你知道氣候有多復(fù)雜？抽絲剝繭，尋找背后隱藏的規(guī)律

■文/楊先碧

提及氣候，同學(xué)們可能馬上想到的是刮風(fēng)、下雨等天氣現(xiàn)象。其實，天氣和氣候的內(nèi)涵不同，天氣僅是氣候的一個方面。雖然我們感覺現(xiàn)在的天氣預(yù)報還是蠻準(zhǔn)的，但是由于氣候是一個變量很多的復(fù)雜系統(tǒng)，要精準(zhǔn)預(yù)測氣候變化其實十分困難。

然而，再難的事兒也有人在堅持。美籍日裔氣象學(xué)家真鍋淑郎（左）和德國氣象學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼（中）就是如此，他們迎難而上，解決了長期氣候預(yù)測的部分難題，因此榮獲了2021年諾貝爾物理學(xué)獎。與他們同時獲獎的，還有意大利物理學(xué)家喬治·帕里西（右）。他研究的是復(fù)雜系統(tǒng)中微觀無序和宏觀有序之間的相互作用，推動了復(fù)雜系統(tǒng)的理論研究和實際應(yīng)用。

二氧化碳排放是全球變暖的主因

早在20世紀(jì)上半葉，人們就意識到全球平均氣溫在逐步升高，這就是全球變暖問題。后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這主要是人類活動過多排放二氧化碳引發(fā)的，因為二氧化碳是一種可導(dǎo)致大氣升溫的溫室氣體。

影響氣候變化的因素很多，如何證明二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的主要因素？真鍋淑郎和他的同事理查德·韋瑟爾德利用物理學(xué)的方法，建立了輻射對流平衡模型，可以模擬大氣成分變化與溫度變化之間的關(guān)系。這個模型清楚地顯示：隨著大氣中二氧化碳濃度的上升，全球平均氣溫會不斷上升。利用這個模型，真鍋淑郎預(yù)測了未來全球變暖的程度：大氣中二氧化碳濃度每增加一倍，全球平均氣溫將上升2.3℃。

真鍋淑郎還發(fā)現(xiàn)，二氧化碳在大氣中是流動的。二氧化碳排放的增加不僅使排放者遭殃，全球都會跟著倒霉。根據(jù)自己的研究模型，真鍋淑郎預(yù)測極地的變暖程度是大于其他地區(qū)的，后來對南北兩極冰川的觀測結(jié)果證實了這一預(yù)測。因此，如果不實施節(jié)能減排，人們不僅會因全球變暖而遭受更多的極端天氣，還會因海平面上升而失去沿海的生存領(lǐng)地。

人類活動是全球變暖的罪魁禍?zhǔn)?/h2>

地球歷史上遇到過多次全球變暖或變冷的大事件，甚至在人類沒有出現(xiàn)之前就發(fā)生過多起。近年來的全球變暖事件真的是人類活動導(dǎo)致的嗎？曾經(jīng)有不少人對此表示懷疑，而哈塞爾曼的研究成果則幫助人們消除了疑惑。

影響氣候變化的因素很多，一些因素的短期影響和長期影響又不太相同。雖然短期的天氣預(yù)報準(zhǔn)確度高于長期氣候預(yù)測，但是短期的天氣變化混亂程度大于長期的氣候變化。因此，要從短期的天氣變化中找到長期氣候變化的規(guī)律，相當(dāng)于從一團(tuán)亂麻中找到麻線的走向。

哈塞爾曼發(fā)現(xiàn)，太陽輻射、火山顆粒和溫室氣體濃度的變化會在氣象系統(tǒng)中留下獨特的信號，這些信號可以被鑒別出來，而這種識別“指紋”的方法也可以應(yīng)用于人類對氣象系統(tǒng)的影響。哈塞爾曼利用這種識別方法，建立了一個隨機(jī)氣候模型，創(chuàng)新性地從復(fù)雜氣象系統(tǒng)中找到了規(guī)律。隨機(jī)氣候模型表明，全球平均氣溫的升高不是自然事件，而是人類活動（主要是二氧化碳排放增多）導(dǎo)致的結(jié)果。

隨機(jī)氣候現(xiàn)象隱藏的規(guī)律

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究讓人們理解氣候這種復(fù)雜系統(tǒng)中的運(yùn)行規(guī)律，而帕里西的研究則讓人們了解到復(fù)雜系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。帕里西通過自旋玻璃，發(fā)現(xiàn)了隨機(jī)現(xiàn)象背后的規(guī)律，大大豐富了復(fù)雜系統(tǒng)的理論研究。

1980年，帕里西在無序的復(fù)雜材料中發(fā)現(xiàn)了隱藏的模式。這種無序材料是自旋玻璃，并非我們常見的玻璃，而是在特殊條件下呈現(xiàn)出玻璃狀態(tài)的銅鐵合金。自旋玻璃中的鐵原子隨機(jī)地混合進(jìn)銅原子的晶體網(wǎng)格中，鐵原子的自旋（有點類似行星的自轉(zhuǎn)）會產(chǎn)生一個磁場，這使得自旋玻璃成為具有磁性的材料。自旋玻璃中的鐵原子自旋方向是無序的、隨機(jī)的，可自旋玻璃表現(xiàn)出來的磁性卻是特定的、有序的。

通過對自旋玻璃的研究，帕里西提出了深奧的“復(fù)本對稱破缺”理論。簡單來說，它能讓人們理解和描述復(fù)雜系統(tǒng)隨機(jī)性背后隱藏的規(guī)律，是帕里西對復(fù)雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻(xiàn)之一。

具有很強(qiáng)的實際用途

3位科學(xué)家的研究表明，對于微觀上復(fù)雜無序的氣候系統(tǒng)，用合理的統(tǒng)計方法就可以找出其宏觀上有序的性質(zhì)。這樣的研究并非紙上談兵，而是具有實際用途的。比如，我們每天看的天氣預(yù)報，就是氣象學(xué)家對大氣運(yùn)動這種無序現(xiàn)象建模后得到的預(yù)測結(jié)果。

當(dāng)面臨越來越多的高溫酷暑、暴雨洪澇、超級臺風(fēng)等氣象災(zāi)害時，我們意識到氣候變化對人類生存帶來的巨大威脅。而政府在制定相關(guān)氣候政策時，不能只是依據(jù)人們的直觀感受，而是要明確氣候變化的根源，才能有的放矢地采取相應(yīng)的措施。真鍋淑郎和哈塞爾曼兩人的研究，都表明了氣候變化與二氧化碳排放之間的關(guān)系。因此，近年來各國政府及聯(lián)合國相關(guān)組織都在大力倡導(dǎo)“碳達(dá)峰”和“碳中和”。