“זוכי נובל מנאבה והאסלמן הביאו תועלת עצומה לאנושות ע”י הספקת בסיס פיזיקלי מוצק להבנה שלנו אודות האקלים”

כך מסכמים חברי וועדת פרס נובל לפיזיקה את החלטתם לשניים שפיתחו את המודלים של אקלים כדור הארץ וזכו במשותף במחצית פרס נובל לפיזיקה לשנת 2020

הסבר מונגש של המדע שמאחורי הזכיה בפרס נובל לפיזיקה של סיוקורו מאנאבה מאוניברסיטת פרינסטון וקלאוס האסלמן ממכון מקס פלאנק ששכללו את מודלי האקלים כפי שפורסם באתר פרס נובל. תרגום: ד”ר משה נחמני.

אפקט החממה חיוני לחיים אבל גם יותר מדי זה לא טוב

לפני מאתיים שנים, הפיזיקאי הצרפתי ז’וזף פורייה חקר את מאזן האנרגיה שבין קרינת השמש המגיעה לקרקע לבין הקרינה המוחזרת מהקרקע. הוא הבין את תפקידה של האטמוספירה במאזן זה: על פני הקרקע של כדור הארץ, הקרינה המגיעה מהשמש הופכת לקרינה מוחזרת – “חום אפל” – הנספגת על ידי האטמוספירה, ולפיכך גורמת לחימום שלה. תפקידה המגן של האטמוספירה נקרא כיום אפקט החממה. שם זה נגזר מהדמיון שלה ללוחות הזכוכית שבחממות, לוחות המאפשרים לקרני השמש לחדור לתוכן ולחום להילכד בתוכן. אולם, התהליכים הקרינתיים שבאטמוספירה הרבה יותר מורכבים.

המשימה נותרה כי שניצבה בפני פורייה – לבחון את המאזן שבין קרינת השמש בגלים קצרים המגיעה לכיוון הכוכב שלנו לבין קרינת תת-אדום בגלים ארוכים הנפלטת מפני הקרקע. פרטי המנגנון הזה נקבצו במשך מאתיים השנים האחרונות על ידי מדעני אקלים רבים וטובים. מודלים עכשוויים לתיאור האקלים מהווים כלים בעלי עוצמה הולכת וגדלה, לא רק בשביל הבנת האקלים, אלא גם בשביל הבנת תרומת החימום העולמי שעליו אחראים בני האדם.

מודלים אלו מבוססים על חוקי הפיזיקה והתפתחו מתוך מודלים ששימשו בעבר עבור חיזוי מזג האוויר. מזג האוויר מתואר על ידי מדדים מטאורולוגיים כגון טמפרטורה, משקעים, רוח או עננים, והוא מושפע על ידי תופעות המתרחשות הן באוקיאנוסים והן ביבשה. מודלים לתיאור האקלים מבוססים על מדדים סטטיסטיים מחושבים של מזג האוויר, כגון ערכים ממוצעים, סטיות תקן, ערכים נמדדים מרביים ומזעריים, וכיו”ב. מדדים אלו לא מסוגלים לומר לנו מה יהיה מזג האוויר בשטוקהולם בעשרה בדצמבר בשנה הבא, אולם, נוכל לקבל מושג כלשהו באשר לטמפרטורה או לכמות המשקעים הצפויים הממוצעים בשטוקהולם בדצמבר.   

“האם כדור הארץ מתחמם? כן.   האם הסיבה היא הכמויות ההולכות וגדלות של גזי החממה באטמוספירה? כן. האם ניתן להסביר זאת רק על ידי הגורמים הטבעיים? לא. האם הפליטות מעשי ידי אדם הן הסיבה לעליית הטמפרטורה? כן.“

קביעת התפקיד של פחמן דו-חמצני

אפקט החממה חיוני לחיים על פני כדור הארץ. הוא שולט בטמפרטורה מאחר וגזי החממה שבאטמוספירה – פחמן דו-חמצני, מתאן, אדי מים וגזים אחרים – סופגים בתחילה את קרינת התת-אדום של הקרקע ואז משחררים אותה לאחר מכן, תוך חימום האוויר שמסביב והקרקע שמתחת.

גזי החממה מרכיבים למעשה רק חלק קטן מהאטמוספירה היבשה של כדור הארץ, שהיא ברובה חנקן וחמצן (99 אחוזים בנפח). פחמן דו-חמצני מהווה רק 0.04 אחוזים בנפח. גז החממה המשמעותי ביותר הוא אדי מים, אולם אנו לא יכולים לשלוט בריכוז אדי המים באטמוספירה, בעוד שאנו כן יכולים לשלוט ברמות הפחמן הדו-חמצני.

כמות אדי המים שבאטמוספירה תלויה באופן הדוק בטמפרטורה, עובדה הגורמת למנגנון של היזון-חוזר. כמות גדולה יותר של פחמן דו-חמצני באטמוספירה מחממת אותה יותר, עובדה המאפשרת לכמות גדולה יותר של אדי מים להיוותר באטמוספירה, עובדה המגבירה את אפקט החממה וגורמת לטמפרטורה לעלות עוד יותר. אם רמת הפחמן הדו-חמצני תרד, אזי חלק מאדי המים יתעבו והטמפרטורה תרד.

חלק ראשון וחשוב בתצרף הזה באשר להשפעה של פחמן דו-חמצני הגיע מהחוקר השבדי וחתן פרס הנובל סוונטה ארניוס (Svante Arrhenius). באופן מקרי לחלוטין, היה זה דווקא העמית שלו המטאורולוג נילס גוסטב אקהולם (Nils Ekholm) שבשנת 1901 היה הראשון שהשתמש במילה ‘חממה’ במסגרת התיאור של יכולתה של האטמוספירה לאחסן ולפלוט חום.

ארניוס הבין את הפיזיקה האחראית לאפקט החממה כבר בשלהי המאה התשע-עשרה – שהקרינה הנפלטת היא יחסית לטמפרטורה המוחלטת של גוף הקרינה (T) בחזקה רביעית (⁴T). ככל שמקור הקרינה חם יותר, כך יהיו גלי האורך של הקרינה קצרים יותר. לשמש יש טמפרטורת פני שטח של ששת אלפי מעלות צלזיוס והיא פולטת בעיקר קרניים באורכי גל של האור הנראה. כדור הארץ, עם טמפרטורת פני קרקע של כחמש עשרה מעלות צלזיוס בלבד, מחזיר קרינה בתחום התת-אדום שאינה נראית בעין בלתי מזוינת. אם האטמוספירה לא הייתה סופגת את הקרינה הזו, אזי טמפרטורת פני הקרקע הייתה מגיעה למינוס שמונה עשרה מעלות בלבד.  

ארניוס בעצם ניסה להבין מה גרם לתופעה שהתגלתה לאחרונה של עידני קרח. הוא הגיע למסקנה כי אם ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה היה מחציתו, היה זה מספיק עבור כדור הארץ להיכנס לעידן קרח חדש. ולהיפך – הכפלת הכמות של פחמן דו-חמצני תגביר את הטמפרטורה בחמש או שש מעלות צלזיוס, תוצאה אשר, במידה מסוימת, קרובה להפליא לאומדנים הנוכחיים.

המודל החלוצי עבור ההשפעה של פחמן דו-חמצני

בשנות החמישים, פיזיקאי האטמוספירה היפני סוקורו מנאבה היה אחד מהחוקרים הצעירים והמוכשרים בטוקיו אשר עזב את יפן והמשיך את הקריירה המדעית שלו בארה”ב. מטרת המחקר של מנאבה, בדומה לזו של ארניוס, כשבעים שנים לפני כן, הייתה להבין כיצד רמות גבוהות של פחמן דו-חמצני עלולות לגרום לטמפרטורות גבוהות יותר. אולם, בעוד ארניוס התמקד במאזן הקרינה, בשנות השישים מנאבה עבד על הפיתוח של מודלים פיזיקאליים שכוללים בתוכם העברה אנכית של אוויר בשל אפקט ההסעה (convection), וכן של החום של אדי המים.

על מנת להתחשב בחישובים אלו, הוא בחר לצמצם את המודל לממד אחד – טור אנכי, העולה לגובה של ארבעים קילומטרים לתוך האטמוספירה. אפילו כך, נדרשו מאות שעות חישוב יקרות על מנת לבחון את המודל על ידי שינוי הריכוזים של הגזים באטמוספירה. לחמצן ולחנקן היו השפעות זניחות על טמפרטורת הקרקע, בעוד שלפחמן הדו-חמצני הייתה השפעה ניכרת: כאשר רמת הפחמן הדו-חמצני הוכפלה, הטמפרטורה הכללית עלתה בשתי מעלות צלזיוס.

מודל האקלים של מנאבה

המודל של מנאבה אימת כי חימום זה הוא אכן בשל הגברת הריכוז של פחמן דו-חמצני, מאחר והוא חזה טמפרטורות גואות קרוב לקרקע בעוד שהחלק העליון של האטמוספירה הפך לקר יותר. אם במקום זאת, שינויים בקרינת השמש היו אחראים להגברת הטמפרטורה, אזי האטמוספירה בכללותה (החלק התחתון והעליון שלה) הייתה מתחממת בו זמנית.

לפני שישים שנים, מחשבים היו איטיים יותר מאשר היום פי מאות אלפים, כך שמודל זה היה די פשוט, אולם מנאבה צדק במאפיינים החשובים. אתה תמיד צריך לשפט את הדברים, הוא אומר. לא ניתן להתחרות במורכבות של הטבע – כל כך הרבה חוקי פיזיקה קשורים בכל טיפת גשם כך שמעולם לא יהיה ניתן לחשב ממש את הכל. התובנות שהתקבלו מתוך המודל החד-ממדי הובילו לפיתוח של מודל אקלים בשלושה ממדים, שאותו פרסם מנאבה בשנת 1975; היה זה רק ציון דרך נוסף בנתיב להבנת הסודות של האקלים.

מזג האוויר הוא כאוטי

כעשר שנים לאחר הפרסום של מנאבה, קלאוס האסלמן הצליח לקשר יחדיו את מזג האוויר עם האקלים על ידי מציאת דרך שהערימה על השינויים המהירים והכאוטיים במזג האוויר שהיו קשים מדי לחישוב. לכוכב הלכת שלנו יש שינויים נרחבים במזג האוויר שלו מאחר וקרינת השמש פרוסה באופן מאוד בלתי אחיד, הן גיאוגרפית והן מבחינת הזמן. כדור הארץ שלנו הוא כדורי, ולכן פחות קרינת שמש מגיעה למקומות הגבוהים מאשר לנמוכים יותר בקו המשווה. לא רק זאת, אלא שציר הסיבוב של כדור הארץ נטוי, עובדה הגורמת לשינויים עונתיים בקרינה המגיעה לקרקע. הבדלי הצפיפות בין אוויר חם יותר לקר יותר גורמים להעברה מוגברת של חום בין גבהים שונים, בין הים ליבשה, בין מסות אוויר גדולות לנמוכות יותר, גורמים המניעים את מזג האוויר בכוכב הלכת שלנו.

כפי שכולנו יודעים, ניסוח תחזיות אמינות באשר למזג האוויר ליותר מעשרה ימים קדימה הוא אתגר רציני. לפני מאתיים שנים, המדען הצרפתי פייר-סימון לפלס העיר כי אם רק היינו יודעים את המיקום והמהירות של כל החלקיקים ביקום, הרי שהיה אפשר לחשב הן מה קרה והן מה עשוי לקרות בעולם שלנו. בעיקרון, הדבר עשוי להיות האמת; חוקי התנועה של ניוטון, המתארים גם הסעת אוויר באטמוספירה, דטרמיניסטיים לחלוטין – הם אינם מקריים.

למרות זאת, שום דבר לא יהיה שגוי יותר בכל הקשור למזג אוויר. זאת לאור העובדה כי, חלקית ומעשית, בלתי אפשרי להיות מדויק מספיק בכדי לחשב את טמפרטורת האוויר, הלחץ, הלחות או תנאי הרוח עבור כל נקודה ונקודה באטמוספירה. בנוסף, המשוואות אינן ליניאריות – שינויים קטנים בערכים ההתחלתיים יכולים להוליד מערכת מזג אוויר שונה לחלוטין. על בסיס השאלה באם נפנוף כנפיו של פרפר בברזיל יכול לגרום לטורנדו בטקסס, התופעה נקראה “אפקט הפרפר”. למעשה, הכוונה היא שאי אפשר לייצר תחזיות מזג אוויר ארוכות טווח – מזג האוויר הוא כאוטי; תגלית זו נעשתה בשנות השישים על ידי המטאורולוג האמריקאי אדוארד לורנץ, אשר הניח את הבסיס לתיאוריית הכאוס של היום.  

ההיגיון שמאחורי נתונים רועשים

כיצד נוכל לייצר מודלים אמינים של אקלים למספר עשורים או מאות שנים בעתיד, למרות שמזג אוויר היא דוגמא קלאסית של מערכת כאוטית? בשנת 1980 קלאוס האסלמן הדגים כיצד תופעות מזג אוויר משתנות וכאוטיות ניתנות לתיאור כרעש משתנה באופן מהיר, כלומר – פיתוח תחזיות אקלים ארוכות טווח על בסיס מדעי מוצק. יתרה מכך, הוא פיתח שיטות לאיתור ההשפעה האנושית על הטמפרטורה העולמית הנצפית. בתור סטודנט צעיר לתואר שלישי בפיזיקה בהמבורג, גרמניה, בשנות החמישים, האסלמן עבד על דינמיקה של נוזלים, ואז החל לפתח תצפיות ומודלים תיאורטיים באשר לגלי וזרמי ים. הוא עבר לקליפורניה והמשיך בתחום האוקיאנוגרפיה, שם הוא עבד עם עמיתו צ’ארלס דייוויד קילינג, חוקר אגדתי שהחל עוד בשנת 1958 בסדרה הארוכה ביותר של מדידות פחמן דו-חמצני באטמוספירה בהוואי. השגת מודל אקלימי מתוך נתוני מזג אוויר רועשים ניתנת להדגמה על ידי תיאור ריצתו של כלב משוטט: הכלב מתרוצץ, קדימה ואחורה, מצד לצד ומסביב לרגלי הבעלים שלו. כיצד תוכל להשתמש בעקבות הכלב על מנת לראות באם אתה מהלך או עומד במקום? או באם אתה מהלך באופן מהיר או איטי? עקבות הכלב הם כמו השינויים במזג האוויר, וההליכה של הבעלים לצד הכלב היא האקלים המחושב. האם בכלל אפשר להסיק מסקנות באשר למגמות ארוכות טווח באקלים תוך שימוש בנתוני מזג אוויר רועשים וכאוטיים?

קושי נוסף טמון בכך שהשינויים המשפיעים על האקלים משתנים באופן קיצוני לאורך זמן – הם יכולים להיות מהירים, כמו בעוצמת הרוח ובטמפרטורת האוויר, או איטיים מאוד, כמו

קרחוני קרח נמסים, והתחממות האוקיאנוסים. למשל, חימום אחיד במעלת צלזיוס אחת בלבד יכול להימשך אלפי שנים עבור האוקיאנוס, אולם רק מספר שבועות עבור האטמוספירה. הרעיון הגאוני של החוקרים היה להכליל את השינויים המהירים במזג האוויר לתוך החישובים בתור רעש, ולהראות כיצד רעש זה משפיע על האקלים. האסלמן פיתח מודל אקלים אקראי והסתברותי (stochastic), שמשמעותו שהשינוי מוטמע לתוך המודל. ההשראה שלו הגיעה מתוך התיאוריה של אלברט איינשטיין הקרויה בשם ‘תנועה בראונית’, הנקראת גם בשם ‘הילוך מקרי’. תוך שימוש במודל זה, האסלמן הדגים כי אטמוספירה המשתנה במהירות יכולה בעצם לגרום לשינויים איטיים באוקיאנוס.

להבחין בעקבות של השפעה אנושית

ברגע שהמודל עבור השינויים האקלימיים הושלם, האסלמן פיתח שיטות לאיתור ההשפעה האנושית על מערכת האקלים. הוא מצא כי המודלים, לצד התצפיות והשיקולים התיאורטיים, כוללים בתוכם מידע ראוי באשר לתכונות של רעש ואותות. למשל, שינויים בקרינת השמש, בחלקיקים געשיים או ברמות של גזי החממה מותירים אותות ייחודיים, טביעות אצבע, שניתנות להפרדה ולהבחנה. שיטה זו לאיתור טביעות אצבע ניתנת ליישום גם עבור מדידת ההשפעה שיש לאנושות על המערכת האקלימית. האסלמן, כך הסתבר, מצא את הדרך לחקור עוד ועוד את השינויים האקלימיים, שהדגימו עקבות של ההשפעה האנושית על האקלים תוך שימוש במספר רב של תצפיות בלתי תלויות.

מודלים אקלימיים הפכו למדויקים יותר ויותר ככל שהתהליכים שנכללו ביחסי הגומלין המורכבים של האקלים מופו באופן מדויק יותר, גם בזכות מדידות לווייניות ותצפיות של מזג האוויר. המודלים מראים בברור אפקט חממה הולך ומאיץ; מאז אמצע המאה התשע-עשרה הרמות של הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה התגברו בארבעים אחוזים. האטמוספירה של כדור הארץ מעולם לא הכילה כמות רבה כזו של פחמן דו-חמצני במשך מאות אלפי שנים. בהתאם, מדידות הטמפרטורה הראו כי העולם התחמם במעלת צלזיוס אחת במהלך מאה וחמישים השנים האחרונות.

סוקורו מנאבה וקלאוס האסלמן תרמו את התועלת הגדולה ביותר עבור האנושות, ברוחו של אלפרד נובל, על ידי הספקת בסיס פיזיקלי מוצק באשר להבנה שלנו אודות האקלים של כדור הארץ. עכשיו אנחנו כבר לא יכולים לומר שלא ידענו – המודלים האקלימיים חד-משמעיים.

• האם כדור הארץ מתחמם? כן.       
• האם הסיבה היא הכמויות ההולכות וגדלות של גזי החממה באטמוספירה? כן.
• האם ניתן להסביר זאת רק על ידי הגורמים הטבעיים? לא.
• האם הפליטות מעשי ידי אדם הן הסיבה לעליית הטמפרטורה? כן.

עוד בנושא באתר הידען:

• משבר האקלים מגיע לפרס נובל לפיזיקה: שניים ממפתחי מודלי האקלים וחוקר מורכבות זכו בנובל 2021
• מחקר: הלחץ הבינלאומי על ישראל לצמצם פליטת גזי החממה – משפיע על שיח המדיניות המקומי