KLAUS HASSELMANN - NOBEL VẬT LÝ 2021

 

Source: Frontiers of Knowledge Awards

Năm mươi năm trước, Klaus Hasselmann đã thành công trong việc tìm ra mối liên hệ giữa thời tiết và khí hậu với nhau, vượt qua những biến động bất thường của thời tiết gây khó khăn cho việc tính toán. Hành tinh của chúng ta có những thay đổi lớn về thời tiết bởi bức xạ mặt trời phân bố rất không đồng đều, cả về mặt địa lý và thời gian. Do Trái Đất hình cầu, vì vậy mặt trời chiếu sáng đến những vĩ độ cao ít hơn những vĩ độ thấp hơn quanh Xích đạo. Ngoài ra do trục của Trái đất bị nghiêng, tạo ra sự khác biệt về mùa khắp nơi. Chênh lệch về mật độ giữa không khí ấm và lạnh tạo ra sự dịch chuyển nhiệt vô cùng lớn giữa các vĩ độ khác nhau, giữa đại dương và đất liền, giữa các khối không khí cao hơn và thấp hơn, tất cả góp phần tạo nên thời tiết trên hành tinh của chúng ta.

Như chúng ta đã biết, việc đưa ra những dự đoán đáng tin cậy về thời tiết xa hơn mười ngày tới là một thách thức. Hai trăm năm trước, nhà khoa học nổi tiếng người Pháp, Pierre-Simon de Laplace, đã tuyên bố rằng nếu chúng ta biết vị trí và tốc độ của tất cả các hạt trong vũ trụ, việc tính toán và xác định những gì đã xảy ra và sẽ xảy ra trong thế giới là khả thi. Về nguyên tắc, điều này đúng; các định luật chuyển động cũ kéo dài ba thế kỷ của Newton, cũng mô tả sự vận chuyển của không khí trong khí quyển, hoàn toàn mang tính xác định - không bị chi phối bởi xác suất ngẫu nhiên.

Tuy nhiên, thật khó để nói chính xác khi nhắc đến thời tiết. Điều này một phần là do, trong thực tế, chúng ta không thể tính chính xác thông tin về nhiệt độ không khí, áp suất, độ ẩm hoặc điều kiện gió cho mọi điểm trong khí quyển. Ngoài ra, các phương trình là phi tuyến tính; sai lệch nhỏ về giá trị đầu vào có thể làm cho hệ thống thời tiết phát triển theo những hướng hoàn toàn khác. Dựa trên câu hỏi liệu một con bướm vỗ cánh ở Brazil có thể gây ra một cơn lốc xoáy ở Texas hay không, hiện tượng này được đặt tên là hiệu ứng cánh bướm. Trong thực tế, điều này có nghĩa là không thể đưa ra dự báo thời tiết dài hạn - nắng mưa thất thường; khám phá này được tìm ra vào những năm 1960 bởi nhà khí tượng học người Mỹ Edward Lorenz, người đã đặt nền tảng của lý thuyết hỗn loạn ngày nay.

Làm thế nào chúng ta có thể tạo ra các mô hình khí hậu đáng tin cậy trong vài thập kỷ hoặc hàng trăm năm trong tương lai, dù cho thời tiết là một ví dụ kinh điển về một hệ thống hỗn loạn? Vào khoảng năm 1980, Klaus Hasselmann đã chứng minh rằng các hiện tượng thời tiết thay đổi hỗn loạn có thể được mô tả như tiếng ồn thay đổi nhanh chóng, từ đó đặt các dự báo khí hậu dài hạn trên một nền tảng khoa học vững chắc. Hơn nữa, ông đã phát triển các phương pháp xác định tác động của con người lên nhiệt độ toàn cầu quan sát được.

Khi còn là một chàng trai học tiến sĩ vật lý trẻ tuổi ở Hamburg, Đức, vào những năm 1950, Hasselmann nghiên cứu về động lực học chất lỏng, sau đó bắt đầu phát triển các quan sát và mô hình lý thuyết về sóng và dòng chảy đại dương. Anh chuyển đến California và tiếp tục với chuyên ngành hải dương học, gặp gỡ các đồng nghiệp như Charles David Keeling, người cùng gia đình Hasselmanns bắt đầu một dàn hợp xướng madrigal. Keeling đã trở thành huyền thoại từ năm 1958, khi bắt đầu chuỗi đo carbon dioxide trong khí quyển lâu nhất tại Đài quan sát Mauna Loa ở Hawaii. Hasselmann ít biết rằng trong công việc sau này của mình, ông thường xuyên sử dụng Đường cong Keeling, cho thấy những thay đổi về mức độ carbon dioxide.

Lấy mô hình khí hậu từ dữ liệu thời tiết biến động có thể được minh họa bằng cách dắt chó đi dạo: chó chạy khỏi dây dẫn, chạy ngược và tiến, bên này sang bên kia và xung quanh chân bạn. Làm thế nào để dùng vết chân chó xem bạn đang đi bộ hay đứng yên? Hoặc bạn đang đi nhanh hay chậm? Đường đi của chó như sự thay đổi của thời tiết, và bước đi của bạn là khí hậu được tính toán. Liệu chúng ta có thể xác định xu hướng khí hậu dài hạn bằng cách sử dụng dữ liệu thời tiết hỗn loạn và ồn ào?

Một khó khăn nữa là những biến động ảnh hưởng đến khí hậu thay đổi mạnh mẽ theo thời gian – liên tục như sức gió hoặc nhiệt độ không khí, hoặc rất chậm như băng tan và đại dương ấm lên. Ví dụ, việc làm ấm đồng đều một độ có thể mất cả nghìn năm đối với đại dương, nhưng chỉ vài tuần đối với khí quyển. Bí quyết chính là kết hợp những thay đổi nhanh chóng của thời tiết vào các tính toán như là tiếng ồn, và thể hiện tiếng ồn này ảnh hưởng đến khí hậu như thế nào.

Hasselmann đã tạo ra một mô hình khí hậu ngẫu nhiên, có nghĩa là tính ngẫu nhiên được tích hợp vào mô hình. Cảm hứng của ông đến từ lý thuyết của Albert Einstein về chuyển động Brownian, hay một bước đi ngẫu nhiên. Sử dụng lý thuyết này, Hasselmann đã chứng minh rằng sự thay đổi nhanh chóng trong bầu khí quyển thực sự có thể gây nên những biến đổi chậm trong đại dương.

Sau khi hoàn thành các mô hình về biến đổi khí hậu, Hasselmann đã phát triển các phương pháp xác định tác động của con người tới hệ thống khí hậu. Ông nhận thấy rằng các mô hình, cùng với quan sát và cân nhắc lý thuyết, chứa đầy đủ thông tin về các đặc tính của tiếng ồn và tín hiệu. Ví dụ, những thay đổi về bức xạ mặt trời, các hạt núi lửa hoặc mức độ khí nhà kính để lại các tín hiệu độc nhất - như dấu vân tay - có thể được tách ra. Phương pháp xác định dấu vân tay này cũng có thể áp dụng để xác định tác động của con người lên hệ thống khí hậu. Do đó, Hasselman đã mở đường cho các nghiên cứu sâu hơn về biến đổi khí hậu, đã cho thấy dấu vết tác động của con người lên khí hậu bằng cách sử dụng một số lượng lớn các quan sát độc lập.

Source: Hegerl and Zweirs (2011) Use of models in detection & attribution of climate change, WIREs Climate Change

Các mô hình khí hậu ngày càng trở nên hoàn thiện hơn khi các quá trình - các mối liên hệ phức tạp của khí hậu - được lập bản đồ kỹ lưỡng hơn, thông qua các phép đo vệ tinh và quan sát thời tiết. Các mô hình cho thấy rõ hiệu ứng nhà kính đang gia tăng; kể từ giữa thế kỷ 19, mức CO2 trong khí quyển đã tăng 40%. Bầu khí quyển của Trái đất đã không chứa lượng CO2 nhiều như hiện nay trong hàng trăm nghìn năm. Theo đó, các phép đo nhiệt độ cho thấy thế giới đã nóng lên 1°C trong vòng 150 năm qua.

Syukuro Manabe và Klaus Hasselmann đã đóng góp vào lợi ích lớn nhất cho nhân loại, theo tinh thần của Alfred Nobel, bằng cách cung cấp một nền tảng vật lý vững chắc cho kiến ​​thức của chúng ta về khí hậu Trái đất. Giờ đây chúng ta không thể phủ nhận sự hiện diện của biến đổi khí hậu - các mô hình khí hậu là minh chứng rõ ràng. Trái đất có đang nóng lên không? Có. Có phải nguyên nhân là sự gia tăng lượng khí nhà kính trong khí quyển không? Có. Lượng khí thải khổng lồ của con người có phải là lý do khiến nhiệt độ ngày càng tăng không? Có. Liệu có thể giải thích những điều này chỉ bằng các yếu tố tự nhiên? Không.

Theo nobelprize.org

Phòng Công nghệ và Kỹ thuật tài nguyên nước

Viện Khoa học tài nguyên nước

 VienKHTNN.Core - VienKHTNN_SuKien

BÀI VIẾT LIÊN QUAN

Ứng dụng công nghệ viễn thám nhằm giám sát mức biến thiên phú dưỡng nước hồ trên cơ sở theo dõi sự thay đổi hàm lượng Chlorophyll-a.

Các hồ ở thành phố Hà Nội đang bị ô nhiễm với mức độ ngày càng trầm trọng. Trong thời

Cách tiếp cận “từ dưới lên” trong nghiên cứu đánh giá tài nguyên nước dưới tác động của biến đổi khí hậu

Trong lĩnh vực nghiên cứu về khí hậu và những thay đổi của các yếu tố khí hậu, cách tiếp

Thách thức của tài nguyên nước trong đại dịch Covid-19

Mối quan hệ giữa nước và virus SARD- COVID2 rất phức tạp nhưng ngày càng bộc lộ mối liên quan.

BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU - CỘNG ĐỒNG KHOA HỌC CẦN MỘT TIẾNG NÓI CHUNG

Theo một phân tích mới, các nghiên cứu về biến đổi khí hậu từ một số khu vực bị ảnh

Sử dụng công nghệ Google Earth Engine trích xuất mặt nước

Google Earth Engine đang dần phổ biến trong công nghệ viễn thám và được sử dụng làm phương tiện nghiên

 VienKHTNN.Core - VienKHTNN_LienKet

 Content Editor

 VienKHTNN.Core - VienKHTNN_AnPham_Phai

ẤN PHẨM NỔI BẬT