Bild: Getty images

Så lades grunden för dagens klimatforskning

Utan Syukuro Manabes och Klaus Hasselmanns modeller hade vi inte vetat lika mycket om klimatet. De delar på halva årets Nobelpris i fysik.

Ena året är semesterveckorna på sommaren svala och regniga, och nästa år varma och soliga. Medeltemperaturen för samma månad på en och samma plats kan variera med flera grader från år till år. Samtidigt har jordens medeltemperatur stigit med ungefär en grad på ett sekel. Hur kan forskarna skilja ut sådana små långsiktiga förändringar från bruset av alla kortvariga variationer? Och hur vet vi vilka faktorer som har stor eller liten inverkan?

Det finns många effekter att bena ut för att förstå jordens klimat. Syukuro Manabe och Klaus Hasselmann gjorde på var sitt sätt banbrytande arbeten som ligger till grund för mycket av dagens klimatforskning. De delar ena hälften av årets Nobelpris i fysik ”för fysikalisk modellering av jordens klimat, kvantitativ analys av variationer och tillförlitlig förutsägelse av global uppvärmning”.

Den allra enklaste klimatmodellen har en atmosfär som är enhetlig och stillastående och likadan överallt. En sådan enkel modell räcker långt för att börja förstå hur luften påverkar strålningsbalansen mellan solljuset som faller in mot jorden och värmestrålningen som går ut i rymden igen. Det var så den svenske forskaren Svante Arrhenius (1859–1927) kunde göra sina beräkningar av hur koldioxidhalten i luften påverkar temperaturen på jorden.

En så enkel modell ger ändå inte en rättvisande bild. Det finns många effekter som påverkar klimatet, som moln och vindar, vattnets kretslopp, och hur mycket snö och is det finns som reflekterar solljus effektivare än mörk mark. Om temperaturen ändras kommer också de här förutsättningarna att ändras och ge återkopplingar. För att handskas med sådana faktorer i detalj behövs datorbaserade modellberäkningar, som numera är helt centrala för klimatforskningen. Där räknas förändringar fram steg för steg från ett begynnelsetillstånd.

Syukuro ”Suki” Manabe, 90 år, Princeton university, USA. Han växte upp i Japan och under andra världskriget satt han i ett skyddsrum när han pluggade inför inträdesproven till gymnasiet.
Bild: Niklas Elmehed / Nobel Prize Outreach

Syukuro Manabes första klimatmodell

Den första modellen som Syukuro Manabe utvecklade var mycket enkel med dagens mått mätt, men den var först med att hantera en dynamisk atmosfär på ett mer realistiskt sätt. Varm luft stiger, kall luft sjunker. Luften som stiger för med sig fukt. Men när vatten kondenserar, alltså omvandlas från gas till vätska, kommer det att avge energi. Därför sjunker inte temperaturen lika snabbt med höjden som den skulle ha gjort om luften hade varit torr.

Vattnets rörelse i luften var Syukuro Manabe mycket bekant med, eftersom han hade arbetat länge med numeriska modeller för regn. Nu konstruerade han en klimatmodell som tog hänsyn till den här effekten, och lät luften röra sig upp och ned.

Syukuro Manabe gjorde sina första modeller i en tid då datorer var hundratusen gånger långsammare än i dag och hade mycket begränsat minnesutrymme, så tillgången till datorkraft var en stor begränsning. Dessutom var programmeringen betydligt svårare än i dag, och Syukuro Manabe har beskrivit hur han under en period höll på att få ett sammanbrott av stressen i det svåra buggletandet.

Den första modellen var i praktiken endimensionell eftersom den inte innehöll några vindar i sidled, men den var ändå kraftfull. Med den här typen av modell beräknade Syukuro Manabe och hans kollegor hur atmosfärens temperaturprofil ser ut, och hur temperaturen på olika höjder påverkas av olika halter av vattenånga, koldioxid och ozon. Den endimensionella modellen banade väg för allt mer avancerade versioner under de kommande åren. 1969 kunde han för första gången koppla ihop atmosfären med en havsmodell som tidigare hade utvecklats separat.

Klaus Hasselmann, 90 år, Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg, Tyskland. På 1960-talet arbetade han i Kalifornien, och grundade en kör ihop med David Keeling – känd för sin långa mätserie av koldioxidhalten i luften, Keelingkurvan.
Bild: Niklas Elmehed / Nobel Prize Outreach

Snabba händelser driver långsam förändring

Vid ungefär samma tid arbetade Klaus Hasselmann med havsvågor, och använde sig av idéer från teoretisk partikelfysik för att beskriva dem. Det här arbetet lärde honom att hantera svängningar. Detta tillämpade han för att lägga fram ett teoretiskt underlag för hur snabba slumpvariationer och långsammare förändringar kunde hanteras tillsammans, och hur de snabba händelserna kan driva långsam förändring. Det kan användas för en stokastisk klimatmodell, alltså en modell som innehåller slumpvariationer. Så kan vädret i form av de snabba variationerna i temperatur och vindar kopplas till en långsam klimatrespons i haven, istäckena och växtligheten.

Idéerna kring klimatmodeller ledde honom till att fundera över hur man bäst ska jämföra klimatmodeller med observationer, för att skilja de vanliga variationerna inom klimatsystemet från effekter av yttre drivkrafter som påverkar klimatet. Sådana drivkrafter skulle kunna vara förändringar i solens strålning, eller vulkanutbrott som slungar ut mycket partiklar i luften – eller mänskliga utsläpp av växthusgaser. Klaus Hasselmann utarbetade metoder för att identifiera de speciella fingeravtryck som olika sådana typer av påverkan har på klimatet. Det har varit mycket viktigt för att kunna urskilja effekten av mänsklig aktivitet på jordens klimat.

Både Syukuro Manabe och Klaus Hasselmann gick igenom tveksamheter och tvivel innan de kom in på de banor som ledde till deras Nobelprisbelönade arbeten. Syukuro Manabe hade först tänkt bli läkare, innan han insåg att han verkligen inte tyckte om biologi. När han bytte bana och studerade fysik valde han geofysiken, bland annat för att han inte ansåg sig tillräckligt smart för att konkurrera med alla smarta studenter som började intressera sig för teoretisk fysik vid samma tid – men också för att han tyckte att väder var fascinerande. Klaus Hasselmann å sin sida hade problem när han började studera på universitetet. Han var inte van vid att behöva arbeta hårt med sina studier, och hamnade efter, vilket fick honom att tvivla på om han verkligen hade tillräcklig begåvning för att studera.

Så funkar Manabes klimatmodell

Bild: Johan Jarnestad / Kungliga vetenskapsakademien

Syukuro Manabe var först med att utforska samspelet mellan strålningsbalansen och den vertikala transporten av luftmassor, där han även tog hänsyn till den värme som vattnets kretslopp bidrar med.

  1. Markens infraröda värmeutstrålning absorberas delvis i atmosfären så att både luften och marken blir uppvärmda, medan en del strålar ut mot rymden.
  2. Varm luft är lättare än kall, och därför stiger den uppåt. Den bär även med sig vattenånga som är en kraftfull växthusgas. Ju varmare luft, desto högre halt vattenånga. Högre upp, där atmosfären är kallare, bildas molndroppar och värmen som frigörs när vattenångan kondenserar höjer luftens temperatur.

Välkommen till

Hjärndagen

Välkommen till en spännande heldag med föreläsningar om den senaste hjärnforskningen. Fredag 11 november kl 9–16. Oscarsteatern, Stockholm.

Läs mer och boka!

Prenumerera på Forskning & Framsteg!

10 nummer om året och dagliga nyheter på webben med vetenskapligt grundad kunskap.

Beställ idag

Upptäck F&F:s arkiv!

Se alla utgåvor