科学|直击全球变暖:详解奖给复杂随机系统研究的2021物理诺奖( 四 )



科学|直击全球变暖:详解奖给复杂随机系统研究的2021物理诺奖

科学|直击全球变暖:详解奖给复杂随机系统研究的2021物理诺奖
相对湿度给定分布下的大气热平衡 ,来源:Journal of the atmospheric sciences, Vol. 24, Nr 3, May.
该模型证实 , 这种升温确实是由于二氧化碳的增加造成 , 因为它预测了靠近地面的温度上升 , 而上层大气变冷 。 如果太阳辐射的变化是温度升高的原因 , 那么整个大气应该在同一时间被加热 。
60年前 , 计算机的速度比现在慢几十万倍 , 所以这个模型相对简单 , 但真锅淑郎正确地掌握了关键特征 。 他说 , 你必须总是简化 。 你无法与自然界的复杂性竞争——每一滴雨都涉及到如此多的物理 , 因此不可能完全计算出一切 。 一维模型的见解导致了一个三维气候模型 , 真锅淑郎在1975年发表了这个模型 , 这是了解气候秘密道路上的又一个里程碑 。
天气是混沌的
在真锅淑郎的结果大约十年后 , Klaus Hasselmann成功地将天气和气候联系在一起 , 他找到了一种方法解决了快速而混乱的天气变化 , 对计算来说 , 这些变化非常麻烦 。 由于太阳辐射在地理和时间上的分布极不均匀 , 我们星球的天气有着巨大的变化 。 地球是圆的 , 所以到达高纬度地区的太阳光线比到达赤道附近低纬度地区的光线要少 。 不仅如此 , 地球的地轴是倾斜的 , 从而产生了传入辐射的季节性差异 。 暖气团和冷气团之间的密度差异导致了不同纬度之间、海洋和陆地之间、较高和较低气团之间巨大的热量传输 , 这驱动了我们星球上的天气 。
众所周知 , 对未来十天的天气做出可靠的预测是一项挑战 。 两百年前 , 著名法国科学家拉普拉斯曾说 , 如果我们知道宇宙中所有粒子的位置和速度 , 就有可能计算出我们的世界已经发生了什么和将要发生什么 。 原则上 , 这应该是正确的 , 牛顿三百年来的运动定律 , 也能描述大气中的空气运输 , 是完全确定性的——它们不是由偶然决定的 。
然而 , 谈到天气 , 没有什么比这更糟糕的了 。 这在一定程度上是因为在实际运算中 , 不可能做到足够精确——即对大气中每一点的空气温度、压力、湿度或风况进行表述 。 方程是非线性的 , 初值的微小偏差可以使天气系统以完全不同的方式演化 。 在巴西一只拍打着翅膀的蝴蝶 , 是否能在德克萨斯州引起龙卷风———这一现象被命名为蝴蝶效应 。 在实践中 , 这意味着不可能产生长期的天气预报——天气是混沌的;这一发现是由美国气象学家爱德华·洛伦兹(Edward Lorenz)在20世纪60年代提出的 , 他奠定了今天的混沌理论的基础 。

推荐阅读