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地球|詳解2021諾貝爾物理學獎：他們破譯了地球氣候及其他復雜系統的隱秘規律( 三 )


地球|詳解2021諾貝爾物理學獎：他們破譯了地球氣候及其他復雜系統的隱秘規律
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地球|詳解2021諾貝爾物理學獎：他們破譯了地球氣候及其他復雜系統的隱秘規律
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圖1:真鍋的氣候模型 。圖2:二氧化碳水平的增加導致低層大氣溫度升高，而高層大氣溫度降低 。真鍋因此證實，氣溫的變化是由于二氧化碳含量增加；如果它是由太陽輻射增加引起的，那么應該表現為大氣層整體變暖 。（圖片來源：Source: Manabe and Wetherald (1967) Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity, Journal of the atmospheric sciences, Vol. 24, Nr 3, May）
該模型證實，這種升溫的確是由于二氧化碳的增加，因為它預測，當上層大氣變冷時，靠近地面的氣溫會升高 。如果是太陽輻射的變化導致了溫度的升高，那么整個大氣層應該同時被加熱 。
六十年前，計算機運算速度不過是現在的數十萬分之一，所以這個模型相對簡單，但真鍋得到的關鍵特征是正確的 ?！澳惚仨毑粩嗪喕彼f 。你無法與自然界的復雜度抗衡——每一滴雨滴都涉及諸多物理因素，將一切都計算出來是完全不可能的 。真鍋在 1975 年發表的成果中，用來自一維模型的見解引出了三維空間中的氣候模型；這是理解氣候奧秘道路上的又一座里程碑 。
天氣是混沌的
天氣中快速而混沌的變化對計算造成了不少困擾 。在真鍋之后大約十年，克勞斯·哈塞爾曼找到了一種戰勝天氣變化的方法，從而成功地將天氣和氣候聯系起來 。由于太陽輻射在地理上和時間上分布極不均勻，我們星球上的氣候有著巨大的差異 。地球是球形的，所以到達高緯度的太陽光線比赤道周圍低緯度的太陽光線要少 。不僅如此，地軸也是傾斜的，導致輸入地球的輻射產生了季節性差異 。冷暖空氣密度的差異導致不同緯度之間、海洋和陸地之間、高空和低空之間巨大的熱量輸運，從而驅動了地球的天氣 。
眾所周知，對未來十天以上的天氣做出可靠的預測是一項挑戰 。兩百年前，著名的法國科學家皮埃爾·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）指出，如果我們知道宇宙中所有粒子的位置和速度，就應該能夠計算出在我們的世界中發生了什么和將要發生什么 。原則上應該是這樣的；300 多歲的牛頓運動定律也能描述大氣層中的空氣輸運，但牛頓運動定律是確定性（deterministic）的，不受偶然性的支配 。
但就天氣而言，沒有什么比這更糟糕的了 。這部分是因為在實際操作中，足夠精確地說明大氣中每個點的氣溫、壓力、濕度或風況是不可能的 。此外，方程是非線性的，初始值的微小偏差可以使天氣系統向完全不同的方向演化 。蝴蝶在巴西扇動翅膀，可能在美國得克薩斯引起龍卷風，這種現象被命名為“蝴蝶效應”（the butterfy effect） 。這意味著長期的天氣預報不可能實現——天氣就是混沌 。20 世紀 60 年代，美國氣象學家愛德華·洛倫茲（Edward Lorenz）做出了這一發現，他奠定了當今混沌理論的基礎 。
理解嘈雜的數據
盡管天氣是混沌系統的典型案例，但我們如何才能開發能夠對未來幾十年甚至幾百年進行可靠預測的氣候模型？1980 年左右，克勞斯·哈塞爾曼展示了如何將無序變化的天氣現象描述為快速變化的噪音，從而為長期氣候預測奠定了堅實的科學基礎 。此外，他開發了一些方法，能夠確定人類對觀測到的全球溫度的影響 。
20 世紀 50 年代，哈塞爾曼還是德國漢堡的一名年輕的物理學博士生，從事流體動力學研究，隨后開始開發海浪和洋流的觀測和理論模型 。后來，他搬到美國加利福尼亞州繼續從事海洋學研究，遇到了查爾斯·大衛·基林（Charles David Keeling）等同事，哈塞爾曼夫婦與他們一起創辦了一個無伴奏合唱團（madrigal choir） 。基林的主要貢獻是 1958 年在夏威夷莫納羅亞天文臺（Mauna Loa Observatory）開創了迄今時間最長的大氣二氧化碳測量序列 。哈塞爾曼那時還不知道，在他后來的工作中，他會經常使用基林曲線（Keeling Curve），該曲線顯示二氧化碳濃度的變化 。