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Physik-Nobelpreis 2021: Klima, Glas und ein Preis für die Muster im Komplexen

Den Physik-Nobelpreis 2021 erhalten Klaus Hasselmann, Syukuro Manabe und Giorgio Parisi. Sie fanden Regelmäßigkeiten in Systemen, die so komplex sind wie die ganze Welt.
Lässt sich Komplexität in ein Raster pressen?

Physiker mögen wohlgeordnete Strukturen: Planeten kreisen stoisch und gleichmäßig um ihr Zentralgestirn, Atome ordnen sich in sehr regelmäßigen Mustern und formen Kristalle. Aber: Bei etlichen Prozessen auf der Erde und im Kosmos gibt es schlichtweg zu viele Beteiligte und Einfluss nehmende Faktoren, um ihnen mit relativ simplen Modellen beizukommen. Im Fachjargon spricht man von komplexen Systemen, die aus vielen verschiedenen, zusammenwirkenden Teilen bestehen. Simuliert man sie, können oft schon kleinste Änderungen am Anfang zu völlig anderen Endergebnissen führen. Mit genügend Ausdauer und dem nötigen mathematischen Rüstzeug lassen sich jedoch auch ihnen Regelmäßigkeiten und eine gewisse Vorhersehbarkeit entlocken.

Genau das haben die drei diesjährigen Physik-Nobelpreisträger erreicht: Die beiden Klimaforscher Klaus Hasselmann und Syokuro Manabe sowie der theoretische Physiker Giorgio Parisi werden für ihre »bahnbrechenden Entdeckungen zu komplexen Systemen« geehrt, wie das Nobelpreiskomitee bekannt gab. Während der Deutsche Hasselmann und der Japaner Manabe mit ihren Modellen dazu beigetragen haben, das Klima und die Erderwärmung besser zu verstehen und vorherzusagen, konnte der Italiener Parisi mit seiner Arbeit zur Struktur von bestimmten Materialien den Grundstein legen, um komplexe Systeme auf der Ebene einzelner Atome nachzuvollziehen.

Dem heute 89-jährigen Hasselmann gelang es während seiner Forscherlaufbahn, eine Verknüpfung herzustellen zwischen Wetterphänomenen, die sich auf einer Zeitskala von Tagen abspielen, und Klimaentwicklungen, die über viele Jahre und sogar Jahrzehnte anhalten. Lange waren Fachleute beispielsweise skeptisch, ob man überhaupt das Klima mit dem Computer simulieren kann, wo doch das Wetter so wechselhaft und chaotisch ist. Hasselmann zeigte, dass dies in der Tat möglich ist. Er war auch einer der Ersten, die erforschten, wie Sonneneinstrahlung, abgestrahlte Wärme und die Luftmassen in der Atmosphäre miteinander in Wechselwirkung stehen. Seine vielfältigen Beiträge zu den Klimawissenschaften vollbrachte er am Hamburger Max-Planck-Institut für Meteorologie, dessen Direktor er bis 1999 war. Von 1988 bis 1999 führte er zusätzlich als erster wissenschaftlicher Direktor das Deutsche Klimarechenzentrum in Hamburg. Im Bereich der globalen Erwärmung ist er einer der am meisten zitierten Autoren. Dass er nun die höchste Auszeichnung der Wissenschaft erhalten wird, habe ihn laut Medienberichten aber »völlig überrascht«.

Eine frühe Warnung vor dem Klimawandel

Seine Forschungsergebnisse brachten Hasselmann schon früh dazu, sich mit dem Treibhauseffekt und dem vom Menschen verursachten Klimawandel durch Kohlendioxidausstoß auseinanderzusetzen. Er war unter den Ersten, die eindrücklich davor warnten, dass das umfangreiche Nutzen von fossilen Brennstoffen zu erheblichen Klimaveränderungen führen werde. »Klimazonen werden sich verschieben, Niederschläge anders verteilen«, sagte er etwa in einem Interview im Jahr 1988. Er rief dazu auf, mit Kohle und Öl sparsam umzugehen, da das »Kohlendioxid wesentlich an der Treibhauswirkung schuld ist«.

Nobelpreisträger Physik 2021 | Klaus Hasselmann (links) und Syukuro Manabe (rechts) teilen sich den Physik-Nobelpreis 2021 zu einer Hälfte, die andere ging an Giorgi Parisi.

Rückblickend wird seine Veröffentlichung »On the signal-to-noise problem in atmospheric response studies« aus dem Jahr 1979 als ein entscheidender Schritt zum Nachweis des menschlichen Einflusses auf den Klimawandel angesehen. In dem Paper erörtert er die Frage, wie die Atmosphäre auf externe Einflüsse reagiert. Um eine Antwort zu finden, brauche es gewisse Filtermethoden in der Modellierung, schreibt er. Würde man alle nur denkbaren Faktoren mit einbeziehen, würde man scheitern. Das Nobelpreiskomitee formulierte diese Herausforderung, die für komplexe Systeme im Allgemeinen gilt, so: »Wie viele Details sind notwendig, um eine Beobachtung korrekt zu beschreiben?« Die damalige Publikation Hasselmanns legte das Fundament für die Modellierung einer Atmosphäre, der permanent CO2 zugefügt wird.

Ein Effekt, den jedes Kind kennt

Solche und andere Klimasimulationen, die mit Hilfe mathematischer Formeln die chemischen und physikalischen Prozesse nachbilden, hat auch der heute 90-jährige Japaner Syukuro Manabe entwickelt. Seine Computermodelle konnten etwa zeigen, wie eine erhöhte Konzentration des Treibhausgases die Erde stetig erwärmt. Den grundlegenden Mechanismus dahinter lernt heute jedes Kind in der Schule: Mehr CO2 in der Atmosphäre reflektiert mehr Infrarotstrahlung zurück in Richtung Erdboden, was zu steigenden Temperaturen führt. Dadurch entsteht mehr Wasserdampf, was wiederum den Treibhauseffekt verstärkt – eine positive Rückkopplung also, die am Ende extreme Auswirkungen haben kann.

Da es sich beim Klima jedoch um ein komplexes System handelt, spielen noch weitere Faktoren ein Rolle. Es war Manabe, der bereits Ende der 1960er Jahre zusammen mit einem anderen Wissenschaftler am Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) in Princeton, New Jersey, die erste umfassende Klimasimulation erarbeitete, die ozeanische mit atmosphärischen Prozessen kombinierte. Fortan konnte die Forschungsgemeinde nachvollziehen, wie die Meere und die Atmosphäre miteinander interagieren und das Klima beeinflussen. Ihre damaligen theoretischen Betrachtungen sagten unter anderem vorher, wie sich die Veränderungen natürlicher Klimafaktoren, darunter Meeres- und Atmosphärenströmungen und Temperatur, auf die Entwicklung des Klimas auswirken.

Zwischen dem 4. und dem 11. Oktober 2021 haben Jurys die Nobelpreisträger des Jahres 2021 verkündet. Wer einen der begehrten, einst von Erfinder Alfred Nobel gestifteten Preise erhalten hat, können Sie auf unserer Schwerpunktseite »Nobelpreise – die höchste Auszeichnung« nachlesen. Dort erfahren Sie zudem das Wesentliche über die Laureaten und ihre Forschungsthemen.

Manabe verbrachte die meiste Zeit seiner Forscherlaufbahn in den USA, wo er bis zum Jahr 1997 in der Abteilung General Circulation Research des damaligen U.S. Weather Bureau arbeitete. Zuletzt war er als Gastwissenschaftler am Forschungsprogramm der Atmosphären- und Ozeanwissenschaften der Princeton University im US-Bundesstaat New Jersey tätig. Angesichts der Vielzahl ihrer klimawissenschaftlichen Beiträge gelten Manabe und Hasselmann heute als Pioniere, wenn es um das Verständnis der menschengemachten Erwärmung geht.

Keine Zeit für Ordnung

Der Klimawandel treibe auch ihn um, machte der dritte – und mit 73 Jahren jüngste – Preisträger im Telefoninterview mit dem Nobelkomitee deutlich. Mit dem Klima hat das Forschungsgebiet des italienischen Physikers Girogi Parisi aber auf den ersten Blick nur wenig zu tun. Doch wie seine beiden Kollegen ist Parisi, bis 1992 Professor für Theoretische Physik an der Universität Rom Tor Vergata und momentan Professor für Quantentheorien an der Universität Sapienza in Rom, ausgewiesener Experte für komplexe Systeme. Schon viele Jahrzehnte erforscht er unter anderem den komplexen formgebenden Prozess in Materialien wie Glas.

Atome in Glas haben keine geordnete Struktur, vielmehr bilden sie ein sehr unregelmäßiges Muster. Im Fachjargon spricht man von einem amorphen Material. Was man im Alltagsleben als Glas bezeichnet, bildet dabei nur einen kleinen Ausschnitt aus der Vielfalt der unterschiedlichen Gläser. Um einen solchen amorphen Zustand zu erzeugen, muss eine Schmelze oder Flüssigkeit vergleichsweise schnell abgekühlt werden. Den Atomen oder Molekülen fehlt dann gewissermaßen die Zeit, sich regelmäßig anzuordnen. Gleichwohl gibt es auch in solchen zunächst chaotisch anmutenden Strukturen bestimmte Regeln und Muster.

Insbesondere befasste sich Parisi mit einer Metalllegierung namens Spin-Glas, bei der einzelne Eisenatome zufällig in ein Kristallgitter aus Kupferatomen gemischt sind. Auch wenn nur wenig Eisen vorhanden ist, verändert diese Zugabe die magnetischen Eigenschaften des Materials auf radikale und lange unverstandene Weise. Parisi fand nun heraus, dass es versteckte Regeln gibt, die das scheinbar zufällige Verhalten solcher Materialien beeinflussen. Ihm gelang es als Erstem, solche Prinzipien mathematisch zu beschreiben.

Das Nobelkomitee sah im komplexen Verhalten des Spin-Glases einen »Mikrokosmos«, der mit dem »Makrokosmos« des Erdklimas vergleichbar ist. Beide Systeme weisen auf den ersten Blick ein chaotisches, vom Zufall bestimmtes Verhalten auf. Erst die detaillierte Analyse fördert dann gewisse Muster zu Tage, die es möglich machen, die Systeme zu beschreiben und Vorhersagen zu treffen. Dazu müsse man viele kleine Einzelteile zu einem großen Ganzen verknüpfen. So haben alle drei einen Beitrag geleistet, die Komplexität unserer Welt etwas besser verstehbar zu machen. Gleichwohl sei es auf Grund der doch etwas unterschiedlichen Forschungsbereiche ein aufgesplitteter Nobelpreis, wie das Komitee erklärt.

In drei Wochen beginnt die Weltklimakonferenz in Glasgow, und dass für den Einstieg in eine wirksame Klimapolitik nur noch wenig Zeit bleibt, dürfte sich inzwischen herumgesprochen haben. Seine diesjährige Entscheidung will das Nobelkomitee dennoch nicht als Appell an die Politik verstanden wissen. Ausschlaggebend sei vielmehr die herausragende Wichtigkeit dieses Forschungsgebiets gewesen. Es reiche eben nicht aus, lediglich immer leistungsstärkere Rechner für die Simulationen benutzen. Ohne die jahrzehntelange theoretische Vorarbeit, wie sie die drei Geehrten in ihrer Laufbahn leisteten, bringe auch der schnellste Computer nichts.

Den Appell an die Öffentlichkeit übernahm dann einer der Preisträger. Am Telefon sagte Parisi, »dass wir für künftige Generationen nun sehr schnell handeln müssen«. Denn die Prozesse, die der Erwärmung zu Grunde liegen, würden sich sonst immer stärker beschleunigen. Letztlich dann doch eine relativ einfache Antwort, die sich aus der Erforschung komplexer Systeme ergibt.

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