2021年的诺贝尔物理学奖:解释大气二氧化碳浓度如何导致地球表面温度升高

2021-10-06 08:22 绿创碳和
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今年的诺贝尔物理学奖告诉我们:地球正在变暖吗?是的。地球变暖是大气中温室气体含量增加导致的吗?是的。这一切能仅仅用自然因素来解释吗?不能。人类活动所排放的气体是气温升高的原因吗?是的!


因为诺贝尔物理学奖获得者们的理论建立了复杂物理系统!可以对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖!


2021 年诺贝尔物理学奖授予真锅淑郎,克劳斯·哈塞尔曼和乔治·帕里西,获奖理由:对我们对复杂物理系统的理解做出了突破性贡献。



真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼共同获得了一半的诺贝尔物理学奖,获奖理由:建立了地球气候的物理模型,能够量化变化情况、以及可靠预测全球变暖。


诺贝尔物理学奖另一半授予给了乔治·帕里西,获奖理由:发现从原子级到行星级尺度物理系统的无序性与波动之间的相互作用。


复杂系统也可能是混沌(chaotic)的,比如天气,初始数值的微小偏差会导致后期的巨大差异。今年的获奖者为我们获得有关此类系统及其长期发展的更多知识做出了贡献。


所有复杂系统都由许多相互作用的不同部分组成。几个世纪以来,物理学家一直在研究它们,而它们很难用数学方法来描述——系统中可能有数目众多的组件,也可能受偶然因素的支配。


复杂系统也可能是混沌(chaotic)的,比如天气,初始数值的微小偏差会导致后期的巨大差异。今年的获奖者为我们获得有关此类系统及其长期发展的更多知识做出了贡献。



地球气候是复杂系统的众多例子之一。真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼因为在开发气候模型方面的开创性工作而获得诺贝尔奖。帕里西则因为对复杂系统理论中的大量问题提出了理论解决方案而获奖。



诺贝尔物理学委员会主席 Thors Hans Hansson 说:“今年获奖的这几项发现表明,我们关于气候的知识基于坚实的科学基础,以及对观测结果的严格分析。今年的获奖者都为我们深入了解复杂物理系统的特性和演变做出了贡献。”



真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼真主导的工作着重在发展大气物理模型为我们了解地球气候以及人类对气候的影响奠定了基础。乔治·帕里西对无序物质和随机过程理论的做出了突破性贡献。


地球气候是一个对人类至关重要的复杂系统。真锅淑郎展示了大气中二氧化碳含量增加如何导致地球表面温度升高的过程。


他还开发了识别自然现象和人类活动在气候中留下特定印记信号,即“指纹”的方法。利用这些方法,众多研究者已经证明了大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳。


上世纪50年代,一些年轻有为的科学家离开了被战争破坏的东京,飘洋过海到美国继续他们的学术生涯,大气物理学家真锅淑郎便是其中之一。


与在七十年前的阿伦尼乌斯一样,真锅的研究目标之一便是理解二氧化碳浓度的提升如何导致温度的上升。



然而,当阿伦尼乌斯将重点聚焦于辐射平衡时,在上世纪60年代,真锅淑郎主导的工作着重在发展大气物理模型,模型包括对流导致的气团垂直输运,以及水蒸汽的潜热。


为了使这些计算可处理,他选择将上述模型化简至一维——一个深入大气层40km的垂直列。即便如此,通过改变大气中气体含量进行的模型测试仍然花费数百小时的宝贵的计算时间。氧气与氮气对表面温度的影响忽略不计,二氧化碳则影响显著:当二氧化碳浓度加倍,全球温度将上升至少2℃。



该模型验证了这种温度提升与二氧化碳的浓度提升的因果关系——模型预测,近地测温度升高,而上层大气则将变冷。若太阳辐射是升温的诱因,则与之不同,整个大气层应该被同时加热。


在六十年前,电脑的计算速度仅为现在的几十万分之一,因此该模型相对较为简单,但真锅淑郎正确地掌握了问题的关键。他说“化简是必然的”。


自然的复杂性无从抗争——每滴落下的雨中都包含了太多的物理问题,计算出所有东西是不可能的。对一维模型的理解促使了三维气候模型的产生,该项工作真锅淑郎发表于1975年;在这一年,揭开气候秘密的道路上出现了另一个里程碑。


20 世纪 60 年代,他领导开发了地球气候的物理模型,成为**个探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的人。他的工作为当前气候模型的发展奠定了基础。



真锅淑郎展示了大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地球表面温度升高。


大约十年后,克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型,回答了在天气多变和混乱的背景下,这些气候模型依然可靠的原因。


克劳斯·哈塞尔曼通过找到一种方法来战胜快速而混乱的天气变化(这些变化对计算而言极其麻烦),成功地将天气和气候联系在一起。


我们地球的天气发生巨大变化,是因为太阳辐射在地理上和时间上的分布十分地不均匀。地球是圆的,所以到达高纬度地区的太阳光比到达赤道附近低纬度地区的太阳光要少。不仅如此,地球的地轴也是倾斜的,从而在入射辐射中产生季节性差异。暖空气和冷空气之间的密度差异导致了不同纬度之间、海洋和陆地之间、高低气团之间的巨大热量传输,从而形成了我们地球上的天气。



众所周知,对未来十天以上的天气做出可靠的预测是一大挑战。二百年前,法国**科学家皮埃尔-西蒙·德·拉普拉斯曾说,如果我们知道宇宙中所有粒子的位置和速度,就应该可以计算出在我们世界中发生了什么和将要发生的事情。原则上,应该是这样;牛顿三个世纪以来的运动定律(也描述了大气中的空气传输)是完全确定的——不受偶然的支配。



然而,就天气而言,就完全是另一回事了。部分原因在于,在实践中,我们不可能做到足够精确——说明大气中每个点的气温、压力、湿度或风况。此外,方程是非线性的;初始值的微小偏差可以让天气系统以完全不同的方式演变。基于蝴蝶在巴西扇动翅膀是否会在德克萨斯州引起龙卷风这个问题,这种现象被命名为蝴蝶效应。在实践中,这意味着不可能给出长期的天气预报,也就是说天气十分混乱;这是在上世纪六十年代由美国气象学家Edward Lorenz发现的,他为今天的混沌理论奠定了基础。



尽管天气是一个典型的混乱系统,但我们如何才能建立能够预测未来数十年、甚至数百年的可靠气候模型呢?1980年前后,克劳斯·哈塞尔曼提出了如何将不断变化的混沌天气现象描述为快速变化的噪音,从而为进行长期气候预测奠定了坚实的科学基础。此外,他还提出了一些确定人类对全球温度造成的影响的方法。


上世纪50年代,克劳斯·哈塞尔曼在德国汉堡攻读物理学博士,专攻流体力学,随后开始建立海浪和洋流的观测与理论模型。后来他迁居至美国加州,继续开展海洋学研究,并且认识了查尔斯·大卫·基林等同事。基林从1958年开始在夏威夷的莫纳罗亚天文台持续测量大气中的二氧化碳含量。克劳斯·哈塞尔曼当时还不知道,自己在日后的工作中会频繁用到体现二氧化碳水平变化的“基林曲线”。



从充满噪声的天气数据中建立气候模型就像遛狗一样:狗有时会挣脱牵引绳,有时会跑在你前面、或者跑在你后面,有时会与你并肩前行,有时则会绕着你的腿跑。你能从狗的运动轨迹中看出你是在走路还是站立不动吗?或者能看出你是在快步行走还是小步慢走吗?狗的运动轨迹就像天气变化,你的行进轨迹就像通过计算得出的气候。我们能否用这些混乱的、充满噪声的天气数据,总结出气候的长期趋势呢?


还有一大难点在于,影响气候的波动情况极易发生变化,这些变化可能很快,比如风的强度或空气温度;也可能很慢,比如冰盖融化和海洋温度升高。例如,海洋整体温度需一千年才能上升一度,但大气只需几周即可。关键在于,要将快速的天气变化作为噪声整合进对气候的计算中,并体现出这些噪声对气候的影响。



克劳斯·哈塞尔曼创造了一套随机气候模型,将这些变化的可能性都整合进了模型中。其灵感来自爱因斯坦的布朗运动理论。他利用该理论说明,大气的快速变化其实可以导致海洋的缓慢变化。


在完成气候变化模型之后,克劳斯·哈塞尔曼又开发了识别人类对气候系统影响的方法。他发现,这些模型,连同观测结果和理论结果,都包含了关于噪声和信号特性的充分信息。


例如,太阳辐射、火山颗粒或温室气体水平的变化都会留下独特的信号,即“指纹”,而且这些信号可以被分离出来。这种识别指纹的方法也可以应用于人类对气候系统的影响。克劳斯·哈塞尔曼因此为进一步的气候变化研究铺平了道路。通过大量的独立观测,这些研究展示了人类对气候影响的大量痕迹。


随着气候系统中复杂相互作用的过程被更彻底地绘制出来,尤其是有了卫星测量和天气观测的帮助,气候模型变得越来越完善。这些模型清楚地显示出温室效应正在加速:自19世纪中期以来,大气中的二氧化碳含量增加了40%。地球的大气已经有几十万年没有如此多的二氧化碳了。相应地,温度测量显示,在过去150年里,地球温度上升了1摄氏度。



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