"מ יו"ר הקרן, פרופ' דן שכטמן, רקטורית אוניברסיטת רומא אנטונלה פולימני ושגריר ישראל באיטליה, דרור אידר | צילום: קרן וולף

דוקטורט בגיל 22, נובל בגיל 90

שוקורו מנאבה נולד ב-1931 ביפן, וסיים ב-1957 לימודי דוקטורט באוניברסיטת טוקיו. לאחר מכן עבר לארצות הברית, ועסק בחקר מודלים אטמוספריים במעבדה לחקר דינמיקה של זורמים גיאופיזיקליים בסוכנות האמריקאית לחקר האוקינוסים והאטמוספרה (NOAA). בשנת 1997 חזר ליפן כחוקר בכיר בתחום שינויי האקלים, וב-2002 שב לארצות הברית, ובגיל 90 הוא עדיין מנהל את מעבדת המטאורולוגיה באוניברסיטה. הוא חבר באקדמיות הלאומיות של ארצות הברית, יפן והאיחוד האירופי, וזכה בפרסים רבים על מחקריו, בהם פרס "כוכב הלכת הכחול" המוענק ביפן (1992) ומדליית בנג'מין פרנקלין (2015). 

קלאוס הסלמן נולד ב-1931 בהמבורג, וב-1955 סיים לימודי תואר ראשון במתמטיקה ופיזיקה באוניברסיטת המבורג. הוא המשיך ללימודי דוקטורט באוניברסיטת גטינגן, ולאחר מכן היה פרופסור באוניברסיטת המבורג. ב-1975 ייסד בעיר את מכון מקס פלנק למטאורולוגיה, ועמד בראשו עד 1999. הוא גם מילא תפקידים ציבוריים וב-2001 היה ממייסדי פורום האקלים האירופי. הוא זכה על עבודותיו בפרסים רבים, בהם מדליית האגודה האמריקאית למטאורולוגיה (1971), מדליית מהאגודה הבריטית למטאורולוגיה (1997), ומדליית האגודה האירופית למטאורולוגיה (2002). 

ג'ורג'ו פריזי נולד ברומא ב-1948 ובגיל 22 כבר סיים דוקטור בפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת ספיאנצה בעיר. הוא עבד במעבדת החלקיקים האיטלקית ובגיל 31 מונה לפרופסור באוניברסיטה שבה למד. רשימת הפרסים המדעיים שבהם זכה ארוכה מאוד, וכוללת בין השאר את פרס בולצמן (1992), מדליית דיראק (1999), פרס פרמי (2002), מדליית מקס פלנק (2011) וכאמור פרס וולף השנה. הוא כתב יותר מ-500 מאמרי מחקר, וכמה ספרים, ומ-2016 עומד בראש תנועה להצלת המחקר באיטליה, הקוראת לגופים במדינה ובשאר אירופה להגדיל את המימון למחקר מדעי בסיסי. היוקרה של פרס נובל בפיזיקה עשויה לסייע לו בקידום המטרה.