nobelprijs voor natuurkunde

Onderzoekers van klimaat en chaos krijgen Nobelprijs voor Natuurkunde 2021

Onderzoek naar de complexiteit van het klimaat en de chaotische wereld van atomen gaat er dit jaar met de Nobelprijs voor Natuurkunde vandoor. Drie wetenschappers delen de eer.

Onderzoek naar de complexiteit van het klimaat en de chaotische wereld van atomen gaat er dit jaar met de Nobelprijs voor Natuurkunde vandoor. Drie wetenschappers delen de eer.

Shutterstock

Bij de toekenning van de Nobelprijs voor Natuurkunde richtte het comité zich dit jaar op ons begrip van complexe systemen en de ontwikkeling van methoden om die te kunnen voorspellen. Van het kleinste atoom tot de dampkring.

De helft van de prijs wordt gedeeld door twee klimaatonderzoekers: de Japanner Syukuro Manabe van Princeton University in de VS en de Duitser Klaus Hasselmann van het Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg.

Syukuro Manabe Klaus Hasselmann nobelprijs natuurkunde

Klimaatwetenschappers Syukuro Manabe en Klaus Hasselmann krijgen de Nobelprijs voor Natuurkunde voor hun betrouwbare klimaatmodellen.

© TT NEWS AGENCY/Reuters/Ritzau Scanpix & J.J. Guillen/EPA/Ritzau Scanpix

Manabe is een pionier op klimaatgebied en was een van de eersten die inzagen dat een hoger CO2-gehalte in de atmosfeer de temperatuur op aarde verhoogt. In de jaren 1960 ontwikkelde hij klimaatmodellen die voor het eerst in kaart brachten hoe luchtmassa’s anders bewegen wanneer de temperatuur stijgt.

Warme lucht stijgt op en neemt waterdamp mee. Net als CO2 werkt die damp als een broeikasgas dat de opwarming van de aarde bevordert. Manabes inzicht in deze dynamiek ligt ten grondslag aan alle klimaatmodellen die nu gehanteerd worden.

Klimaat Syukuro Manabe

Syukuro Manabe stelde in de jaren 1960 de eerste klimaatmodellen op, die de balans tussen de inkomende straling van de zon en de uitgaande van de aarde (1) vergeleek met het transport van waterdamp door de luchtlagen (2).

© © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Net als Manabe leverde Hasselmann belangrijke bijdragen aan klimaatmodellen die de gevolgen van het broeikaseffect voorspellen. Vooral dankzij zijn inzicht in de opwarming van de oceanen kunnen de modellen langdurige klimaatveranderingen vergelijken met de weersveranderingen die we merken. Verder droegen zijn modellen bij aan het bewijs dat de opwarming van de aarde aan menselijke activiteiten te wijten is.

Wiskunde van materialen

De tweede helft van de Nobelprijs gaat ook naar onderzoek van complexe systemen, maar op een heel ander vlak. De Italiaan Giorgio Parisi van de Sapienza-universiteit in Rome krijgt de prijs voor het overzichtelijk maken van schijnbaar chaotische structuren in materialen.

Giorgio Parisi nobelprijs natuurkunde

Giorgio Parisi krijgt de Nobelprijs voor zijn wiskundige theorieën over complexe structuren in materialen.

© Accademia del Lincei/Zuma Press/Ritzau Scanpix

In tegenstelling tot bijvoorbeeld kristallen, waarbij de atomen in een vast rooster zitten, hebben sommige materialen een veel complexere opbouw en zijn de atomen bepaald niet netjes gerangschikt. Zo kan hun spin of magnetische oriëntatie schommelen.

In een legering van ijzer en koper kunnen de ijzeratomen, die als kleine staafmagneetjes werken, alle kanten op staan.

Legering ijzer koper

In een legering van ijzer en koper lijken de positie van de ijzeratomen (rood) en hun oriëntatie (zwarte pijlen) op het eerste gezicht chaotisch, maar de atomen beïnvloeden elkaar magnetisch.

© © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

De ijzeratomen beïnvloeden elkaar met hun magnetisch veld, en in een driedimensionale structuur lijkt de oriëntatie van één atoom volstrekt willekeurig. Maar dankzij de wiskundige modellen van Parisi is de structuur toch te beschrijven.

De wiskunde die Parisi heeft ontwikkeld, is bovendien toepasbaar op heel andere terreinen, zoals hersenonderzoek of de bouw van zelflerende computers.

Volgens het Nobelprijscomité hebben de drie winnaars gemeen dat ze door natuurkundige verschijnselen tot in detail te doorgronden modellen hebben opgesteld die de effecten ervan op een grote schaal voorspellen.