新华社北京10月5日电（采访人员彭茜）物理学世界存在着很多“复杂系统” ， 大到多变的天气 ， 小到金属中的原子运动……它们混乱随机 ， 令人难以揣摩 。 而2021年诺贝尔物理学奖就授予了三名科学家 ， 以表彰他们对“理解复杂物理系统做出的开创性贡献” 。
【模型|科普：他们揭示了“复杂物理系统”背后的奥秘——2021年诺贝尔物理学奖成果解读】对人类至关重要的一个复杂系统正是我们的地球气候 。 日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼的工作为人类对气候的认知打下了坚实的科学基础 。
如今 ， 二氧化碳等温室气体是导致地球大气升温的“罪魁祸首”这一认知已经为大众所熟知 ， 但正是真锅淑郎论证了大气中二氧化碳浓度增加如何导致地球表面温度的升高 。 20世纪60年代 ， 他领导了地球气候物理模型的开发 ， 是第一个探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的人 ， 他的工作为建立气候模型奠定了基础 。
当代气候模型是基于物理法则 ， 并从天气预测模型演变而来 。 天气由温度、降水、风或云等气象指标描述 ， 并受海洋和陆地事件影响 ， 气候模型是基于天气计算的统计属性 ， 如平均值、标准偏差、最高和最低测量值等 。 比如 ， 气候模型无法明确告诉我们明年12月北京的天气情况 ， 却能告诉我们那个月北京的平均气温和降雨量 。
气候模型不仅有助于理解气候 ， 也有助于理解人类造成的全球变暖 。 为了解二氧化碳水平增加如何导致气温升高 ， 真锅淑郎把空气团因对流而产生的垂直输送以及水蒸气的潜热纳入其中 。 为方便计算 ， 他构建了一个一维模型 ， 深入到大气层中40公里 ， 并通过改变大气中气体的浓度来测试模型 。 他发现 ， 氧和氮对地表温度影响可忽略不计 ， 而二氧化碳的影响则很明显：当二氧化碳水平翻倍 ， 全球温度上升超过2摄氏度 。
天气是混乱多变系统的经典例子 ， 为何气候模型依然可靠呢？在真锅淑郎的研究约10年后 ， 克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候相关联的模型 ， 回答了这一问题 。
哈塞尔曼将混乱变化的天气现象作为快速变化的噪音纳入计算 ， 并证明这种噪音如何影响气候 ， 从而为长期气候预报奠定了坚实科学基础 。 受爱因斯坦有关布朗运动的理论启发 ， 他创建了一个随机气候模型 ， 证明了快速变化的大气实际上会导致海洋缓慢变化 。
哈塞尔曼还开发出可识别人类对气候系统影响的方法 。 他发现 ， 气候模型以及观测和理论考量 ， 均包含了有关噪音和信号特性的充分信息 。 例如 ， 太阳辐射、火山有关颗粒或温室气体水平的变化会留下独特的信号和印记 ， 可被分离出来 。 这种印记识别方法也可应用于研究人类对气候系统的影响 ， 为进一步研究气候变化扫清障碍 。
推荐阅读
- 历史|科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 空间|（科技）科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 词条|百度百科上线2500万词条，超750万用户参与共创科普知识内容
- 模型|2022前展望大模型的未来，周志华、唐杰、杨红霞这些大咖怎么看？
- 知识科普|直管内径、凸缘管内径密封快速接头 管内壁粗糙的管口格雷希尔GripSeal连接器
- 功能|小米12来了，这次他们不装了，想直接对标苹果。
- 博士团|“百人博士团”入驻好看视频打造“硬核科普” 让科普轻松有趣
- 模型|经逆向工程，Transformer「翻译」成数学框架 | 25位学者撰文
- 化纤|JXK STUDIO 虎年肥猫 1/6仿真动物模型手办可爱摆件
- 模型|达摩院2022十大科技趋势发布：人工智能将催生科研新范式