| | News

Le prix Nobel de physique met la modélisation du climat à l'honneur

Montage des portraits des trois lauréats: Syukuro Manabe à gauche, Klaus Hasselman au milieu et Giorgio Parisi à droite | AP TT NEWS AGENCY JOHAN NILSSON/KEYSTONE/EPA/JONAS WALZBERG/KEYSTONE /AP/ALESSANDRA TARANTINO

Nous vous offrons cet article en accès libre, mais l'information a un prix. Si vous le pouvez, n'hésitez pas à nous soutenir en vous abonnant.

Le comité Nobel a révélé les trois lauréats de l’édition 2021 du prix Nobel de physique. Il a été décerné, pour moitié, aux deux chercheurs Syukuro Manabe (Japon/Etats-Unis) et Klaus Hasselmann (Allemagne) d’une part, et au chercheur italien Giorgio Parisi (Italie). Syukuro Manabe et Klaus Hasselmann sont connus pour le caractère pionnier de leurs contributions sur la modélisation du climat, qui ont joué un rôle déterminant dans la compréhension des bases physiques du changement climatique. Quant à Giorgio Parisi, il a été récompensé pour ses contributions plus fondamentales dans la compréhension des matériaux désordonnés et des processus aléatoires. Les sciences de la complexité mises à l’honneur, en somme.

Pourquoi c’est intéressant. Tout le monde s’attendait, à l’occasion du prix Nobel de médecine et physiologie hier, à ce que les inventeurs des vaccins à ARN messager soient récompensés. Cela n’a pas été le cas. Pour le prix Nobel de physique, en revanche, le comité Nobel semble avoir adopté une perspective davantage politique, sur fond d’urgence climatique, de rapports alarmants du Giec, et de négociations climatiques en novembre à la COP26 de Glasgow.

Rappeler l’ancrage du climat dans la physique. En 2007, Al Gore et les experts du GIEC avaient remporté le Nobel de la Paix. Que le comité Nobel décerne cette année la récompense en physique est un signal fort. Est-ce un hasard si la prestigieuse récompense de l’Académie royale des sciences de Suède plébiscite les sciences climatiques en 2021, l’année où a été dévoilée la partie du sixième rapport du Giec consacrée aux bases physiques du changement climatique? Pourquoi maintenant?

Questionné sur ce point en conférence de presse, Thors Hans Hansson, président du comité Nobel de physique, détaille:

«Les découvertes récompensées cette année montrent que nos connaissances sur le climat reposent sur une base scientifique solide, fondée sur une analyse rigoureuse des observations. Les lauréats de cette année ont tous contribué à nous faire mieux comprendre les propriétés et l'évolution des systèmes physiques complexes.»

Le lauréat italien Giorgio Parisi, en ligne par téléphone avec le comité Nobel lors de l’annonce des résultats, a réagi sur l’urgence climatique et la COP26 prévue à Glasgow:

«Il est clair que pour les générations futures, nous devons désormais agir pour le climat à un rythme très rapide. Il existe des boucles de rétro-action dans le système climatique qui risquent d’aggraver encore l’augmentation des températures. Nous devons agir dès à présent.»

A Genève, l'Organisation Météorologique mondiale (OMM) a salué la décision, par la voix de son secrétaire général Petteri Taalas: «Cela démontre à nouveau que la science climatique est fortement valorisée et doit être fortement valorisée.»

L’apport des modélisateurs du climat. Syukuro Manabe et Klaus Hasselmann ont reçu, à eux deux, 50% du prix total de dix millions de couronnes suédoise (plus d’un million de francs) — soit 25% chacun — pour leurs travaux «contributifs à la compréhension de systèmes physiques complexes», notamment les systèmes climatiques.

  • Syukuro Manabe, qui a la double nationalité japonaise et américaine, est professeur émérite à l’Université de Princeton (Etats-Unis). Ses contributions ont été déterminantes pour rattacher l’augmentation des niveaux de CO2 dans l’atmosphère à l’augmentation des températures globales. Il a été le premier, dans les années 1960, à considérer le système atmosphérique comme un ensemble de «tranches» verticales, où les masses d’air se déplaçaient et échangent de la chaleur, une vision qui a irrigué jusqu’aux modèles climatiques actuels.

popular-physics2021-figure2.jpg
Explications sur le modèle climatique développé par Syukuro Manabe | Comité Nobel

  • Le professeur Klaus Hasselmann, ancien directeur de l’Institut Max Planck de météorologie à Hambourg, est connu pour ses contributions en climatologie et océanographie. Environ dix ans après Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann s’est intéressé aux liens entre météorologie et climat, et à la nature chaotique de la météo. Ses travaux ont aidé à distinguer la variabilité naturelle du climat — la météorologie — et la part de l’humain. Les méthodes qu’il a développées ont permis de prouver que l'augmentation de la température est bien due aux émissions humaines de gaz à effet de serre.

popular-physics2021-figure4.jpg
Hegerl and Zweirs (2011) WIREs Climate Change.

Sonia Seneviratne, professeure à l'ETH Zurich et autrice du chapitre du dernier rapport du Giec consacré aux extrêmes météorologiques et climatiques, commente:

«Syukuro (Suki) Manabe et Klaus Hasselmann sont tous les deux des pionniers de la recherche climatique. Ce prix est entièrement justifié et ils auraient mérité de le recevoir déjà depuis des années.

Suki Manabe a développé l'un des tout premiers modèles climatiques et dirigé les toutes premières études montrant l'effet du réchauffement climatique sur changements régionaux de climat.

Klaus Hasselmann a en particulier été un des pionniers dans le développement de la science de l'attribution du changement climatique, qui permet de relier des changements climatiques observés à l'interférence humaine sur le climat.»

Le versant théorique des sciences de la complexité. Les travaux de Giorgio Parisi, professeur à l’Université de La Sapienza à Rome, ont une portée plus théorique, mais se sont avérés décisifs pour la compréhension des systèmes complexes. Il remporte les 50% restant du prix Nobel de physique, «pour la découverte des interactions entre désordre et fluctuations dans les systèmes physiques, de l'échelle atomique à planétaire».

Accrochez-vous, c’est un peu technique, mais cela vaut la peine d’y plonger. Concrètement, Giorgio Parisi est avant tout connu pour ses travaux sur les «verres de spin», des alliages métalliques comportant des impuretés magnétiques disposées au hasard. Cela en fait un excellent modèle pour l’étude des systèmes complexes: chaque impureté se comporte comme un aimant.

Leticia Cugliandolo, professeure à Sorbonne Université (Paris) au Laboratoire de physique théorique et hautes énergies, a réalisé un post-doctorat à Rome avec le Pr Giorgio Parisi. Elle détaille le fonctionnement de ces «verres de spin».

«Chaque spin — ou flèche — est en interaction avec les autres. Dans un aimant, celles-ci pointent spontanément dans la même direction, mais pas dans un verre de spin, où il y a une mise en compétition. D’un point de vue mathématique, on peut introduire un concept, appelé frustration, qui permet de quantifier cette compétition au sein du système. Les travaux de Giorgio Parisi (à la fin des années 70, ndlr.) permettent de décrire quantitativement ce comportement qu’on ne peut pas voir à l’œil nu.»

frust2.png
Comité Nobel

De ce fait, les verres de spin représentent un outil intéressant pour modéliser les systèmes complexes, poursuit la chercheuse.

«Ce sont des modèles très utiles pour les problèmes, dits d’optimisation, difficiles à résoudre par les méthodes computationnelles (de calcul par ordinateur, ndlr.) classiques. On peut par exemple songer à l’optimisation d’une table qui comporterait des ennemis jurés: comment fait-on pour minimiser la tension en plaçant les gens? Cela a des applications concrètes dans toutes sortes de domaines.»

Le point commun entre les lauréats. Pour Leticia Cugliandolo, c’est la complexité, davantage que le climat, qui représente le trait d’union entre la récompense attribuée à Klaus Hasselmann et Syukuro Manabe d’une part, et celle attribuée à Giorgio Parisi d’autre part. «Nous avons l’impression que c’est la façon qu’a trouvé le comité Nobel de récompenser Giorgio Parisi pour ses travaux, sourit la chercheuse. Les sciences de la complexité représentent le véritable point commun entre les trois lauréats.»

«Les sujets environnementaux et climatiques sont très importants aujourd’hui», poursuit-elle, saluant le fait que la deuxième partie du Nobel soit allée à deux spécialistes de la modélisation du climat.

Cigarettes, mathématiques et étourneaux. Les travaux du Pr Giorgio Parisi ont aussi connu un fort écho dans le domaine des mathématiques. Martin Hairer, professeur en mathématiques à l’Imperial College de Londres, lauréat de la médaille Fields en 2014, et ancien étudiant de l’Université de Genève, s’appuie dans ses travaux sur une équation conçue par Giorgio Parisi. Il évoque ainsi un autre aspect de ses travaux, qui n’est toutefois pas celui directement récompensé par le comité Nobel:

«Giorgio Parisi est notamment à l’origine, aux côtés de Mehran Kardar et de Yi-Cheng Zhang, de l’équation connue sous le nom d’équation KPZ. Cette équation permet de modéliser les petites fluctuations le long d’une frontière entre deux régions n’ayant pas le même niveau de stabilité. Par exemple, pour une cigarette qui brûlerait, les irrégularités le long du ‘front de flamme’.»

«Ce qui intéresse particulièrement les physiciens depuis les années 80, c’est de comprendre comment ces fluctuations évoluent en fonction du temps, précise-t-il. Et ce qu’implique l’équation KPZ, c’est que cette évolution croît en fonction du temps, à la puissance 1/3.»

Giorgio Parisi s’est par la suite intéressé à d’autres phénomènes où intervient le hasard: pourquoi les périodes glaciaires se répètent-t-elles dans le temps, existe-t-il une description mathématique plus générale du chaos, ou encore, comment expliquer la formation de fascinants motifs dans les vols groupés d’étourneaux? Leticia Cugliandolo conclut, sur une note qui mêle physique, mathématiques et poésie:

«A la gare centrale de Rome, Giorgio Parisi a mis en place un système de caméras pour saisir des photos des groupes d’étourneaux sous plusieurs angles. L’un des enjeux était de déterminer si les groupes d’oiseaux formaient des structures en deux ou trois dimensions, et de les mettre en équations.»

Studland_Starlings_(209948269).jpeg
Vol d'étourneaux (image d'illustration) | Tanya Hart/Creative Commons

Tableau de bord climat

Un suivi interactif des grands indicateurs du dérèglement climatique et de ses solutions.