En esta foto de archivo del viernes 17 de abril de 2015, un empleado de la biblioteca nacional muestra la medalla de oro del Premio Nobel. El Premio Nobel de Física se entregará el martes 5 de octubre de 2021. Crédito: AP Photo/Fernando Vergara, File

Tres científicos ganaron el Premio Nobel de Física el martes por su trabajo que encontró orden en el aparente desorden, ayudando a explicar y predecir fuerzas complejas de la naturaleza, incluida la ampliación de nuestra comprensión del cambio climático.

Syukuro Manabe, originario de Japón, y Klaus Hasselmann de Alemania fueron citados por su trabajo en "el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo confiablemente el calentamiento global".

La segunda mitad del premio fue otorgada a Giorgio Parisi de Italia por "el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria".

Los tres trabajan en lo que se conoce como "sistemas complejos", de los cuales el clima es solo un ejemplo.

Los jueces dijeron que Manabe, de 90 años, y Hasselmann, de 89, "sentaron las bases de nuestro conocimiento del clima de la Tierra y cómo las acciones humanas influyen en él".

A partir de la década de 1960, Manabe demostró cómo los aumentos en la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera elevarían las temperaturas de la superficie global, sentando las bases de los modelos climáticos actuales.

Aproximadamente una década después, Hasselmann creó un modelo que ayudó a explicar por qué los modelos climáticos pueden ser confiables a pesar de la naturaleza aparentemente caótica del clima. También desarrolló formas de buscar signos específicos de influencia humana en el clima. 


Parisi "construyó un modelo físico y matemático profundo" que hizo posible comprender sistemas complejos en campos tan diferentes como las matemáticas, la biología, la neurociencia y el aprendizaje automático.

Su trabajo se centró originalmente en el llamado vidrio giratorio, un tipo de aleación metálica en la que los átomos están dispuestos de una manera que cambia las propiedades magnéticas del material de formas aparentemente aleatorias que desconcertaron a los científicos. Parisi, de 73 años, pudo descubrir patrones ocultos que explicaban este comportamiento, teorías que también podrían aplicarse a otros campos de investigación.

En su trabajo, los físicos utilizaron matemáticas complejas para explicar y predecir lo que parecían fuerzas caóticas de la naturaleza en simulaciones por computadora, llamado modelado. Ese modelo les ha dado a los científicos una comprensión tan sólida de esas fuerzas que pueden predecir con precisión el clima con una semana de anticipación y advertir sobre el clima con décadas de anticipación.

En esta fotografía de archivo del 21 de mayo de 2018, el científico Syukuro Manabe, de Japón, posa para un retrato durante una reunión de prensa después de recibir el Premio Crafoord, en Lund, Suecia. Manabe, de 90 años, y Klaus Hasselmann, de 89, recibieron el Premio Nobel de Física el martes 5 de octubre de 2021 por su trabajo en "el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo de manera confiable el calentamiento global". La segunda mitad del premio fue otorgada al científico italiano Giorgio Parisi, de 73 años. Crédito: Johan Nilsson/TT vía AP, archivo

El secretario general de la Real Academia Sueca de Ciencias, Goran Hansson, en el centro, flanqueado a la izquierda por el miembro del Comité Nobel de Física Thors Hans Hansson, izquierda, y el miembro del Comité Nobel de Física John Wettlaufer, derecha, anuncia los ganadores del 2021 Premio Nobel de Física en la Real Academia Sueca de Ciencias, en Estocolmo, Suecia, martes 5 de octubre de 2021. El Premio Nobel de Física ha sido otorgado a científicos de Japón, Alemania e Italia. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann fueron citados por su trabajo en "el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo de manera confiable el calentamiento global". La segunda mitad del premio fue otorgada a Giorgio Parisi por "el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria". 

Algunos no científicos han atacado y ridiculizado el modelado, pero ha sido clave para la forma en que el mundo aborda uno de sus mayores problemas: el cambio climático.

"Los modelos climáticos basados ​​en la física hicieron posible predecir la cantidad y el ritmo del calentamiento global, incluidas algunas de las consecuencias, como el aumento de los mares, el aumento de las precipitaciones extremas y los huracanes más fuertes, décadas antes de que pudieran observarse. Klaus Hasselmann y Suki Manabe fueron pioneros en esta área y modelos a seguir personales para mí", dijo el científico climático y modelador alemán Stefan Rahmstorf.

"Ahora somos testigos de cómo sus primeras predicciones se hacen realidad una tras otra", dijo Rahmstorf.

Cuando los científicos del clima y el exvicepresidente estadounidense Al Gore ganaron el Premio Nobel de la Paz en 2007, algunos no científicos que niegan el calentamiento global lo descartaron como un premio político. Quizás anticipando la controversia, los funcionarios que hablaron en el anuncio enfatizaron que el martes era un premio de ciencia.

El científico italiano Giorgio Parisi asiste a una reunión en la Accademia dei Lincei en Roma, el jueves 28 de noviembre de 2019. El Premio Nobel de Física ha sido otorgado a científicos de Japón, Alemania e Italia. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann fueron citados por su trabajo en "el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo de manera confiable el calentamiento global". La segunda mitad del premio fue otorgada a Giorgio Parisi por "el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria". Crédito: Andrea Panegrossi/LaPresse vía AP

"Es un premio de física. Lo que estamos diciendo es que el modelado del clima se basa sólidamente en la teoría física y la física bien conocida", dijo el físico sueco Thors Hans Hansson en el anuncio.

Si bien el trabajo de Parisi no se centró en el clima, habló sobre los problemas urgentes que enfrenta la Tierra después del anuncio.

"Es muy urgente que tomemos decisiones muy firmes y avancemos a un ritmo muy fuerte" para abordar el calentamiento global, dijo. "Está claro para las generaciones futuras que tenemos que actuar ahora".

Cuando se le preguntó si esperaba obtener el premio, Parisi dijo: "Sabía que había una posibilidad nada despreciable".

Las restricciones de COVID-19 en Italia significaron que "no podemos tener una celebración muy grande", dijo. "Creo que haremos algo, pero no estamos realmente decididos".

Es común que varios científicos que trabajan en campos relacionados compartan el premio.

El científico italiano Claudio Parisi habla con su teléfono en el balcón de su residencia en Roma, el martes 5 de octubre de 2021. El Premio Nobel de Física ha sido otorgado a científicos de Japón, Alemania e Italia. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann fueron citados por su trabajo en "el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo confiablemente el calentamiento global". La segunda mitad del premio fue otorgada a Giorgio Parisi por "el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria". Crédito: Foto AP/Alessandra Tarantino

El científico italiano Giorgio Parisi asiste a un programa de televisión en Roma, el martes 15 de marzo de 2005. El Premio Nobel de Física ha sido otorgado a científicos de Japón, Alemania e Italia. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann fueron citados por su trabajo en "el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo confiablemente el calentamiento global". La segunda mitad del premio fue otorgada a Giorgio Parisi por "el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria". Crédito: Vincenzo Coraggio/LaPresse vía AP

En esta foto del 31 de octubre de 2017, Syukuro Manabe habla durante una entrevista en Tokio. Manabe ha sido galardonado con el Premio Nobel de Física 2021, martes 5 de octubre de 2021. Manabe y Klaus Hasselmann fueron citados por su trabajo en "el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo confiablemente el calentamiento global". Crédito: Kyodo News vía AP

El secretario general de la Real Academia Sueca de Ciencias, Goran Hansson, anuncia a los ganadores del Premio Nobel de Física 2021 en la Real Academia Sueca de Ciencias, en Estocolmo, Suecia, el martes 5 de octubre de 2021. El Premio Nobel de Física ha sido otorgado a científicos de Japón, Alemania e Italia. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann fueron citados por su trabajo en "el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo confiablemente el calentamiento global". La segunda mitad del premio fue otorgada a Giorgio Parisi por "el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria". Crédito: Pontus Lundahl/TT vía AP

El prestigioso premio viene con una medalla de oro y 10 millones de coronas suecas (más de 1,14 millones de dólares). El dinero del premio proviene de un legado que dejó el creador del premio, el inventor sueco Alfred Nobel, quien murió en 1895.

El lunes, el Comité Nobel otorgó el premio de fisiología o medicina a los estadounidenses David Julius y Ardem Patapoutian por sus descubrimientos sobre cómo el cuerpo humano percibe la temperatura y el tacto.

En los próximos días también se entregarán premios a la labor destacada en los campos de la química, la literatura, la paz y la economía.

Comunicado de prensa del Comité Nobel: Premio Nobel de Física 2021
La Real Academia de Ciencias de Suecia ha decidido otorgar el Premio Nobel de Física 2021
"por contribuciones innovadoras a nuestra comprensión de los sistemas físicos complejos"
con la mitad conjuntamente para
Syukuro Manabe,
Universidad de Princeton, EE. UU.
Klaus Hasselmann,
Instituto Max Planck de Meteorología, Hamburgo, Alemania
"para el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo de manera confiable el calentamiento global"
y la otra mitad a:
Giorgio Parisi
Universidad Sapienza de Roma, Italia
"por el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria"

Física del clima y otros fenómenos complejos

Tres galardonados comparten el Premio Nobel de Física de este año por sus estudios de fenómenos caóticos y aparentemente aleatorios. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann sentaron las bases de nuestro conocimiento del clima de la Tierra y cómo la humanidad influye en él. Giorgio Parisi es recompensado por sus contribuciones revolucionarias a la teoría de materiales desordenados y procesos aleatorios.

Los sistemas complejos se caracterizan por la aleatoriedad y el desorden y son difíciles de entender. El premio de este año reconoce nuevos métodos para describirlos y predecir su comportamiento a largo plazo.

Un sistema complejo de vital importancia para la humanidad es el clima de la Tierra. Syukuro Manabe demostró cómo el aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera conduce a un aumento de las temperaturas en la superficie de la Tierra. En la década de 1960, dirigió el desarrollo de modelos físicos del clima de la Tierra y fue la primera persona en explorar la interacción entre el balance de radiación y el transporte vertical de masas de aire. Su trabajo sentó las bases para el desarrollo de modelos climáticos actuales.

Aproximadamente diez años después, Klaus Hasselmann creó un modelo que vincula el tiempo y el clima, respondiendo así a la pregunta de por qué los modelos climáticos pueden ser fiables a pesar de que el tiempo es cambiante y caótico. También desarrolló métodos para identificar señales específicas, huellas dactilares, que tanto los fenómenos naturales como las actividades humanas imprimen en el clima. Sus métodos se han utilizado para demostrar que el aumento de temperatura en la atmósfera se debe a las emisiones humanas de dióxido de carbono.

Alrededor de 1980, Giorgio Parisi descubrió patrones ocultos en materiales complejos desordenados. Sus descubrimientos se encuentran entre las contribuciones más importantes a la teoría de sistemas complejos. Permiten comprender y describir muchos materiales y fenómenos diferentes y aparentemente completamente aleatorios, no solo en la física sino también en otras áreas muy diferentes, como las matemáticas, la biología, la neurociencia y el aprendizaje automático.

"Los descubrimientos que se están reconociendo este año demuestran que nuestro conocimiento sobre el clima se basa en una base científica sólida, basada en un análisis riguroso de las observaciones. Los galardonados de este año han contribuido a que obtengamos una visión más profunda de las propiedades y la evolución de los sistemas físicos complejos, "dice Thors Hans Hansson, presidente del Comité Nobel de Física.

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Encontraron patrones ocultos en el clima y en otros fenómenos complejos.

Tres galardonados comparten el Premio Nobel de Física de este año por sus estudios de fenómenos complejos. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann sentaron las bases de nuestro conocimiento del clima de la Tierra y cómo la humanidad influye en él. Giorgio Parisi es recompensado por sus contribuciones revolucionarias a la teoría de los fenómenos desordenados y aleatorios.

Todos los sistemas complejos constan de muchas partes diferentes que interactúan. Han sido estudiados por físicos durante un par de siglos y pueden ser difíciles de describir matemáticamente: pueden tener una enorme cantidad de componentes o estar gobernados por el azar. También podrían ser caóticos, como el clima, donde pequeñas desviaciones en los valores iniciales resultan en grandes diferencias en una etapa posterior. Todos los galardonados de este año han contribuido a que obtengamos un mayor conocimiento de dichos sistemas y su desarrollo a largo plazo.

El clima de la Tierra es uno de los muchos ejemplos de sistemas complejos. Manabe y Hasselmann reciben el Premio Nobel por su trabajo pionero en el desarrollo de modelos climáticos. Parisi es recompensado por sus soluciones teóricas a una amplia gama de problemas en la teoría de sistemas complejos.

Syukuro Manabe demostró cómo el aumento de las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera conduce a un aumento de las temperaturas en la superficie de la Tierra. En la década de 1960, dirigió el desarrollo de modelos físicos del clima de la Tierra y fue la primera persona en explorar la interacción entre el balance de radiación y el transporte vertical de masas de aire. Su trabajo sentó las bases para el desarrollo de modelos climáticos.

Aproximadamente diez años después, Klaus Hasselmann creó un modelo que vincula el tiempo y el clima, respondiendo así a la pregunta de por qué los modelos climáticos pueden ser fiables a pesar de que el tiempo es cambiante y caótico. También desarrolló métodos para identificar señales específicas, huellas dactilares, que tanto los fenómenos naturales como las actividades humanas imprimen en el clima. Sus métodos se han utilizado para demostrar que el aumento de temperatura en la atmósfera se debe a las emisiones humanas de dióxido de carbono.

Alrededor de 1980, Giorgio Parisi descubrió patrones ocultos en materiales complejos desordenados. Sus descubrimientos se encuentran entre las contribuciones más importantes a la teoría de sistemas complejos. Permiten comprender y describir muchos materiales y fenómenos complejos diferentes y aparentemente completamente aleatorios, no solo en la física sino también en otras áreas muy diferentes, como las matemáticas, la biología, la neurociencia y el aprendizaje automático.

El efecto invernadero es vital para la vida

Hace doscientos años, el físico francés Joseph Fourier estudió el balance de energía entre la radiación del sol hacia el suelo y la radiación del suelo. Comprendió el papel de la atmósfera en este equilibrio; en la superficie de la Tierra, la radiación solar entrante se transforma en radiación saliente -"calor oscuro"- que es absorbida por la atmósfera, calentándola así. El papel protector de la atmósfera ahora se llama efecto invernadero. Este nombre proviene de su similitud con los cristales de un invernadero, que permiten el paso de los rayos calefactores del sol, pero atrapan el calor en el interior. Sin embargo, los procesos radiativos en la atmósfera son mucho más complicados.

La tarea sigue siendo la misma que emprendió Fourier: investigar el equilibrio entre la radiación solar de onda corta que llega hacia nuestro planeta y la radiación infrarroja de onda larga saliente de la Tierra. Muchos científicos del clima agregaron los detalles durante los dos siglos siguientes. Los modelos climáticos contemporáneos son herramientas increíblemente poderosas, no solo para comprender el clima, sino también para comprender el calentamiento global del que son responsables los humanos.

Estos modelos se basan en las leyes de la física y se han desarrollado a partir de modelos que se utilizaron para predecir el clima. El clima se describe por cantidades meteorológicas como la temperatura, la precipitación, el viento o las nubes, y se ve afectado por lo que sucede en los océanos y en la tierra. Los modelos climáticos se basan en las propiedades estadísticas calculadas del clima, como valores promedio, desviaciones estándar, valores medidos más altos y más bajos, etc. No pueden decirnos qué tiempo hará en Estocolmo el 10 de diciembre del próximo año, pero podemos hacernos una idea de qué temperatura o cuánta lluvia podemos esperar en promedio en Estocolmo en diciembre.

Estableciendo el papel del dióxido de carbono

El efecto invernadero es fundamental para la vida en la Tierra. Gobierna la temperatura porque los gases de efecto invernadero en la atmósfera (dióxido de carbono, metano, vapor de agua y otros gases) primero absorben la radiación infrarroja de la Tierra y luego liberan esta energía absorbida, calentando el aire circundante y el suelo debajo de ella.

En realidad, los gases de efecto invernadero comprenden una proporción muy pequeña de la atmósfera seca de la Tierra, que es principalmente nitrógeno y oxígeno; estos son el 99 por ciento en volumen. El dióxido de carbono es solo del 0,04 por ciento en volumen. El gas de efecto invernadero más poderoso es el vapor de agua, pero no podemos controlar la concentración de vapor de agua en la atmósfera, mientras que podemos controlar la de dióxido de carbono.

La cantidad de vapor de agua en la atmósfera depende en gran medida de la temperatura, lo que conduce a un mecanismo de retroalimentación. Más dióxido de carbono en la atmósfera la hace más cálida, lo que permite que se retenga más vapor de agua en el aire, lo que aumenta el efecto invernadero y hace que las temperaturas aumenten aún más. Si el nivel de dióxido de carbono baja, parte del vapor de agua se condensará y la temperatura bajará.

Una primera pieza importante del rompecabezas sobre el impacto del dióxido de carbono provino del investigador sueco y premio Nobel Svante Arrhenius. Por cierto, fue su colega, el meteorólogo Nils Ekholm, quien, en 1901, fue el primero en utilizar la palabra invernadero para describir el almacenamiento y la reradiación del calor en la atmósfera.

Arrhenius entendió la física responsable del efecto invernadero a fines del siglo XIX: la radiación saliente es proporcional a la temperatura absoluta del cuerpo radiante (T) a la potencia de cuatro (T⁴). Cuanto más caliente sea la fuente de radiación, más corta será la longitud de onda de los rayos. El Sol tiene una temperatura superficial de 6.000° C y emite principalmente rayos en el espectro visible. La Tierra, con una temperatura superficial de solo 15° C, vuelve a irradiar radiación infrarroja que es invisible para nosotros. Si la atmósfera no absorbiera esta radiación, la temperatura de la superficie apenas superaría los –18° C.

Arrhenius en realidad estaba tratando de averiguar qué causó el fenómeno recientemente descubierto de las edades de hielo. Llegó a la conclusión de que si el nivel de dióxido de carbono en la atmósfera se reducía a la mitad, esto sería suficiente para que la Tierra entrara en una nueva era de hielo. Y viceversa: una duplicación de la cantidad de dióxido de carbono aumentaría la temperatura entre 5 y 6° C, un resultado que, de manera algo fortuita, se acerca asombrosamente a las estimaciones actuales.

Modelo pionero para el efecto del dióxido de carbono

En la década de 1950, el físico atmosférico japonés Syukuro Manabe fue uno de los jóvenes y talentosos investigadores de Tokio que abandonó Japón, que había sido devastado por la guerra, y continuó su carrera en los Estados Unidos. El objetivo de la investigación de Manabes, como la de Arrhenius unos setenta años antes, era comprender cómo el aumento de los niveles de dióxido de carbono puede provocar un aumento de las temperaturas. Sin embargo, mientras Arrhenius se había centrado en el balance de radiación, en la década de 1960 Manabe lideró el trabajo en el desarrollo de modelos físicos para incorporar el transporte vertical de masas de aire debido a la convección, así como el calor latente del vapor de agua.

Para que estos cálculos fueran manejables, eligió reducir el modelo a una dimensión: una columna vertical, a 40 kilómetros de la atmósfera. Aun así, se necesitaron cientos de valiosas horas informáticas para probar el modelo variando los niveles de gases en la atmósfera. El oxígeno y el nitrógeno tuvieron efectos insignificantes en la temperatura de la superficie, mientras que el dióxido de carbono tuvo un impacto claro: cuando el nivel de dióxido de carbono se duplicó, la temperatura global aumentó en más de 2° C.

El modelo confirmó que este calentamiento realmente se debió al aumento de dióxido de carbono, porque predijo un aumento de las temperaturas más cerca del suelo mientras que la atmósfera superior se enfrió. Si las variaciones en la radiación solar fueran responsables del aumento de temperatura, toda la atmósfera debería haberse calentado al mismo tiempo.

Hace sesenta años, las computadoras eran cientos de miles de veces más lentas de lo que son ahora, por lo que este modelo era relativamente simple, pero Manabe tenía las características clave correctas. Siempre debes simplificar, dice. No se puede competir con la complejidad de la naturaleza: hay tanta física involucrada en cada gota de lluvia que nunca sería posible calcular absolutamente todo. Las ideas del modelo unidimensional llevaron a un modelo climático en tres dimensiones, que Manabe publicó en 1975; Este fue otro hito en el camino hacia la comprensión de los secretos del clima.

El clima es caótico

Aproximadamente diez años después de Manabe, Klaus Hasselmann logró vincular el tiempo y el clima al encontrar una manera de burlar los rápidos y caóticos cambios climáticos que eran tan problemáticos para los cálculos. Nuestro planeta tiene grandes cambios en su clima debido a que la radiación solar está distribuida de manera tan desigual, tanto geográficamente como a lo largo del tiempo. La Tierra es redonda, por lo que menos rayos del sol llegan a las latitudes más altas que a las más bajas alrededor del ecuador. No solo esto, sino que el eje de la Tierra está inclinado, lo que produce diferencias estacionales en la radiación entrante. Las diferencias de densidad entre el aire más cálido y el más frío provocan los colosales transportes de calor entre diferentes latitudes, entre el océano y la tierra, entre masas de aire más altas y más bajas, que impulsan el clima en nuestro planeta.

Como todos sabemos, hacer predicciones fiables sobre el tiempo durante más de los próximos diez días es un desafío. Hace doscientos años, el renombrado científico francés, Pierre-Simon de Laplace, afirmó que si supiéramos la posición y la velocidad de todas las partículas del universo, sería posible calcular tanto lo que ha sucedido como lo que sucederá en nuestro planeta. mundo. En principio, esto debería ser cierto; Las leyes del movimiento de Newton, de tres siglos de antigüedad, que también describen el transporte aéreo en la atmósfera, son completamente deterministas: no se rigen por el azar.

Sin embargo, nada podría estar más mal en lo que respecta al clima. Esto se debe en parte a que, en la práctica, es imposible ser lo suficientemente preciso: establecer la temperatura del aire, la presión, la humedad o las condiciones del viento para cada punto de la atmósfera. Además, las ecuaciones no son lineales; pequeñas desviaciones en los valores iniciales pueden hacer que un sistema meteorológico evolucione de formas completamente diferentes. Basado en la pregunta de si una mariposa batiendo sus alas en Brasil podría causar un tornado en Texas, el fenómeno se denominó efecto mariposa. En la práctica, esto significa que es imposible producir pronósticos meteorológicos a largo plazo: el tiempo es caótico; este descubrimiento fue realizado en la década de 1960 por el meteorólogo estadounidense Edward Lorenz, quien sentó las bases de la teoría del caos actual.

Dar sentido a los datos ruidosos

¿Cómo podemos producir modelos climáticos confiables para varias décadas o cientos de años en el futuro, a pesar de que el clima es un ejemplo clásico de un sistema caótico? Alrededor de 1980, Klaus Hasselmann demostró cómo los fenómenos meteorológicos caóticamente cambiantes pueden describirse como un ruido que cambia rápidamente, colocando así los pronósticos climáticos a largo plazo sobre una base científica sólida. Además, desarrolló métodos para identificar el impacto humano en la temperatura global observada.

Cuando era un joven estudiante de doctorado en física en Hamburgo, Alemania, en la década de 1950, Hasselmann trabajó en dinámica de fluidos y luego comenzó a desarrollar observaciones y modelos teóricos para las olas y corrientes oceánicas. Se mudó a California y continuó con la oceanografía, conociendo a colegas como Charles David Keeling, con quien los Hasselmann iniciaron un coro de madrigales. Keeling es legendario por comenzar, en 1958, lo que ahora es la serie más larga de mediciones de dióxido de carbono atmosférico en el Observatorio Mauna Loa en Hawai. Poco sabía Hasselmann que en su trabajo posterior usaría regularmente la curva de Keeling, que muestra cambios en los niveles de dióxido de carbono.

La obtención de un modelo climático a partir de datos meteorológicos ruidosos se puede ilustrar paseando a un perro: el perro corre fuera de la correa, hacia atrás y hacia adelante, de lado a lado y alrededor de sus piernas. ¿Cómo puedes usar las huellas del perro para ver si estás caminando o parado? ¿O si camina rápido o lento? Las huellas del perro son los cambios en el clima y su caminata es el clima calculado. ¿Es posible sacar conclusiones sobre las tendencias a largo plazo del clima utilizando datos meteorológicos caóticos y ruidosos?

Una dificultad adicional es que las fluctuaciones que influyen en el clima son extremadamente variables con el tiempo: pueden ser rápidas, como la fuerza del viento o la temperatura del aire, o muy lentas, como el derretimiento de las capas de hielo y el calentamiento de los océanos. Por ejemplo, el calentamiento uniforme de solo un grado puede llevar mil años para el océano, pero solo unas pocas semanas para la atmósfera. El truco decisivo fue incorporar los cambios rápidos en el clima en los cálculos como ruido, y mostrar cómo este ruido afecta el clima.

Hasselmann creó un modelo climático estocástico, lo que significa que el azar está integrado en el modelo. Su inspiración provino de la teoría del movimiento browniano de Albert Einstein, también llamada caminata aleatoria. Usando esta teoría, Hasselmann demostró que la atmósfera que cambia rápidamente puede causar variaciones lentas en el océano.

Discernir las huellas del impacto humano

Una vez finalizado el modelo de variaciones climáticas, Hasselmann desarrolló métodos para identificar el impacto humano en el sistema climático. Encontró que los modelos, junto con las observaciones y las consideraciones teóricas, contienen información adecuada sobre las propiedades del ruido y las señales. Por ejemplo, los cambios en la radiación solar, las partículas volcánicas o los niveles de gases de efecto invernadero dejan señales únicas, huellas dactilares, que pueden separarse. Este método para identificar huellas dactilares también se puede aplicar al efecto que los humanos tienen en el sistema climático. Hasselman abrió así el camino a nuevos estudios sobre el cambio climático, que han demostrado rastros de impacto humano en el clima utilizando un gran número de observaciones independientes.

Los modelos climáticos se han vuelto cada vez más refinados a medida que los procesos incluidos en las complicadas interacciones del clima se mapean más a fondo, sobre todo a través de mediciones satelitales y observaciones meteorológicas. Los modelos muestran claramente un efecto invernadero acelerado; desde mediados del siglo XIX, los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera han aumentado en un 40 por ciento. La atmósfera de la Tierra no ha contenido tanto dióxido de carbono durante cientos de miles de años. En consecuencia, las mediciones de temperatura muestran que el mundo se ha calentado 1° C durante los últimos 150 años.

Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann han contribuido al mayor beneficio para la humanidad, en el espíritu de Alfred Nobel, proporcionando una base física sólida para nuestro conocimiento del clima de la Tierra. Ya no podemos decir que no lo sabíamos, los modelos climáticos son inequívocos. ¿Se está calentando la Tierra? Si. ¿Es la causa el aumento de la cantidad de gases de efecto invernadero en la atmósfera? Si. ¿Puede esto explicarse únicamente por factores naturales? No. ¿Son las emisiones de la humanidad la razón del aumento de temperatura? Si.

Métodos para sistemas desordenados.

Alrededor de 1980, Giorgio Parisi presentó sus descubrimientos sobre cómo los fenómenos aparentemente aleatorios se rigen por reglas ocultas. Su trabajo se considera ahora una de las contribuciones más importantes a la teoría de sistemas complejos.

Los estudios modernos de sistemas complejos tienen sus raíces en la mecánica estadística desarrollada en la segunda mitad del siglo XIX por James C. Maxwell, Ludwig Boltzmann y J. Willard Gibbs, quienes nombraron este campo en 1884. La mecánica estadística evolucionó a partir de la idea de que un nuevo Era necesario un tipo de método para describir sistemas, como gases o líquidos, que constan de un gran número de partículas. Este método tenía que tener en cuenta los movimientos aleatorios de las partículas, por lo que la idea básica era calcular el efecto promedio de las partículas en lugar de estudiar cada partícula individualmente. Por ejemplo, la temperatura de un gas es una medida del valor medio de la energía de las partículas de gas. La mecánica estadística es un gran éxito, porque proporciona una explicación microscópica de las propiedades macroscópicas en gases y líquidos.

Las partículas de un gas se pueden considerar como pequeñas bolas que vuelan a velocidades que aumentan con las temperaturas más altas. Cuando la temperatura baja o la presión aumenta, las bolas primero se condensan en un líquido y luego en un sólido. Este sólido suele ser un cristal, donde las bolas se organizan en un patrón regular. Sin embargo, si este cambio ocurre rápidamente, las bolas pueden formar un patrón irregular que no cambia incluso si el líquido se enfría más o se aprieta. Si se repite el experimento, las bolas asumirán un nuevo patrón, a pesar de que el cambio ocurra exactamente de la misma manera. ¿Por qué los resultados son diferentes?

Entendiendo la complejidad

Estas bolas comprimidas son un modelo simple para vidrio ordinario y para materiales granulares, como arena o grava. Sin embargo, el tema del trabajo original de Parisi era un tipo diferente de sistema: el vidrio giratorio. Este es un tipo especial de aleación de metal en el que los átomos de hierro, por ejemplo, se mezclan aleatoriamente en una rejilla de átomos de cobre. Aunque solo hay unos pocos átomos de hierro, cambian las propiedades magnéticas del material de una manera radical y desconcertante. Cada átomo de hierro se comporta como un pequeño imán, o espín, que se ve afectado por los otros átomos de hierro cercanos a él. En un imán ordinario, todos los giros apuntan en la misma dirección, pero en un vaso giratorio se frustran; algunos pares de espines quieren apuntar en la misma dirección y otros en la dirección opuesta, entonces, ¿cómo encuentran una orientación óptima?

En la introducción a su libro sobre el vidrio giratorio, Parisi escribe que estudiar el vidrio giratorio es como ver las tragedias humanas de las obras de Shakespeare. Si quieres hacerte amigo de dos personas al mismo tiempo, pero se odian, puede ser frustrante. Este es aún más el caso en una tragedia clásica, donde amigos y enemigos fuertemente emocionados se encuentran en el escenario. ¿Cómo se puede minimizar la tensión en la habitación?

Los vasos giratorios y sus exóticas propiedades proporcionan un modelo para sistemas complejos. En la década de 1970, muchos físicos, incluidos varios premios Nobel, buscaron una forma de describir las misteriosas y frustrantes gafas giratorias. Un método que utilizaron fue el truco de la réplica, una técnica matemática en la que se procesan muchas copias, réplicas, del sistema al mismo tiempo. Sin embargo, en términos de física, los resultados de los cálculos originales eran inviables.

En 1979, Parisi hizo un avance decisivo cuando demostró cómo el truco de la réplica podía usarse ingeniosamente para resolver un problema de vidrio giratorio. Descubrió una estructura oculta en las réplicas y encontró una manera de describirla matemáticamente. Fueron necesarios muchos años para que la solución de Parisi demostrara ser matemáticamente correcta. Desde entonces, su método se ha utilizado en muchos sistemas desordenados y se ha convertido en una piedra angular de la teoría de sistemas complejos.

Los frutos de la frustración son muchos y variados. Tanto el vidrio giratorio como los materiales granulares son ejemplos de sistemas frustrados, en los que varios componentes deben disponerse de una manera que sea un compromiso entre las fuerzas contrarias. La pregunta es cómo se comportan y cuáles son los resultados. Parisi es un maestro en responder estas preguntas para muchos materiales y fenómenos diferentes. Sus descubrimientos fundamentales sobre la estructura de las gafas giratorias fueron tan profundos que no solo influyeron en la física, sino también en las matemáticas, la biología, la neurociencia y el aprendizaje automático, porque todos estos campos incluyen problemas que están directamente relacionados con la frustración.

Parisi también ha estudiado muchos otros fenómenos en los que los procesos aleatorios juegan un papel decisivo en cómo se crean las estructuras y cómo se desarrollan, y ha abordado cuestiones como: ¿Por qué tenemos glaciaciones periódicamente recurrentes? ¿Existe una descripción matemática más general del caos y los sistemas turbulentos? O, ¿cómo surgen patrones en un murmullo de miles de estorninos? Esta pregunta puede parecer muy lejana al vidrio giratorio. Sin embargo, Parisi ha dicho que la mayor parte de su investigación se ha ocupado de cómo los comportamientos simples dan lugar a comportamientos colectivos complejos, y esto se aplica tanto a las gafas giratorias como a los estorninos.