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气象科学研究获2021诺贝尔物理学奖

来源:科学网 | 日期:2021-10-12
   
       10月5日,诺贝尔物理学家奖揭晓,瑞典皇家科学院宣布今年的物理学奖授予德国物理学家克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)、美国气象学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)和意大利科学家乔治·帕利西 (Giorgio Parisi)三人,以表彰他们模拟全球变暖和理解复杂物理系统方面的开创性贡献,该研究可通过地球气候的物理建模、量化改变,可靠地预测全球变暖。
   ●诺贝尔物理学奖给了气象学家
自1901年物理学家伦琴因发现X射线首次获奖至今,诺贝尔物理学奖已经跨越了100多年的历史,可谓陪伴了现代物理学和整个现代科学的发展。在这100多年间,诺贝尔物理学奖得主们的研究领域宏观至宇宙探索(比如黑洞和引力波),微观至原子结构(比如重原子核分裂),从理论物理、粒子物理到凝聚态物理和天体物理,几乎无所不包。然而,气候科学研究获得诺贝尔物理学奖,这在历史上还是第一次。
诺贝尔奖并无气象奖,只有物理、化学、生理学或医学奖、和平奖、文学奖和经济学奖,气象学家或相关研究及成果只能通过其他领域拿到诺贝尔奖。
   ●预测地球未来的“水晶球”存在吗?
地球未来的气候到底将如何变化,几十年后会继续变暖还是迈入“冰河世纪”?暴雨、飓风等极端天气气候事件会变得更加频发吗?
真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的研究就在试图制造一个“水晶球”,帮助人类预知这些问题的答案。而这些答案很可能关乎人类未来的生死存亡,避免像灾难片电影《2012》中那样可怕场景的发生。
真锅淑郎是气候模拟的开拓者之一,被称为“温室气体之父”,他的研究展示了大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地表温度升高。上世纪60年代,在全球变暖还并未成为广受关注的问题时,在美国地球物理流体动力学实验室(GFDL)工作的真锅淑郎与合作者便开始开发有史以来第一个气候模型,他也是探索辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用的第一人。
真锅淑郎建立了最早的地球气候物理模型,但大气是一个混沌多变的复杂系统,一只亚马孙热带雨林中的蝴蝶扇动几下翅膀,可能两周后在美国得克萨斯州引发一场龙卷风,那为何气候模型依然可靠呢?哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型,回答了为什么在天气多变且混乱的情况下气候模型仍然可靠的问题。
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,从而为长期气候预测奠定了坚实的科学基础。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。
哈塞尔曼还开发出一种新方法,可用来识别自然现象和人类活动在气候变化中留下的“蛛丝马迹”。他发现,太阳辐射、火山颗粒或温室气体浓度的变化会在气候系统中留下独特的信号,这些信号可以识别出来,而这种识别“指纹”的方法也可以应用于人类对气候系统的影响。
他提出了气候变化归因检测的方法,从而将人类活动和自然过程区分开来,建立起清晰的人类活动影响地球气候系统的科学基础。他的方法已被用来证明大气温度升高是由人类活动排放二氧化碳造成的,而这已经成为当前全球气候学家的共识。
   ●复杂系统游走在混沌与秩序之间
“复杂系统”成为今年诺贝尔物理学奖的关键词。复杂系统所涉领域甚广,从生命到宇宙再到人类社会,无一不是牵一发而动全身的复杂系统。
可以看出,复杂系统无愧于复杂二字,它的研究实在是太难了。针对自然界中相对比较规律、有秩序的现象,我们可以运用微分方程、动力系统和群论等一大堆数学、物理工具进行确定性的分析和研究;针对无序的随机现象,我们可以采用概率论、统计物理等一大堆理论工具研究其宏观统计特征。然而,复杂系统恰恰同时具有确定性和随机性两种特征,传统的分析工具目前尚无法满足研究的需求。所以,在这方面取得哪怕是一小步的进展都是了不起的。        (吴 鹏)
作者:吴鹏 | 责任编辑 | 丹若
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