1. 首頁 > 生活雜燴 > 健康養生 > >

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( 四 )


從嘈雜的天氣數據中獲取氣候模型可以比作遛狗：狗前后左右跑動，還繞著你的腿跑 。你要如何用狗的蹤跡來判斷你是該走路還是站著不動、該快走還是慢走？狗的運動軌跡就好比天氣的變化，而你的行走是計算出的氣候預測 。使用混亂而嘈雜的天氣數據預測長期氣候趨勢，這有可能實現嗎？
另一個困難是，影響氣候的波動隨時間變化極大 。這種變化可能很快，例如風的強度或氣溫，也可能非常緩慢，例如冰蓋融化和海洋變暖 。例如，使海洋均勻升溫一度可能需要一千年，但對大氣來說只需幾周 。決定性的技巧是將天氣的快速變化作為噪聲納入計算，并證明這種噪聲如何影響氣候 。
哈塞爾曼創建了一個隨機氣候模型，這意味著模型中已經考慮了幾率 。他的靈感來自阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的布朗運動理論，也稱為隨機游走（random walk） 。借助這個理論，哈塞爾曼證明快速變化的大氣實際上會導致海洋緩慢變化 。
分辨人類影響的痕跡
完成氣候變化模型后，哈塞爾曼還開發了確定人類對氣候系統影響的方法 。他發現模型、觀測結果和理論分析，包含了足夠的有關噪聲和信號特性的信息 。例如，太陽輻射、火山顆?；驕厥覛怏w水平的變化留下的獨特信號——或者說指紋，可以被分離出來 。這種指紋識別式的方法也可以應用于評估人類對氣候系統的影響 。借此，哈塞爾曼為進一步研究氣候變化掃清了道路，后續研究使用了大量獨立觀測，證明了人類對氣候影響的痕跡 。
隨著氣候復雜相互作用中包含的過程得到更加徹底的描述，尤其是通過衛星測量和天氣觀測，氣候模型變得越來越完善 。模型清楚地顯示了加速的溫室效應：自 19 世紀中葉以來，大氣中的二氧化碳含量增加了 40% 。過去數十萬年間，地球的大氣層從未有過如此多的二氧化碳 。相應地，溫度測量表明在過去的 150 年中，全球溫度升高了 1°C 。
秉承阿爾弗雷德·諾貝爾（Alfred Nobel）的精神，真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼為我們理解地球氣候提供了堅實的物理基礎，為人類最大的利益作出了貢獻 。我們不能再說“我們不知道”，因為氣候模型的結論相當明確：
-地球在升溫嗎？
-是的 。
-是因為大氣中溫室氣體含量的增加嗎？
-是的 。
-這可以僅用自然因素來解釋嗎？
-不能 。
-人類的排放是溫度升高的原因嗎？
-是的 。
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
文章圖片

識別氣候中的指紋：克勞斯·哈塞爾曼開發了區分大氣升溫的自然原因和人為原因（指紋）的方法 。圖為與 1901-1950 年間平均溫度（單位：°C）相比，氣溫變化的觀測值（黑色）、只受自然原因影響的預測值（藍色）、和在自然原因與人為原因共同影響下的預測值（紅色） 。（圖片來源: Hegerl and Zweirs (2011) Use of models in detection & attribution of climate change, WIREs Climate Change）
無序系統的研究方法
隨機現象顯然是由背后隱藏的規律支配的——1980 年前后，喬治·帕里西報告了他的發現 。他的研究貢獻如今被認為是復雜系統理論最重要的成果之一 。
復雜系統的現代研究植根于 19 世紀后半葉麥克斯韋（James C. Maxwell）、玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）和吉布斯（J. Willard Gibbs）所發展的統計力學，他們在 1884 年命名了這一領域 。統計力學的發展源自于一種認識：若要描述由大量粒子構成的系統（如氣體或液體），我們需要一種新的方法 。這種方法必須考慮粒子的隨機運動，因此基本的思想是計算粒子的平均效應，而非單獨研究每個粒子 。例如在氣體中，溫度可以描述氣體粒子能量的平均值 。由于為氣體和液體的宏觀性質（如溫度和壓強）提供了微觀解釋，統計力學獲得了巨大的成功 。