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2021 노벨 물리학상 수상자: 기후변화를 연구한 조르죠 파리지, 클라우스 하셀만, 마나베 슈쿠로/Parisi, Hasselmann & Manabe won Nobel Prize in Physics

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Just Because..../Science·Math

2021. 10. 19.

 

 

 

 

2021년 노벨 물리학상 수상자로 미국 프린스턴 대학교 교수인 마나베 슈쿠로/Syukuro Manabe 박사와

독일 함부르크 소재 막스 플랑크 기후 연구소의 클라우스 하셀만 박사/Klaus Hasselmann,

그리고 이탈리아 로마에 소재한 사피엔자 대학교 교수인 조르지오 파리시/Giorgio Parisi 박사가 선정되었다고

10월 5일에 스웨덴 노벨 왕립 아카데미가 발표했다.

 

 

 

 

 

 

 

마나베 박사와 하셀만 박사는 지구의 기후의 모델, 기후의 변수의 정량화와

보다 정확하게 지구온난화를 예측할 수 있는 모델을 수립한 업적으로,

그리고 파리시 교수는 원자적인 차원부터 대우주를 망라한 거대한 시스템의 

혼돈과 무질서적인 변동과 상호작용을 발견한 업적으로 수상자로 선정되었다고 밝혔다.

 

 

 

 

 

 

스웨덴 왕립 노벨 아카데미 위원들이 노벨 물리학상 수상자를 발표하고 있다.

Photo: Jonathan Nackstrand

 

 

 

전 미국 부통령이었던 알 고어/Al Gore 씨를 포함해서 기후변동에 관한 연구와 활동을

활발하게 펼친 이들에게 이미 노벨상이 수여된 적이 있었지만,

로열 왕립 과학원 원장인 토르스 한스 한손/Thors Hans Hansson 씨는

지구 기후변화를 체계적이고 과학적으로 연구해 온

과학자들에게 이번에 최초로 노벨 물리학상을 수여하게 되었다고 밝혔다.

 

 

 

 

 

 

 

지구의 기후처럼 아주 복잡한 시스템은 자주 혼란/disorder으로 정의를 내린다.

올해 노벨 물리학상 수상자들은 이 복잡하고 카오스/chaos 적인 기후 시스템을

이해하기 쉽게 설명을 하는 동시에 장기적인 기후 변동을 예측할 수 있게 해 주었다.

 

 

 

 

 

 

 

마나베 박사/2018년 스웨덴에서...

Photo: Johan Nilsson

 

 

 

마나베 박사는 원로 기상학자이자 프리스턴 대학교 교수로 1931년 일본 신구에서 태어나서,

1957년 동경대학교에서 박사 학위를 받은 후, 미국의 기상청에서 일을 하기 시작했다.

 

1967년에 마나베 박사는 이산화탄소와 지구의 대기권의 온난화의 요인이라는 것을

그가 개발한 컴퓨터 모델로 입증했다.
이 컴퓨터 모델은 다른 과학자들이 더 정확하고 현실에 가까운 모델 시스템을

개발하는데 그 첫 테이프를 끊은 셈이다.

 

 

 

 

마나베 박사의 기후 모델은

태양으로부터 받은 태양열과 방사선/solar radiation과
공기의 대류로 공기의 수직적인 이동의 상호적인 관계를 설명해 주고 있다.

 

 

 

 

마나베 박사의 연구에 따르면 증가된 이산화탄소는

지구 표면과 가까운 대기권 온도는 높아지고(붉은 선)

반면, 지구 표면과 멀리 떨어진 높은 대기권에서는

오히려 기온이 떨어지는 것을 보여주고 있다.

 

 

 

마나베 박사가 후에 개발한 기후 컴퓨터 모델은 바다와 대기권의 상호작용은

기후에 어떤 영향을 끼치는지 현재의 상황을 파악할 수 있을 뿐 아니라

가까운 미래에 닥쳐 올 현상을 예측할 수 있었다.

한 예로 그린랜드의 빙하가 가속으로 녹아서

북 태평양 바다의 흐름의 변동을 가져온다는 것을 예측할 수 있게 되었다 라고 

펜실바니아 주립대학교의 마이클 맨 박사가 말했다.

아울러 그는 "마나베 박사는 인간에 의해서 기후가 변화하고

변화의 메카니즘에 대해서 주춧돌을 제대로 놓아준 인물이다."라고 덧붙였다.



 

 

 

 

 

 

독일 물리학자 클라우스 하셀만 박사/2010년 마드리드에서

photo: J J Guillen

 

 

하셀만 박사는 1931년 독일 함부르크에서 태어나서 

1957년 독일 거팅엔 대학교에서 박사학위를 얻었으며, 

곧 이어서 기상학 기관을 설립해서 1999년까지 리더로 활동했다.

그는 Global Climate Forum/글로벌 기후 포럼을 시작한 창립자이기도 하다.

 

마나베 박사의 획기적인 기후 모델이 개발된 지 10년 후에

하셀만 박사는 단기적인 기후를 설명할 수 있는 모델을 개발했다.

바다의 조류나 대기권의 상태 그리고 바람은 장기적인 기후의 변동을 가져다주는 변수라면,

강우량, 강설량, 온도 등 매일의 기상 상태에 단기적인 영향을 주는 시스템을 구축한 것이다.

 

 

 

 

 

하셀만 박사의 연구에 따르면, 화산 폭발 등 자연적인 현상만으로 생긴 기후 변동(파란선),

인간의 활동과 자연적인 현상을 복합적인 요인으로 생긴 기후 변동(붉은 선)

그리고 검은 선은 실제로 측정된 기온이다.

 

 

결국 그의 연구는 특정한 가뭄, 홍수, 폭염, 폭우, 폭설 등이 기후 변동에 어떤 영향을 주는가에

대한 분야를 개척하게 되었다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

로마에 소재한 자신의 아파트 발코니에서 2021 노벨 물리학상 수상을 전해 듣고 있는 파리시 박사

Photo: Alessandra Tarantino

 

 

한편 이탈리아의 파리시 박사는 물리적 시스템에서 혼란/disorder와 변동/fluctuations 이

서로 상호작용한다는 것을 발견했는데, 이로 인해서 

아주 작은 원자들 간의 상호작용부터 한 혹성의 전체 대기권의 상호작용까지 이해할 수 있게 되었다.

 

1948년 이탈리아 로마 태생인 파리시 박사는 이론 물리학자로 

1970년 로마의 사피엔자 대학교에서 박사학위를 얻었으며

1980년에 복잡하고 혼란스러운 소재에서 숨겨진 패턴을 발견하면서

파리시 효과/Parisi's Effect 를 수립했다.

 

 

 

 

같은 모양과 사이즈의 디스크들을 넣고 사방으로 압력을 가하게 되면,

그때마다 같은 방법과 압력으로 눌러도 매번 다른 패턴과 모습으로 남는다.

그렇다면 과연 무엇이 이런 결과를 낳을까?

파리시 박사는 위의 그림처럼 복잡하고 혼란스러운 패턴을 

수학적으로 설명할 수 있는 방법을 찾아냈다.

 

 

데이비드 일라네스 박사는 "파리지 박사의 연구는 아주 다양한 분야에 적용될 수 있다는 점이다.

대부분의 중요한 물리적인 현상은 기본적으로 혼란과 카오스로 형성되는데,

이렇게 완전히 랜덤/random 해 보이는 현상을 그의 연구로

집단적이고 총괄적인 현상을 예측하게 되었다.

아울러 기후처럼 수많은 요인들의 상호작용과 변동으로 결정된다는 것을

이해할 수 있는 훌륭한 도구이다."라고 그의 업적을 높이 샀다.

 

 

 

 

위의 그림은 철 원자(붉은 점)가 무작위/random으로

동 원자(푸른 점) 사이에 자리 잡으면서 만들어진 스핀 글라스/spin glass 합금 형성을 보여준다.

각 철 원자는 마치 자석처럼 회전(spin)하는데,

이 현상은 근처에 있는 다른 자석의 회전 방향에 영향을 끼치게 된다.

하지만 이 스핀 글라스 소재 형성과정에서 철 원자의 회전에 제재로 회전이 어려워진다.

 

 

 

파라시 박사는 이 스핀 글라스 형성과정을 이용해서

작게는 원자적인 것에서부터 크게는 우주에서 발생하는 무작위적이며

무질서적인 현상을 설명하는 이론을 개발했다.

 

하지만 파리시 박사 효과/Dr. Parisi's effect 가 날씨와 기후에 미치는 영향은 

전체적인 측면에서 보면 그리 크지 않다.

그의 대단한 파리시 효과는 수학, 생물학, 신경과학, 컴퓨터 공학 등 많은 분야에 널리 적용이 되기에

획기적인 업적을 남겼다. 

 

 

 

 

 

마나베 박사와 하셀만 박사는 미화 1천 백만 달러에 달하는 상금의 반을 나누어 가지고,

나머지 반은 파리시 박사에게 돌아갔다.