地球|详解2021诺贝尔物理学奖：他们破译了地球气候及其他复杂系统的隐秘规律( 三 ) 地球|乔治·帕里西|真锅淑郎

文章图片

文章图片

图1:真锅的气候模型。图2:二氧化碳水平的增加导致低层大气温度升高，而高层大气温度降低。真锅因此证实，气温的变化是由于二氧化碳含量增加；如果它是由太阳辐射增加引起的，那么应该表现为大气层整体变暖。（图片来源：Source: Manabe and Wetherald (1967) Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity, Journal of the atmospheric sciences, Vol. 24, Nr 3, May）
该模型证实，这种升温的确是由于二氧化碳的增加，因为它预测，当上层大气变冷时，靠近地面的气温会升高。如果是太阳辐射的变化导致了温度的升高，那么整个大气层应该同时被加热。
六十年前，计算机运算速度不过是现在的数十万分之一，所以这个模型相对简单，但真锅得到的关键特征是正确的。“你必须不断简化，”他说。你无法与自然界的复杂度抗衡——每一滴雨滴都涉及诸多物理因素，将一切都计算出来是完全不可能的。真锅在 1975 年发表的成果中，用来自一维模型的见解引出了三维空间中的气候模型；这是理解气候奥秘道路上的又一座里程碑。
天气是混沌的
天气中快速而混沌的变化对计算造成了不少困扰。在真锅之后大约十年，克劳斯·哈塞尔曼找到了一种战胜天气变化的方法，从而成功地将天气和气候联系起来。由于太阳辐射在地理上和时间上分布极不均匀，我们星球上的气候有着巨大的差异。地球是球形的，所以到达高纬度的太阳光线比赤道周围低纬度的太阳光线要少。不仅如此，地轴也是倾斜的，导致输入地球的辐射产生了季节性差异。冷暖空气密度的差异导致不同纬度之间、海洋和陆地之间、高空和低空之间巨大的热量输运，从而驱动了地球的天气。
众所周知，对未来十天以上的天气做出可靠的预测是一项挑战。两百年前，著名的法国科学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）指出，如果我们知道宇宙中所有粒子的位置和速度，就应该能够计算出在我们的世界中发生了什么和将要发生什么。原则上应该是这样的；300 多岁的牛顿运动定律也能描述大气层中的空气输运，但牛顿运动定律是确定性（deterministic）的，不受偶然性的支配。
但就天气而言，没有什么比这更糟糕的了。这部分是因为在实际操作中，足够精确地说明大气中每个点的气温、压力、湿度或风况是不可能的。此外，方程是非线性的，初始值的微小偏差可以使天气系统向完全不同的方向演化。蝴蝶在巴西扇动翅膀，可能在美国得克萨斯引起龙卷风，这种现象被命名为“蝴蝶效应”（the butterfy effect）。这意味着长期的天气预报不可能实现——天气就是混沌。20 世纪 60 年代，美国气象学家爱德华·洛伦兹（Edward Lorenz）做出了这一发现，他奠定了当今混沌理论的基础。
理解嘈杂的数据
尽管天气是混沌系统的典型案例，但我们如何才能开发能够对未来几十年甚至几百年进行可靠预测的气候模型？1980 年左右，克劳斯·哈塞尔曼展示了如何将无序变化的天气现象描述为快速变化的噪音，从而为长期气候预测奠定了坚实的科学基础。此外，他开发了一些方法，能够确定人类对观测到的全球温度的影响。
20 世纪 50 年代，哈塞尔曼还是德国汉堡的一名年轻的物理学博士生，从事流体动力学研究，随后开始开发海浪和洋流的观测和理论模型。后来，他搬到美国加利福尼亚州继续从事海洋学研究，遇到了查尔斯·大卫·基林（Charles David Keeling）等同事，哈塞尔曼夫妇与他们一起创办了一个无伴奏合唱团（madrigal choir）。基林的主要贡献是 1958 年在夏威夷莫纳罗亚天文台（Mauna Loa Observatory）开创了迄今时间最长的大气二氧化碳测量序列。哈塞尔曼那时还不知道，在他后来的工作中，他会经常使用基林曲线（Keeling Curve），该曲线显示二氧化碳浓度的变化。