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( 四 ) 地球|乔治·帕里西|真锅淑郎

从嘈杂的天气数据中获取气候模型可以比作遛狗：狗前后左右跑动，还绕着你的腿跑。你要如何用狗的踪迹来判断你是该走路还是站着不动、该快走还是慢走？狗的运动轨迹就好比天气的变化，而你的行走是计算出的气候预测。使用混乱而嘈杂的天气数据预测长期气候趋势，这有可能实现吗？
另一个困难是，影响气候的波动随时间变化极大。这种变化可能很快，例如风的强度或气温，也可能非常缓慢，例如冰盖融化和海洋变暖。例如，使海洋均匀升温一度可能需要一千年，但对大气来说只需几周。决定性的技巧是将天气的快速变化作为噪声纳入计算，并证明这种噪声如何影响气候。
哈塞尔曼创建了一个随机气候模型，这意味着模型中已经考虑了几率。他的灵感来自阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的布朗运动理论，也称为随机游走（random walk）。借助这个理论，哈塞尔曼证明快速变化的大气实际上会导致海洋缓慢变化。
分辨人类影响的痕迹
完成气候变化模型后，哈塞尔曼还开发了确定人类对气候系统影响的方法。他发现模型、观测结果和理论分析，包含了足够的有关噪声和信号特性的信息。例如，太阳辐射、火山颗粒或温室气体水平的变化留下的独特信号——或者说指纹，可以被分离出来。这种指纹识别式的方法也可以应用于评估人类对气候系统的影响。借此，哈塞尔曼为进一步研究气候变化扫清了道路，后续研究使用了大量独立观测，证明了人类对气候影响的痕迹。
随着气候复杂相互作用中包含的过程得到更加彻底的描述，尤其是通过卫星测量和天气观测，气候模型变得越来越完善。模型清楚地显示了加速的温室效应：自 19 世纪中叶以来，大气中的二氧化碳含量增加了 40% 。过去数十万年间，地球的大气层从未有过如此多的二氧化碳。相应地，温度测量表明在过去的 150 年中，全球温度升高了 1°C 。
秉承阿尔弗雷德·诺贝尔（Alfred Nobel）的精神，真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼为我们理解地球气候提供了坚实的物理基础，为人类最大的利益作出了贡献。我们不能再说“我们不知道”，因为气候模型的结论相当明确：
-地球在升温吗？
-是的。
-是因为大气中温室气体含量的增加吗？
-是的。
-这可以仅用自然因素来解释吗？
-不能。
-人类的排放是温度升高的原因吗？
-是的。

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识别气候中的指纹：克劳斯·哈塞尔曼开发了区分大气升温的自然原因和人为原因（指纹）的方法。图为与 1901-1950 年间平均温度（单位：°C）相比，气温变化的观测值（黑色）、只受自然原因影响的预测值（蓝色）、和在自然原因与人为原因共同影响下的预测值（红色）。（图片来源: Hegerl and Zweirs (2011) Use of models in detection & attribution of climate change, WIREs Climate Change）
无序系统的研究方法
随机现象显然是由背后隐藏的规律支配的——1980 年前后，乔治·帕里西报告了他的发现。他的研究贡献如今被认为是复杂系统理论最重要的成果之一。
复杂系统的现代研究植根于 19 世纪后半叶麦克斯韦（James C. Maxwell）、玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）和吉布斯（J. Willard Gibbs）所发展的统计力学，他们在 1884 年命名了这一领域。统计力学的发展源自于一种认识：若要描述由大量粒子构成的系统（如气体或液体），我们需要一种新的方法。这种方法必须考虑粒子的随机运动，因此基本的思想是计算粒子的平均效应，而非单独研究每个粒子。例如在气体中，温度可以描述气体粒子能量的平均值。由于为气体和液体的宏观性质（如温度和压强）提供了微观解释，统计力学获得了巨大的成功。