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* 슈쿠로 마나베 와 클라우스 하셀만, 기후 모델링 분야의 선구적인 작업
* 조르지오 파리시, 복잡하고 무질서한 물질의 물리적 과정을 해독한 공로

2021 노벨 물리학상 "기후 모델 및 스핀 글라스"
기후 연구와 복합 재료 모델링으로 수상

2021년 노벨 물리학상은 복잡한 시스템에 관한 것이다.
미국 물리학자인 슈쿠로 마나베(Syukuro Manabe)와 독일 함부르크 막스 플랑크 기상 연구소(Max Planck Institute for Meteorology)의 클라우스 하셀만(Klaus Hasselmann)은 오늘날의 기후 연구가 불가능했을 기후 모델링 분야의 선구적인 작업으로 영예를 안았다. 상의 절반은 복잡하고 무질서한 물질의 물리적 과정을 해독한 이탈리아 물리학자 조르지오 파리시(Giorgio Parisi)에게 돌아갔다.

▲ 오늘날 기후 모델은 필수 불가결하다. 기후 모델링의 기초를 다진 두 명의 물리학자가 현재 영예를 받고 있다. © janiecbros / 게티 이미지

수치적 모델링은 복잡한 시스템을 재생산하고 설명할 수 있어 오늘날 기후 연구 및 기타 많은 전문 분야에서 필수 불가결하다. 작은 입자의 집합체에서 지구 시스템의 행성 전체에 걸친 상호 작용에 이르기까지 이러한 시스템은 혼란스럽고 많은 비선형적인 과정을 특징으로 하지만 그럼에도 불구하고 일정한 규칙성과 경향을 따른다.

마나베(Manabe): 최초의 지구 기후 모델

올해의 수상자 중 두 명은 기후와 기후에 영향을 미치는 요인을 모델에 포착하는 방법에서 결정적인 진전을 이루었다. 일본 출신인 Syukuro Manabe는 1960년대에 미국 프린스턴 대학으로 옮겨 대기 가스와 태양 복사 사이의 복잡한 상호작용을 더 자세히 연구했다.

▲ Syukuro Manabe의 첫 번째, 여전히 1차원적인 기후 모델. © nobelprize.org

이를 위해 그는 40km 높이의 대기 기둥, 대기의 가스 및 방사선과의 상호작용만 보는 모델로 시작했다.

이 모델의 도움으로 Manabe는 개별 가스, 대류 또는 공기습도와 온도가 복사 균형과 온도에 어떻게 기여하는지를 처음으로 재현하는 데 성공했다. 그는 처음으로 기후 민감도(온도가 CO2 수준 증가에 반응하는 정도)도 결정했다. 1975년까지 Manabe는 이 모델을 최초의 지구 기후 모델인 3차원 일반 순환 모델(GCM)로 개발했다.

하셀만(Hasselmann): 혼돈에서 기후 경향까지

약 10년 후, 함부르크의 막스 플랑크 기상 연구소(Max Planck Institute for Meteorology)의 클라우스 하셀만(Klaus Hasselmann)은 기후 모델링의 또 다른 중요한 문제인 날씨와 기후 사이의 관계를 다루었다. 매우 다른 시간 규모로 변동하는 혼란스러운 기상 조건으로 인해 장기적인 기후 경향과 이러한 경향에 영향을 미칠 수 있는 요인을 식별하기 어렵다.

Hasselmann은 모델에 "배경 잡음"을 포함하는 방법을 개발했다.
이를 통해 모든 기상 현상이 기후를 형성하는 방식을 재구성할 수 있었다. 이러한 발견을 바탕으로 과학자는 기후 시스템에 대한 개별 요인의 "지문"을 식별하는 방법도 찾았다. 이러한 추가 개발을 통해서만 기후 사건에서 인위적인 비율을 정량화하는 것이 가능하다.

노벨재단은 "알프레드 노벨의 정신으로 마나베 슈쿠로와 클라우스 핫셀만은 지구 기후에 대한 우리의 지식을 확고한 물리적 기반으로 제공함으로써 인류의 선익에 기여했다"고 밝혔다.

Parisi(파리시): 스핀 유리와 좌절된 원자

올해 노벨 물리학상 절반은 훨씬 더 작은 규모의 똑같이 복잡한 시스템을 연구한 이탈리아 연구원 조르지오 파리시(Giorgio Parisi)에게 돌아갔다. 복잡한 재료에 대한 연구에서 물리학자는 주로 소위 스핀 유리에 초점을 맞췄다. 예를 들어 이것은 일부 철 원자가 구리 원자의 격자에 흩어져 있는 금속 합금이다.

▲ 스핀 글라스에서는 철과 같은 외부 원자가 "불안정한 스핀"을 유발한다. © nobelprize.org

이상하게도 이러한 소수의 외부 원자조차도 금속이 자기 특성을 근본적으로 변화시키는 것을 보장한다.

이것은 개별 입자의 고유한 각운동량인 원자 스핀의 "절망된" 상호작용 때문이다.
외부 원자의 존재로 인해 금속 원자의 스핀은 모순되는 영향 요인이 작용하기 때문에 더 순서대로 정렬될 수 없다. Parisi는 이러한 상호작용의 이면에 있는 물리학을 수학적으로 처음으로 설명해 스핀 유리 및 기타 여러 복잡하고 무질서한 시스템에 대한 설명의 토대를 마련했다.

따라서 그의 발견은 물리학 및 재료 연구뿐만 아니라 수학, 생물학, 신경과학 및 컴퓨터 기술에도 중요하다고 노벨상 위원회가 설명했다. 위원회는 “그의 발견은 복잡한 시스템 이론에 가장 중요한 기여를 한 것”이라고 말했다.
출처: Nobelprize.org

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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