諾貝爾物理獎授予氣候變化 混沌系統中如何預測地球的未來?

2021-10-06 09:52:08 來源: 第一財經 作者:

氣候變化就好像是蝴蝶煽動的翅膀,赤道太平洋的升溫,可能導致我國長江中下游地區夏季多雨。今年諾貝爾物理獎獎勵給在氣候變化領域做出卓越貢獻的科學家。

諾貝爾頒獎機構周二將2021年諾貝爾物理學獎授予三位科學家,以表彰他們在預測氣候變化和理解復雜物理系統方面的開創性工作。

三位科學家分別為日裔美籍科學家真鍋淑郎(Syukuro Manabe)、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼 (Klaus Hasselmann) 和意大利科學家喬治·帕里西 (Giorgio Parisi) 。其中真鍋淑郎和哈塞爾因“地球氣候的物理模型,量化變量和可靠預測全球變暖”獲獎;帕里西因“發現從原子到行星尺度的物理系統中的無序和波動的相互作用”獲獎。

氣候科學首獲物理獎

與10月4日獲得諾貝爾醫學獎或生理學獎的兩位相對年輕的科學家不同,今年的物理獎得主年齡最小的是75歲的意大利人帕里西,真鍋淑郎和哈塞爾曼都已是90歲和89歲高齡。

瑞典皇家科學院在一份聲明中表示,真鍋淑郎在1960年代的工作“為當前氣候模型的發展奠定了基礎”,哈塞爾曼“創建了一個將天氣和氣候聯系起來的模型”。帕里西的發現“使理解和描述很多不同且看似隨機的復雜物質和現象成為可能”。他們的工作不僅適用于物理學,也適用于其他領域,如數學、生物學、神經科學和機器學習等。

諾貝爾物理獎通常都會頒給基礎物理工作者,這次把獎項頒給物理系統模型的開創者也令業界感到意外。但鑒于氣候變暖問題已經成為全球關注的話題,今年的物理學獎也反映了氣候研究工作的價值。

中科院大氣物理所研究員李熙晨對第一財經記者表示:“今年的物理學諾貝爾獎頒發給了三位地球氣候系統模擬有關的科學家,既在人們意料之外,又感覺眾望所歸。意料之外是因為此前諾貝爾物理獎之前還從未對氣候科學表現出興趣,很多人可能認為氣候科學不屬于傳統意義上的物理學。”

李熙晨表示,此前兩次與氣候環境有關的獎項分別是1995年由于發現南極臭氧空洞的諾貝爾化學獎,以及2007年政府間氣候合作的諾貝爾和平獎。“眾望所歸則是因為,氣候系統科學、地球系統模擬以及與之相關的混沌學科,不僅涉及了艱深的物理和數學知識,而且已經對我們的日常生活產生了巨大的影響,并且必將改變未來的世界。”

李熙晨進一步解釋道,人類賴以生存的地球表面,包括陸地、大氣圈、海洋圈、巖石圈、冰凍圈、生物圈等等,是一個相互交融、互相作用的復雜的非線性系統。雖然大氣海洋中大部分質點(或者說局部氣團、水團)的運動和熱力過程都遵循相對簡單的物理學定律,但由于這些系統中億億萬萬個質點(或局部)一直相互作用、相互影響,形成了一個非線性的“混沌系統”。

“我們耳熟能詳的蝴蝶效應,三體運動都是混沌系統的很好的例子。”李熙晨表示,“一般來說混沌系統是很難預測的,但是我們的地球系統,在復雜而非線性的背景下,又隱含著一些有趣的規律,使得我們在理論上存在預測地球某方面的未來的可能性。”

如何預測地球的未來?

國際氣候協會已經對氣候變化做出定義,是由氣候引起的一些變量,在一個具體的地點和一個標準的時間內所引起的變化,這個標準的時間一般是指30年。

自上世紀70年代以來,科學家們已經相當準確地預測了世界變暖的程度,短期的氣象災害中的很大一部分也是可以預測的。

這些成果就要歸功于包括真鍋淑郎在內的科學家。真鍋淑郎從1960-70年代就開始了地球氣候系統數值模擬的嘗試。他和他的同事在1980-90年代研制的氣候模型已經能夠較好地模擬地球對不同溫室氣體濃度所造成的輻射強迫的反饋。

“簡單來說就是能夠模擬未來不同溫室氣體濃度情況下,地球表面的溫度、降水等會發生什么樣的變化。這些氣候模式的模擬結果是我們對氣候變化進行預估以及制定應對方案的重要科學依據。”李熙晨對第一財經記者表示。

他補充道,我國也有很多科學家在地球系統模擬方面開展了長足的工作。“我國最高科技獎獲得者曾慶存從60年代就開始著手建立我們自己的氣候數值模型,一直發展至今。”李熙晨表示,“在今年夏天,我國在懷柔科學城建成了地球系統數值模擬大裝置-寰,也是當今世界先進的地球系統模型。”

如今,地球系統模式在氣候變化和變率的機制研究和預測預估方面扮演著非常重要的角色,不僅能夠模擬不同溫室氣體濃度下地表的平均情況,而且能夠很好地模擬如地球軌道變化、火山爆發、人為排放氣溶膠以及氣候系統的內部變率等對全球氣候和環境的影響。

“尤其是在極端事件(如極端暴雨、極端高溫、寒潮、洪澇災害、強臺風等)的預測預估、局地氣候變化、年際和年代際氣候變率等方面也扮演著越來越重要的角色。更為我們制定應對氣候變化策略提供了重要的科學支撐。”李熙晨說道。

不過也有科學家質疑今年物理獎的三名獲獎者的工作聯系并不那么緊密,諾獎頒發給兩個不同領域的科學家有“拼湊”之嫌。

對此,科普作家張軒中對第一財經記者表示:“這三位科學家的貢獻是有一定的相互聯系的,因為它們都屬于所謂的復雜系統,主要研究是混沌,也就是所謂的蝴蝶效應以及其他相關的物理現象,包括大氣物理,所以他們的工作還是有一定的聯系,但確實關聯性不是特別的強。”

責任編輯: 何沛蓯
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