A principios de la década de 1950 un joven estudiante de posgrado en la Universidad de Tokio estaba muy emocionado por poder investigar la predicción numérica del tiempo en el Instituto de Estudios Avanzados en la Universidad de Princeton. Hasta ese momento, el pronóstico del tiempo era más o menos un problema empírico. Un trabajo en el que se miraban mapas de presión para luego extrapolar hacia adelante y así intentar de alguna forma predecir el tiempo.
Ese investigador era Syukuro Manabe, meteorólogo principal del programa de ciencias atmosféricas y oceánicas de la Universidad de Princeton.
El trabajo de Manabe fue pionero. En el año 2015 el sitio científico especializado en cambio climático de Reino Unido Carbon Brief, consultó a científicos del clima de todo el mundo sobre los estudios más influyentes de todos los tiempos, el ganador fue un artículo de 1967 de Syukuro Manabe y Richard Wetherald, Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity. Publicado en Journal of the Atmospheric Sciences, el estudio presentaban un modelo radiativo-convectivo de la atmósfera que exploraba el papel de los gases de efecto invernadero como el vapor de agua, el dióxido de carbono y el ozono en el mantenimiento y cambio de la estructura térmica de la atmósfera.
Manabe mostró cómo el aumento de los niveles de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera terrestre conduce a un aumento de las temperaturas en la superficie. Desarrolló además modelos matemáticos tempranos del clima del planeta. Un avance muy significativo en relación con las herramientas de algún modo primitivas y no muy científicas previas, que hacían muy difícil, por ejemplo, extrapolar porque los ciclones se desarrollan muy rápido y con mucha frecuencia.
Una década después el científico Klaus Hasselmann, del Instituto Max Planck de Meteorología en Hamburgo, Alemania, se basó en el trabajo de Manabe para crear un modelo que vincula el tiempo y el clima. Si Manabe mostró cómo y por qué el aumento de CO2 conduce al calentamiento global. Hasselmann demostró que está sucediendo.
Fue el comienzo de la investigación a largo plazo sobre el calentamiento global. Conocimiento que tuvo otro aporte muy importante: el entendimiento de las turbulencias atmosféricas. Trabajo detrás del que se encuentra el italiano Giorgio Parisi, científico muy ecléctico que ha abarcado áreas como partículas fundamentales, materia condensada, física estadística y materiales desordenados. Si el clima de la Tierra es un sistema enormemente complejo a gran escala, a nivel microscópico, ha demostrado en diversos estudios Parisi, también lo es la complicada física de los átomos y moléculas que se encuentran dentro de los materiales.
Coincidentemente el trabajo de Manabe, como el Hasselmann y Parisi representan valiosas e innovadoras contribuciones a la comprensión de los sistemas físicos complejos. Y hoy, coincidentemente también, todos ellos fueron reconocidos con el Premio Nobel de Física 2021.
Base científica cambio climático
La mitad del premio se distribuye entre Manabe, de 80 años, y en Hasselmann, de 79, “por la modelización física del clima de la Tierra y por haber cuantificado la variabilidad y predicho de forma fiable el cambio climático”, indicó el jurado.
La otra mitad fue atribuida a Parisi, de 73 años, “por el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos, desde la escala atómica a la planetaria”.
Todos los galardonados en esta oportunidad han contribuido a una visión más profunda de las propiedades y la evolución de los sistemas físicos complejos. Se trata además del primer premio Nobel por la ciencia que sustenta la comprensión del cambio climático.
En los últimos dos años, la Real Academia de las Ciencias de Suecia había premiado los descubrimientos en el ámbito de la astronomía, por lo que muchos observadores apostaban porque este año se distinguiera el trabajo realizado en otros campos de la investigación.
“Los descubrimientos reconocidos este año muestran que nuestros conocimientos sobre el clima descansan sobre una base científica sólida, fundamentada en análisis rigurosos y observaciones”, declaró Thors Hans Hansson, presidente del Comité Nobel de Física, en un comunicado.
Boris Barja, Doctor en Meteorología e investigador del Laboratorio de Investigaciones Atmosféricas de la Universidad de Magallanes, resalta que el reconocimiento que se de en un momento propicio por lo que sucede a nivel global, “viene a dar un apoyo a la teoría de que hay un cambio climático y que el hombre tiene una contribución importante en ese cambio climático”.
Rodrigo Soto, director del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa y académico DFI-UChile, que además produce el programa de divulgación, Podcasts de Física: Premios Nobel, destaca que los tres científicos sobresalen por el estudio de sistemas complejos “y fueron capaces de describir estos sistemas que tienen interacciones complicadas, dos de ellos son por el clima”.
Se trata de dos premios diferentes, pero con un tema común: cómo se estudian los sistemas físicos complejos. “En el caso de Manabe y Hasselmann, ellos dos están vinculados a los temas de sistemas complejos en la atmosfera en el clima, y Parisi está vinculado en la investigación en sistemas complejos de materiales”, destaca Barja.
Barja resalta lo que implica este reconocimiento por parte de la comunidad científica internacional de que el modelamiento físico del clima de la Tierra tiene un fundamento científico fuerte, “porque el modelo del cambio climático debido al aporte del ser humano se ha criticado, y estos modelos hacen que se fortalezcan los descubrimientos”.
Sobresalen en ese sentido, los aportes de Manabe que demostró que el aumento de Co2 en la atmósfera conlleva a un aumento de la temperatura, “lo que propicio que se desarrollara a los modelos climáticos de la actualidad que han demostrado la existencia del cambio climático”, dice Barja.
Manabe quedó “atónito” cuando se enteró de que había ganado el premio, comentó a los medios John Wettlaufer, científico planetario y de la Tierra de la Universidad de Yale en New Haven miembro del comité del Nobel de Física. “Él dijo: ‘Pero yo solo soy un climatólogo’”, aseguró.
Hasselmann en los años 70 después de Manabe, pudo demostrar y responder una pregunta: ¿cómo modelar el clima a largo plazo a partir del tiempo meteorológico que es un estado muy variable? “Se preguntó cómo poder modelar el comportamiento del modelo a largo plazo con una señal muy caótica. Este científico desarrollo un método para poder responder esa incógnita, de cómo llegar a conocer cómo se comportará ese sistema muy variable y complejo en periodos largos de tiempo”, dice Barja. En definitiva, dice, es posible predecir lo que está sucediendo con el clima en el futuro si se sabe cómo codificar el clima caótico.
Contribución de Parisi
El físico italiano Giorgio Parisi, reconoció que “estaba muy feliz y realmente no me lo esperaba”, a los periodistas después del anuncio. “Estaba realmente muy feliz. Sabía que había una posibilidad nada despreciable”, señaló sobre cómo se convierte en el sexto científico italiano en ganar el Premio Nobel de Física, después de Guglielmo Marconi (1909), Enrico Fermi (1938), Emilio Segré (1959), Carlo Rubbia (1984) y Riccardo Giacconi (2002).
Parisi comenzó su carrera en física de partículas, pero desde entonces su investigación ha derivado en muchos otros subcampos. A finales de los 70, se enfocó en la teoría de sistemas complejos, donde descubrió un tipo de orden oculto y contrario a la intuición en las interacciones de muchos objetos. En sistemas más simples, tal cómo ocurre en los materiales magnéticos, por ejemplo, los átomos tienden a alinearse en paralelo a sus vecinos, pero los sistemas complejos son menos predecibles. Parisi descubrió que pese a ello cumplen con un tipo de simetría que solo se nota al comparar cómo los átomos individuales se organizan en diferentes escalas.
Darío Pérez, académico del Instituto de Física de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, señala que la academia sueca premia a Parisi, quién recibe la mitad del Nobel, “mayormente por su descripción de la turbulencia atmosférica, eso es muy importante porque comprender cuál es el comportamiento a diferentes escalas, saber lo que ocurre a 10 metros o a 10 km, es una pregunta difícil de responder”.
Las contribuciones de Parisi ayudan a comprender cómo se difunde un gas o un contaminante en la atmósfera, explica Pérez. “Permitiendo entender cómo se comporta la turbulencia atmosférica desde la escala humana a escala de los kilometros, permite predecir cuáles serán los efectos en la dinámica geofísica, y cómo afectara el clima en lo local. Desde allí, nos ayuda a entender el futuro del clima en los próximos años. Él logro probar que lo que ocurre a pequeñas escalas en pequeños tiempos ayuda a predecir qué ocurre a otras escalas mayores y a tiempos mayores”.
Parisi ha sido un físico muy prolífico. Empezó haciendo teoría de campos y partículas, dice Pérez, y luego pasa a sistemas complejos: partiendo de millones de moléculas o átomos, y de ahí a fluidos.
Destaca, indica Pérez la investigación de Parisi del vidrio de spines (no el vidrio que conocemos, un material amorfo, sino un conjunto de átomos orientados al azar) que describió usando conocimiento de Física Estadística. “De los problemas de vidrios, más tarde aporta en fluidos y turbulencia, y en cada caso lo que ve es que hay ciertas regularidades que representan las características de sistema. Estas tienen características fractales que permiten describir ciertas similitudes ante los cambios de escala y las características del sistema. Y eso mismo se ve en la atmósfera por eso se une el mundo de los vidrios y la atmósfera”, explica.
En el estudio de esos vidrios de spines, Soto explica que el científico observa que esas moléculas no encajan muy bien cuando se van acomodando, es decir, rápidamente el sistema se empieza a desordenar y no se puede armar bien. “Se pregunta entonces cómo se puede entender un sistema desordenado, en el cual se colocan piezas las diferentes, pero que se ven iguales. Desarrolló una teoría que explica por qué el desorden genera propiedades universales. Primero se aplicó en la comprensión de los vidrios y también para otros problemas. En definitiva, muestra que no hay única forma de resolver un problema, no una ni dos, son infinitas. Dio las herramientas matemáticas y físicas para abordar esos problemas”.
El método que desarrollo Parisi, destaca Soto, permite estudiar otros sistemas como redes neuronales de inteligencia artificial donde la interacción de los distintos elementos permiten que haya muchas soluciones posibles, “que son diferentes, pero si luego se observan se ven parecidas”.
Trabajó en teorías de sistemas complejos, que incluyen el clima, pero también las moléculas de gas en una cámara o el comportamiento de una bandada de estorninos. Estos sistemas están aparentemente desordenados: un pájaro puede pensar en volar de manera diferente, las moléculas rebotan entre sí de maneras impredecibles y una cantidad vertiginosa de factores influyen en el clima. Pero dentro de esta aleatoriedad, descubrió Parisi, hay reglas matemáticas ocultas.
Gracias a estos trabajos el investigador italiano contribuyó a entender cómo se puede predecir el futuro del clima, no de pocos días sino de cientos de años. “El trabajo de Parisi se vincula en un orden diferente al de Hasselmann. Ambos contribuyeron en estudiar la turbulencia, Parisi en términos generales y Hasselmann en cómo funciona la turbulencia de escala terrestre”, señala Pérez.
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