نوبل في الفيزياء 2021: كيف نفهم تغير المناخ؟

أي نظام فيزيائي مُعقَّد يتكون من كثير من الأجزاء المختلفة التي تتفاعل مع بعضها. تلك الأنظمة يدرسها الفيزيائيون منذ بضعة قرون، ومشكلتها أنها من الصعب وصفها رياضيًا، وقد تحتوي على عدد هائل من العناصر المشاركة أو قد تخضع لقوانين الصدفة. يمكن أيضًا أن تصبح فوضوية، والمثال الأشهر الطقس، إذ إن أي تغير بسيط في القيم الأولية ينتج عنه اختلافات هائلة في المراحل اللاحقة. الفائزون الثلاثة هذا العام بجائزة نوبل في الفيزياء ساهموا في اكتسابنا لمعرفة أكبر بمثل هذه الأنظمة المعقدة وكيفية تطورها على المدى البعيد.

في اليوم الثاني من جوائز نوبل 2021، تَشارك ثلاثة علماء جائزة نوبل في الفيزياء لأبحاثهم في تغير المناخ والأنظمة المعقدة في الفيزياء. وضع «شكورو مانابي» و«كلاوس هسلمان» أساس معرفتنا بمناخ الأرض وكيف تؤثر البشرية عليه، بينما العالم الثالث «جورجيو باريزي» مُنح نصف الجائزة على مساهماته الثورية في الأنظمة الفيزيائية المعقدة والعمليات العشوائية.

شوكورو مانابي، ولد عام 1931 في اليابان، وحصل على الدكتوراه عام 1957 من جامعة طوكيو، ويعمل الآن كعالم للأرصاد الجوية في جامعة برينستون بالولايات المتحدة الأمريكية. بينما كلاوس هسلمان، من مواليد عام 1931 في هامبورج بألمانيا، حصل على الدكتوراه عام 1957 من جامعة جوتينجن، ويعمل الآن كأستاذ بمعهد ماكس بلانك للأرصاد الجوية في هامبورغ. أما جورجيو باريزي، ولد عام 1948 في روما بإيطاليا، وحصل على الدكتوراه عام 1970 من جامعة سابينزا في روما، ويعمل كأستاذ بنفس الجامعة.

منحت لجنة نوبل كلاً من «شوكورو مانابي» و«كلاوس هسلمان» نصف الجائزة لعملهما الرائد في تطوير نماذج المناخ، بينما حصل «جورجيو باريزي» على نصف الجائزة الآخر لتقديمه حلولًا نظرية لمجموعة متنوعة من المشاكل في نظرية الأنظمة المعقدة. فما هي قصة التغير المناخي؟ وكيف يمكننا فهم تلك الأنظمة المعقدة؟

تأثير الغازات الدفيئة

قبل مائتي عام، درس الفيزيائي الفرنسي «جوزيف فورييه» توازن الطاقة بين إشعاع الشمس المتجه نحو الأرض وبين الإشعاع المنعكس من سطح الأرض، وحينها فهم دور الغلاف الجوي في هذا التوازن. عند سطح الأرض، يتحول الإشعاع الشمسي القادم إلى إشعاع صادر يمتصه الجو، وبهذا يقوم بتسخينه. الدور الذي يؤديه الغلاف الجوي لحماية الكوكب يُعرف الآن بتأثير الغازات الدفيئة، أو تأثير البيت الزجاجي. يأتي هذا الاسم من تشابه الألواح الزجاجية في مشتل النباتات، التي تسمح بمرور أشعة الشمس، ولكنها تحبس الحرارة بالداخل، لكن بالطبع، العمليات الإشعاعية التي تحدث في الغلاف الجوي أكثر تعقيدًا.

ومنذ محاولات فورييه، أصبحت نماذج المناخ الحالية أدواتٍ قوية للغاية، ليس لفهم المناخ فحسب، ولكن لفهم الاحتباس الحراري العالمي الذي يتحمل مسئوليته البشر. تستند هذه النماذج إلى قوانين الفيزياء، وتم تطويرها من النماذج التي تُستخدم للتنبؤ بحالة الطقس.

يُوصف الطقس بمكونات الأرصاد الجوية، مثل درجة الحرارة أو هطول الأمطار أو الرياح أو الغيوم، كما يتأثر بما يحدث في المحيطات وعلى اليابسة. بينما تستند نماذج المناخ إلى الخصائص الإحصائية المحسوبة للطقس، مثل متوسط ​​قيم درجات الحرارة، بالإضافة للقيم الكبرى والصغرى. لا يمكن لهذه الخصائص أن تخبرنا بما سيكون عليه الطقس في القاهرة يوم 20 ديسمبر العام المقبل مثلًا، لكن يمكننا أن نحصل على فكرة عن درجة الحرارة أو مقدار هطول الأمطار المُتوقعة في المتوسط ​​بالقاهرة خلال ديسمبر من العام المقبل.

تأثير الغازات الدفيئة ضروري لاستمرار الحياة على الأرض عبر تحكمه في درجات الحرارة، لأن الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي، وهي ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء وغيرها من الغازات، تمتص أولًا الإشعاعات تحت الحمراء الصادرة من الأرض، ثم تطلق هذه الطاقة الممتصة، مما يسهم في تسخين الهواء المحيط واليابسة أسفله.

تشكل الغازات الدفيئة فعليًا نسبة صغيرة جدًا من الهواء الجاف للأرض، وهو في أغلبه نيتروجين وأكسجين بنسبة 99% من حيث الحجم، ثاني أكسيد الكربون يمثل 0.04% فقط من حيث الحجم، بينما أقوى الغازات الدفيئة بخار الماء، لكن لا يمكننا التحكم في تركيز بخار الماء في الغلاف الجوي، بينما يمكننا التحكم في تركيز ثاني أكسيد الكربون.

تعتمد كمية بخار الماء في الجو اعتمادًا كبيرًا على درجة الحرارة، المزيد من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يجعل الجو أكثر دفئًا، مما يسمح بمزيد من بخار الماء الذي يعلق في الهواء، مما يزيد من تأثير الغازات الدفيئة، ويرفع درجات الحرارة أكثر. إذا انخفض مستوى ثاني أكسيد الكربون، فإن بعض بخار الماء سيتكثف وستنخفض درجة الحرارة.

كيف يؤثر ثاني أكسيد الكربون على درجات الحرارة؟

جاء حل أول قطعة من اللغز حول تأثير ثاني أكسيد الكربون من الباحث السويدي، الحائز على جائزة نوبل، سفانت أرينيوس. إذ فهم الفيزياء المسئولة عن تأثير الغازات الدفيئة بحلول نهاية القرن التاسع عشر. فكلما كان مصدر الإشعاع أكثر سخونة كان الطول الموجي للأشعة أقصر. فمثلًا درجة حرارة سطح الشمس تبلغ 6000 درجة مئوية وينبعث منها أشعة في الطيف المرئي. الأرض، بدرجة حرارة سطحية تبلغ 15 درجة مئوية فقط، تعيد الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء التي لا نراها. لهذا إن لم يمتص الغلاف الجوي هذا الإشعاع، فإن درجة حرارة سطح الأرض بالكاد ستتجاوز (-18) درجة مئوية، أي أقل من الصفر بـ 18 درجة كاملة.

كان أرينيوس يحاول اكتشاف الظاهرة وراء تكون العصور الجليدية، وحينها وصل إلى استنتاج أنه إذا انخفض مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى النصف، فسيكون هذا كافيًا لكوكب الأرض أن يدخل عصرًا جليديًا جديدًا. والعكس صحيح، إذا تضاعفت كمية ثاني أكسيد الكربون سترتفع درجة الحرارة بنحو 5 إلى 6 درجات مئوية، وهي نتيجة قريبة للغاية من التقديرات الحالية.

في خمسينيات القرن الماضي، كان الفيزيائي الياباني شوكورو مانابي أحد الباحثين الشباب الموهوبين في طوكيو ممن غادروا اليابان، بعد أن دمرتها الحرب العالمية الثانية، وأكمل حياته المهنية في الولايات المتحدة. كان الهدف من أبحاث منابي، مثل أبحاث أرييوس قبله بسبعين عامًا، فهم كيف يؤثر ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في ارتفاع درجات الحرارة. وفي حين ركزت أبحاث أرينيوس على توازن الإشعاعات، إلا أن منابي، في الستينيات، بدأ العمل على تطوير نماذج فيزيائية لإدماج الانتقال الرأسي لكتل الهواء، وكذلك الحرارة الكامنة في بخار الماء.

وبهدف التحكم في تلك الحسابات، اختار تقليل النموذج إلى بعد واحد؛ عمود رأسي بطول 40 كيلومترًا في الغلاف الجوي. ومع ذلك، استغرق الأمر مئات الساعات من الحوسبة القوية لاختبار النموذج عبر تغيير مستويات الغازات في الغلاف الجوي. كان لكل من الأكسجين والنيتروجين تأثيرات ضئيلة على درجة حرارة السطح، في حين أن ثاني أكسيد الكربون كان له تأثير واضح؛ عندما تضاعف مستوى ثاني أكسيد الكربون، ارتفعت درجة الحرارة السطح بأكثر من 2 درجة مئوية.

أكد النموذج الذي اقترحه منابي أن هذه التدفئة كانت نتيجة لزيادة في ثاني أكسيد الكربون فعلًا، لأنه تنبأ بارتفاع درجات الحرارة بالقرب من سطح الأرض بينما أصبح الغلاف الجوي العلوي أكثر برودة. أما إذا كانت اختلافات الأشعة الشمسية مسؤولة عن ارتفاع درجة الحرارة بدلًا من ذلك، هنا يجب أن ترتفع درجة حرارة الجو بأكمله في نفس الوقت.

منذ ستين عامًا، كانت أجهزة الكمبيوتر أبطأ بمئات الآلاف من المرات مما هي عليه الآن، لذا كان هذا النموذج بسيطًا نسبيًا، لكن مانابي وصل إلى الخصائص الصحيحة للنموذج. أدت الأفكار التي قدمها نموذج البعد الواحد إلى نموذج المناخ في ثلاثة أبعاد، الذي نشره مانابي في عام 1975، وهو كان محطة مهمة أخرى على الطريق لفهم أسرار المناخ.

فوضى الطقس وتأثير البشر على المناخ

بعد نحو عشر سنوات من مانابي، نجح كلاوس هاسلمان في الربط بين الطقس والمناخ عبر إيجاد طريقة للتغلب على تغييرات الطقس السريعة والفوضوية التي كانت تسبب مشاكل ضخمة للحسابات الرياضية.

يملك كوكبنا تغيرات واسعة في الطقس، لأن الإشعاع الشمسي لا يُوزع بصورة متساوية جغرافيًا أو عبر الزمن. وبما أن الأرض كروية، تصل كمية قليلة من أشعة الشمس إلى خطوط العرض العليا، أكثر من خطوط العرض السفلى حول خط الاستواء. ليس هذا فحسب، بل إن محور الأرض نفسه مائل، مما ينتج عنه الاختلافات الموسمية في الإشعاعات القادمة. اختلاف الكثافة بين الهواء الدافئ والبارد يسمح بالنقل الهائل للحرارة بين خطوط العرض المختلفة، وبين المحيط واليابسة، وبين كتل الهواء العليا والسفلى، مما ينتج عنه أحوال الطقس المختلفة على كوكبنا.

وضع تنبؤات موثوقة حول الطقس لأكثر من 10 أيام قادمة يعدّ تحديًا صعبًا، وهذا يرجع جزئيًا لأنه، عند القياس العملي، من المستحيل أن نصل إلى دقة بما فيه الكفاية، لتحديد درجة حرارة الهواء أو الضغط والرطوبة أو ظروف الرياح لكل نقطة في الغلاف الجوي. كما أن المعادلات ليست خطية، بمعنى أن أي تغير بسيط في القيم الأولية سيؤدي إلى تطور نظام الطقس بطرق مختلفة تمامًا عمّا كنا نتوقعه. استنادًا إلى قصة «أثر الفراشة» الشهيرة، إن رفرفت فراشة بأجنحتها في الصين قد تسبب إعصارًا في أقصى الولايات المتحدة، وهي ظاهرة معروفة في نظرية الفوضى.

من الناحية العملية، كل هذا يعني استحالة وضع توقعات للطقس على المدى الطويل، ببساطة لأن الطقس فوضوي للغاية؛ جاء هذا الاكتشاف في الستينيات من عالم الأرصاد الأمريكي إدوارد لورينز الذي وضع أساس نظرية الفوضى كما نعرفها اليوم.

حسنًا، كيف يمكننا إنتاج نماذج مناخ موثوقة لعدة عقود أو مئات السنين في المستقبل، بالرغم من أن الطقس هو أحد الأمثلة الواضحة لأنظمة الفوضى؟

في عام 1980، أظهر كلاوس هاسلمان كيف يمكن وصف ظاهرة الطقس الفوضوية بأنها تشويش يتغير سريعًا، مما يؤدي إلى وضع تنبؤات مناخية طويلة الأجل على أساس علمي قوي، بالإضافة إلى أنه طور أساليب لتحديد التأثير البشري على درجة الحرارة العالمية.

لتوضيح الحصول على نموذج المناخ من بيانات الطقس المشوش يمكننا أن نضرب مثالًا بتمشية كلبك في الشارع، إذ يتقافز الكلب للخلف وللأمام ومن جانب إلى آخر وحول ساقيك، فكيف يمكنك استخدام آثار أقدام الكلب لتعرف ما إذا كنت تسير أو تقف مكانك؟ أو ما إذا كنت تسير بسرعة أو ببطء؟ آثار الأقدام يمكن اعتبارها تغييرات الطقس، وخطواتك في المشي هي المناخ الذي نود أن نحسبه. هل من الممكن استخلاص توقعات طويلة المدى للمناخ باستخدام بيانات الطقس الفوضوية والمشوشة؟

وضع هاسلمان نموذجًا مناخيًا عشوائيًا، مما يعني أنه دمج الصدفة داخل هذا النموذج. جاء مصدر إلهامه من نظرية الحركة البراونية، وهي الحركة العشوائية التي لا تخضع لأي تحكم للجزيئات في أي سائل لأنها تصطدم باستمرار مع جزيئات أخرى. باستخدام تلك النظرية، أظهر هاسلمان أن التغير السريع في المناخ يمكن أن يسبب اختلافات في المحيطات ببطء.

كما طور هاسلمان طرقًا لتحديد التأثير البشري على نظام المناخ، إذ وجد أن تلك النماذج، إلى جانب الملاحظات النظرية، تقدم معلومات كافية حول خصائص التشويش والإشارات. على سبيل المثال، التغييرات في الإشعاع الشمسي والجزيئات البركانية أو مستويات الغازات الدفيئة تمثل إشارات فريدة من نوعها أو بصمات، يمكن فصلها والبحث فيها. كما يمكن أيضًا تطبيق هذه الطريقة لتحديد البصمات المميزة لتأثير البشر على نظام المناخ. وبهذا فتح هاسلمان الطريق إلى مزيد من دراسات تغير المناخ التي أثبتت آثار التدخل البشري على المناخ العالمي بواسطة عدد كبير من الملاحظات المستقلة.

تحسنت وتطورت نماذج المناخ كثيرًا منذ ذلك الحين، وتضمنت التفاعلات المعقدة للمناخ بصورة أكثر شمولًا، مثلًا عبر قياسات الأقمار الاصطناعية وملاحظات الطقس. ساهم كل من شوكور منابي وكلاوس هلسمان بتوفير أساس فيزيائي قوي لمعرفتنا بمناخ الأرض. لم يعد بإمكاننا أن ننكر معرفتنا، نماذج المناخ لا تكذب. هل ترتفع درجة حرارة سطح الأرض؟ نعم، ترتفع. هل السبب هو زيادة كميات الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي؟ نعم، هذا صحيح. هل يمكن شرح هذا بالعوامل الطبيعية فحسب؟ الإجابة: لا. هل الانبعاثات التي تسببها البشرية سبب في زيادة درجة حرارة الأرض؟ نعم، هذا حقيقي.

الظواهر العشوائية والأنظمة المعقدة

في عام 1980، قدم جورجيو باريزي اكتشافاته حول القواعد الخفية التي تحكم الظواهر العشوائية، وتعدّ أبحاثه الآن من بين أهم المساهمات في نظرية الأنظمة المعقدة. تأتي معظم الدراسات الحديثة للأنظمة المعقدة من الميكانيكا الإحصائية التي طورها العلماء في النصف الثاني من القرن التاسع عشر، أمثال جيمس ماكسويل. تطورت الميكانيكا الإحصائية كطريقة جديدة وضرورية لوصف الأنظمة، مثل الغازات أو السوائل، التي تتكون من أعداد كبيرة من الجزيئات. كان على هذه الطريقة أن تأخذ الحركات العشوائية للجزيئات بعين الاعتبار، لذا كانت الفكرة الأساسية هي حساب تأثير متوسط ​​الجزيئات بدلًا من دراسة كل جسيم على حدة. على سبيل المثال، درجة الحرارة في الغاز هي مقياس متوسط ​​قيمة طاقة جزيئات الغاز.

يمكن اعتبار الجزيئات في الغاز مثل كرات صغيرة، تحلق بسرعات تزيد مع ارتفاع درجات الحرارة. عندما تنخفض درجة الحرارة، أو يزيد الضغط، فإن الكرات تتكثف أولًا إلى حالة سائلة ثم إلى صلبة. غالبًا ما تكون هذه الحالة الصلبة بلورات، حيث يتم توزيع الكرات في نمط منتظم. ومع ذلك، إن حدث هذا التغيير سريعًا، فقد تشكل الكرات نمطًا غير منتظم لا يتغير حتى إن كان السائل يبرد أو ينضغط. إذا تكررت التجربة، فسوف تشكل الكرات نمطًا جديدًا، بالرغم من أن التغيير يحدث بنفس الطريقة بالضبط، لماذا تأتي النتائج مختلفة؟

هذه الكرات المضغوطة هي نموذج بسيط للزجاج العادي والمواد الحبيبية، مثل الرمال أو الحصى. ومع ذلك، فإن ما درسه باريزي كان نوعًا مختلفًا من الزجاج، وهو نوع خاص من سبائك معدنية تختلط بها ذرات الحديد عشوائيًا في شبكة من ذرات النحاس.

هذا النوع من الزجاج وخصائصه الغريبة يوفر نموذجًا للأنظمة المعقدة. وفي السبعينيات، بحث العديد من الفيزيائيين للحصول على وسيلة لوصف تلك الصفات الغامضة. في عام 1979، اكتشف باريزي طريقة لوصف تلك الصفات رياضيًا، واستغرق الأمر سنوات عدة لكي يُثبت صحة هذا الحل رياضيًا. ومنذ ذلك الحين، استخدمت طريقته في العديد من الأنظمة العشوائية وأصبحت أساسًا لنظرية الأنظمة المعقدة.

كما درس جورجيو باريزي العديد من الظواهر الأخرى التي تلعب فيها العمليات العشوائية دورًا حاسمًا في كيفية إنشاء هياكلها وتطورها، وتتعامل مع أسئلة مثل: لماذا لدينا عصور ثلجية متكررة دوريًا على مدار التاريخ؟ هل هناك وصف رياضي عام أكثر للفوضى والأنظمة العشوائية؟ كما يرى أن معظم أبحاثه تناولت كيف تؤدي السلوكيات البسيطة إلى سلوكيات جماعية معقدة.