Os vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2021 construíram a matemática da modelagem climática, tornando possíveis as previsões do aquecimento global e a previsão do tempo moderna

Como cientista do clima, fiquei animado ao saber que Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann e Giorgio Parisi foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física de 2021. Eu conheci Manabe quando eu era um estudante de graduação no início dos anos 1970, então fiquei particularmente satisfeito porque o prêmio reconhece a profunda importância do trabalho de décadas de Manabe na criação de modelos climáticos, bem como a aplicação desses modelos para entender como níveis de gases de efeito estufa levaram ao aquecimento global.

Quão complicado é o sistema de tempo e clima?

O clima é o que você vê de hora em hora e dia a dia. O tempo envolve apenas a atmosfera. O clima é o tempo médio ao longo de décadas e é influenciado pelos oceanos e pelas superfícies terrestres.

O tempo e o clima são complicados porque envolvem muitos processos físicos diferentes – desde o movimento do ar até o fluxo de radiação eletromagnética, como a luz solar, à condensação de vapor d’água – em uma ampla gama de escalas espaciais e temporais.

O sistema é incrivelmente complexo e interconectado. Por exemplo, um aglomerado de pequenas tempestades pode influenciar um sistema meteorológico que abrange um continente.

Antes de cerca de 1955, os meteorologistas extrapolavam o tempo futuro a partir de mudanças nos dias anteriores. Eles usaram métodos simples, mas de trabalho intensivo, em parte quantitativos e em parte baseados na experiência.

O nascimento dos modelos climáticos

No final dos anos 1950, tornou-se possível fazer previsões executando modelos meteorológicos em computadores digitais recém-emergentes, mas em rápido aprimoramento. Um modelo meteorológico é um sistema de equações que expressa as leis físicas que regem o clima. “Executar” um modelo de clima significa resolver as equações em um computador, usando dados do clima de hoje para prever o clima de amanhã.

Em parte por causa das limitações do computador, os primeiros modelos meteorológicos podiam cobrir apenas partes da Terra – como a América do Norte, por exemplo. Mas, no início da década de 1960, computadores mais rápidos tornaram possível criar modelos que representavam toda a atmosfera global.

Manabe liderou o desenvolvimento de um desses modelos, construindo uma teia interconectada de milhares de equações que poderiam simular o clima e as mudanças climáticas.

Com este modelo , Manabe e seus colegas foram capazes de produzir simulações bastante realistas de coisas como correntes de jato e monções. Embora a previsão do tempo global e os modelos climáticos modernos sejam muito mais poderosos, eles podem ser vistos como descendentes do modelo inicial de Manabe.

Quando Manabe começou seu trabalho no início dos anos 1960, alguns cientistas já haviam apontado a possibilidade de que o aumento do dióxido de carbono atmosférico possa levar ao aquecimento global. Em 1967, Manabe e seu colega Richard Wetherald usaram uma versão simplificada de seu modelo climático para realizar o primeiro estudo quantitativo dos efeitos do aumento do dióxido de carbono na atmosfera. Além de confirmar que o dióxido de carbono aumenta as temperaturas globais, eles também descobriram que o aumento do teor de vapor de água no ar mais quente amplifica o aquecimento geral porque o próprio vapor de água é um gás de efeito estufa.

Fazendo previsões

O clima envolve os oceanos e a atmosfera , mas os primeiros modelos não uniram os dois. Em 1969, Manabe e seu colega oceanógrafo Kirk Bryan construíram o primeiro modelo climático a incluir os oceanos e a atmosfera.

Com base nesse progresso, em 1975 Manabe e Wetherald publicaram os resultados de uma simulação do aquecimento global usando um modelo climático global. Nessa simulação, eles dobraram a fração molar de dióxido de carbono na atmosfera de 300 partes por milhão de volume para 600 partes por milhão de volume e deixaram o modelo processar os números.

Quase 50 anos atrás, eles previram o aquecimento geral da superfície da Terra, um aquecimento muito mais forte no Ártico, uma diminuição na cobertura de gelo e neve, um aumento na taxa média global de precipitação e um resfriamento da estratosfera. Durante a década de 1980, a equipe de Manabe também usou seus modelos para identificar a possibilidade de aumento da seca em algumas regiões continentais.

Todas essas previsões agora se tornaram realidade.

Ligando clima, tempo e caos

O trabalho de os outros vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2021, Hasselman e Parisi, seguiram os passos das primeiras pesquisas de Manabe e mostram como as interações em grande escala em todo o mundo dão origem ao comportamento caótico e difícil de prever do sistema climático em escalas de tempo do dia a dia.

Parisi estudou o papel do caos em uma ampla variedade de sistemas físicos e mostrou que mesmo os sistemas caóticos se comportam de maneira ordenada. Suas teorias matemáticas são fundamentais para a produção de representações mais precisas de sistemas climáticos caóticos.

Hasselman preencheu outra lacuna ajudando a conectar ainda mais o clima e o tempo. Ele mostrou que o clima altamente variável e aparentemente aleatório da atmosfera é convertido em sinais que mudam muito mais lentamente no oceano. Essas mudanças lentas e em grande escala nos oceanos, por sua vez, modulam o clima.

Em combinação, o trabalho de Manabe, Hasselman e Parisi permitiu aos cientistas prever como o comportamento caótico e acoplado da atmosfera, os oceanos e as superfícies da terra mudarão com o tempo. Embora previsões meteorológicas detalhadas de longo prazo não sejam possíveis, a capacidade da humanidade de compreender este sistema complicado é uma conquista incrível. A meu ver, Manabe, Hasselman e Parisi são ricamente merecedores do Prêmio Nobel de Física.

Este artigo foi republicado do The Conversation, um site de notícias sem fins lucrativos dedicado a compartilhar ideias de especialistas acadêmicos. Foi escrito por: David Randall, Colorado State University .

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David Randall recebe financiamento da National Science Foundation e da National Oceanographic and Atmospheric Administration.