Nobelprijswinnaars Natuurkunde 2021
Illustratie: Niklas Elmehed

Nobelprijs voor klimaatonderzoekers

08 oktober 2021

De Nobelprijs voor natuurkunde is dit jaar toegekend aan drie wetenschappers voor hun onderzoek naar complexe systemen. De helft van de prijs gaat naar twee klimaatonderzoekers, Syukuro Manabe en Klaus Hasselmann. De andere helft gaat naar de theoretisch natuurkundige Giorgio Parisi voor de ontdekking van de interactie tussen wanorde en spontane organisatie in natuurkundige verschijnselen op de schaal van atomen tot op de schaal van planeten.

Klimaatmodellen gestoeld op natuurkundige principes

Manabe en Hasselmann krijgen de prijs voor hun pionierswerk op het gebied van de ontwikkeling van klimaatmodellen, de verklaring van variaties in het klimaat, en het voorspellen van de opwarming van de aarde. Dat hier een Nobelprijs voor is toegekend is bijzonder omdat klimaatonderzoek stoelt op natuurwetten die al lang bekend zijn. Het is een erkenning van het feit dat klimaatmodellen gefundeerd zijn op solide natuurkundige principes.  

Manabe: pionier in klimaatmodellering

Manabe werkte in de jaren zestig van de vorige eeuw in de Verenigde Staten aan de ontwikkeling van wat nu bekend staat als het eerste klimaatmodel. Manabe ontwikkelde eerst een kolommodel van onze atmosfeer waarin de energiestromen die samenhangen met straling en verticale bewegingen (convectie) elkaar in evenwicht houden.

Later breidde hij dat 1-dimensionale model uit tot een 3-dimensionaal ‘general circulation model’ (GCM). Dit model projecteerde een temperatuurstijging van 2,9 ℃ bij een verdubbeling van de CO2-concentratie (figuur 1), wat verrassend goed overeenkomt met de schatting uit het laatste IPCC klimaatrapport dat de werkelijke waarde waarschijnlijk ligt tussen 2,5 en 4 ℃. Uiteindelijk ontwikkelde hij met oceanograaf Kirk Bryan het eerste gekoppelde atmosfeer-oceaanmodel. Met deze modellen legde hij de basis voor de huidige klimaatmodellen.

Hasselmann: pionier in klimaatmodellen met 'ruis'

Hasselmann stond in de jaren zeventig aan de basis van de ontwikkeling van een geheel ander type modellen om variaties in het klimaat te beschrijven, de zogeheten stochastische klimaatmodellen. Hij zag in dat de snelle wisselingen in atmosferische winden door het komen en gaan van hoge- en lagedrukgebieden door de oceaan als ruis worden gezien. De oceaan integreert deze ruis tot langzamere variaties, zogenaamde ‘rode ruis’. Hij gaf daarmee een verklaring voor de waargenomen langzame variaties in zeewatertemperaturen (figuur 2). 

Het principe dat langzame variaties in een component van het klimaatsysteem kunnen ontstaan uit de interactie met veel sneller variërende componenten, is op vele aspecten van het klimaat van toepassing. Om die reden zijn stochastische klimaatmodellen bijzonder nuttig om de dynamica van complexe GCM’s en de waarnemingen beter te kunnen begrijpen. Hasselmann is ook de bedenker van fingerprinting, het idee dat de menselijke invloed op het klimaat een specifieke ruimtelijke structuur heeft. Dat maakt detectie van de menselijke invloed op het klimaat mogelijk in de ruis van natuurlijke variaties.

Giorgio Parisi: grondlegger van verklaring van organisatie in complexe systemen

Naast verklaringen van het gedrag van zogenaamde spinglas-systemen, materialen met willekeurig georiënteerde magnetische deeltjes, heeft Parisi ook voor een doorbraak gezorgd in de beschrijving van groeiende oppervlaktes. Denk bijvoorbeeld aan warme, vochtige lucht die opstijgt waarin wolken ontstaan. De buitenkant van een wolk is zo’n groeiend oppervlak. Dit oppervlak is een fractaal; als je een deel van de wolk onder een vergrootglas zou bekijken, zie je steeds weer dezelfde bloemkoolachtige structuren terug. Deze  ‘zelfgelijkvormigheid’ wordt in het Nederlands ook wel het Droste-effect genoemd.

Analyse van satellietfoto’s van wolkenvelden geeft het verbluffende resultaat dat, wanneer je het oppervlak van elke wolk logaritmisch uitzet tegen de omtrek van de wolk, alle punten op een rechte lijn vallen (figuur 3). De helling hiervan, 1,35 ± 0,05,  is gelijk aan de fractale dimensie van de wolkenrand. Deze fractale dimensie volgt uit de Kardar-Parisi-Zhang-vergelijking voor groeiende oppervlaktes. Large Eddy Simulaties (LES) op hoge resolutie van wolken geven hetzelfde resultaat, wat ons vertrouwen geeft dat de atmosferische turbulentie in deze modellen realistisch wordt beschreven. 

KNMI-klimaatbericht door Karin van der Wiel, Twan van Noije, Pier Siebesma en Frank Selten
 

Klimaatsimulaties van Manabe en Wetherald
Figuur 1. Klimaatsimulatie uit 1975 van Manabe en Wetherald. (links) De gemiddelde temperatuur tussen Noordpool en evenaar als functie van de hoogte. (rechts) De temperatuurverandering na CO2 verdubbeling. Bron: Journal of the Atmospheric Sciences, 1975.
Spectrum van zeetemperatuurvariaties
Figuur 2: Variaties op verschillende tijdschalen van de zeewatertemperatuur in de Noord-Atlantische Oceaan van1949 tot 1964 vergeleken met het model van Hasselmann. Hoe langzamer de variaties, hoe sterker, een kenmerk van ‘rode ruis’. Bron: Tellus, 1977.
Relatie tussen het oppervlak van een wolk en de omtrek
Figuur 3. Analyse van foto's van wolken vanuit de ruimte en radarbeelden van regengebieden geven een samenhang tussen het oppervlak en de omtrek van een wolk. Deze relatie volgt uit de Kardar-Parisi-Zhang-vergelijking voor groeiende oppervlaktes.

Recente nieuws- en klimaatberichten

  1. Klimaatsignaal’21: hoe staat het ervoor met het klimaat in Nederland?

    Het KNMI rapporteert hoe het klimaat in Nederland steeds sneller verandert. De nieuwste inzichten...

    25 oktober 2021 - Klimaatbericht
  2. Ook hogerop wordt het warmer

    Oorspronkelijk werd eventuele klimaatverandering vooral bediscussieerd met waarnemingen aan de gr...

    21 oktober 2021 - Klimaatbericht
  3. Water vraagt meer ruimte in stad van de toekomst

    Nu met de herfst het natste seizoen van het jaar is aangebroken, zien we de straten weer vaker on...

    19 oktober 2021 - Klimaatbericht
  4. KNMI-klimaatwetenschapper Geert Jan van Oldenborgh overleden

    Geert Jan van Oldenborgh (59) is dinsdag 12 oktober overleden. De bijdrage van Geert Jan aan de k...

    14 oktober 2021 - Klimaatbericht
Toon alle nieuws- en klimaatberichten