确定二氧化碳在的作用2021年诺贝尔物理学奖揭晓

北京时间10月5日17时45分，2021年诺贝尔物理学奖揭晓英镑中的一半奖励给了日裔美国气象学家真由正弘，德国海洋学家和气候建模师克劳斯哈塞尔曼，另一半奖励给了意大利理论物理学家乔治帕里西

他们因对复杂现象的研究而获奖它们为我们理解地球气候以及人类如何影响地球气候奠定了基础，彻底改变了无序物质和随机过程的理论

以下是诺贝尔奖委员会对此奖项的官方解读。

所有复杂的系统都是由许多相互作用的不同部分组成的复杂系统已经被物理学家研究了几个世纪，它们很难用数学来描述它们也可能是混沌系统，比如天气，初始值的微小偏差会导致后期的巨大差异今年的获奖者有助于我们更好地了解此类系统及其长期发展

地球气候是复杂系统的众多例子之一郭和哈塞尔曼因在开发气候模型方面的开创性工作而获奖帕里西因其对复杂系统理论中大量问题的理论解决方案而获奖

郭树朗展示了大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地球表面温度的升高20世纪60年代，他领导了地球气候物理模型的发展，是第一个探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的人他的工作为气候模型的发展奠定了基础

大约十年后，哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系起来的模型，这个模型回答了为什么即使在天气多变和混乱的情况下，气候模型仍然可靠的问题他还开发了识别气候中自然现象和人类活动留下的特定信号和痕迹的方法他的方法已经被用来证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳

大约在1980年，parisi发现了无序和复杂材料中隐藏的图案他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一它们使得理解和描述许多不同且显然完全随机的复杂材料和现象成为可能，不仅在物理领域，而且在其他非常不同的领域，如数学，生物学，神经科学和机器学习

温室效应对生命非常重要。

这项任务与傅立叶承担的任务相同，是研究进入地球的短波太阳辐射和地球发射的长波红外辐射之间的平衡在接下来的两个世纪里，许多气候科学家补充了细节当代气候模型是一个非常强大的工具，它不仅可以用来理解气候，还可以用来理解人类应该为之负责的全球变暖

这些模型基于物理定律，是从用于预测天气的模型发展而来的天气由气象量如温度，降水，风或云来描述，并受海洋和陆地上发生的事件的影响气候模型基于天气的统计特征，如平均值，标准差，最高和最低测量值等气候模型无法告诉我们明年12月10日斯德哥尔摩的天气，但我们可以知道12月斯德哥尔摩的平均气温或降雨量

确定二氧化碳在其中的作用。

温室效应对地球上的生命非常重要温室效应控制着温度，因为大气中的二氧化碳，甲烷，水蒸气等温室气体首先会吸收地球的红外辐射，然后释放吸收的能量来加热周围的空气和下面的地面

事实上，温室气体只占地球干燥大气的一小部分大气的主要成分是氮和氧，按体积计算占99%，而二氧化碳只占0.04%最强大的温室气体是水蒸气，但我们无法控制大气中水蒸气的浓度，但我们可以控制二氧化碳的浓度

大气中水蒸气的量高度依赖于温度，从而形成反馈机制大气中的二氧化碳越多，温度越高，使得更多的水蒸气停留在空气中，会加剧温室效应，进一步升高温度如果二氧化碳水平下降，一些水蒸气会凝结，温度会下降

关于二氧化碳影响的第一个重要部分来自瑞典研究员，诺贝尔奖获得者斯万特阿伦尼乌斯顺便说一句，1901年，他的同事，气象学家尼尔斯埃克霍尔姆首次用温室一词来描述大气的蓄热和再辐射

19世纪末，阿伦尼乌斯理解了温室效应的物理原理向外辐射与散热器绝对温度的四次方成正比光源的温度越高，辐射的波长越短太阳表面是6000C，主要辐射可见光，而地球表面只有15C，会发出不可见的红外辐射

事实上，阿伦尼乌斯正试图找出最近发现的冰河时代现象的原因他得出结论，将:大气中的二氧化碳含量减半，将足以让地球进入一个新的冰河时代相反，如果二氧化碳的量增加一倍，温度就会上升5到6这一结果在某种程度上与目前的估计惊人地接近

二氧化碳影响的开创性模型。

20世纪50年代，日本大气物理学家真由秀夫是东京一位年轻而有才华的研究员他离开了饱受战争蹂躏的日本，继续在美国的职业生涯他的研究，像70年前阿伦尼乌斯的研究一样，旨在了解二氧化碳水平的增加如何导致温度的升高但Arrhenius专注于辐射平衡，20世纪60年代，Hideo Makoto领导了物理模型的发展，其中包括对流引起的气团垂直输送和水汽潜热

为了使计算易于处理，他将模型简化为一维——，一个垂直长度为40公里的大气柱即便如此，通过改变大气中的气体水平来测试模型也需要数百个宝贵的计算小时而二氧化碳的影响是显而易见的当二氧化碳水平翻倍时，全球气温上升2以上

给定相对湿度分布下的大气热平衡

al of the atmospheric sciences， Vol. 24， Nr 3， May.

该模型证实，变暖确实是由于二氧化碳增加因为模型预测，靠近地面的温度升高，而高层大气变冷如果温度升高的原因是太阳辐射变化，那么整个大气应该同时加热

60年前，当时的计算机比现在慢几十万倍，所以这个模型相对简单，但真锅秀郎正确地抓住了关键功能他说，你必须总是简化你无法跟自然界的复杂性抗衡——每一滴雨滴都涉及到如此多的物理因素，以至于永远不可能计算出所有的一切一维模型的洞察促使了三维气候模型，该模型由真锅秀郎在1975年发表，这是理解气候秘密道路上的又一个里程碑

天气是混沌的

在真锅秀郎之后大约10年，克劳斯·哈塞尔曼成功将天气和气候联系起来，他找到一种方法来战胜快速而混乱，对计算来说非常麻烦的天气变化由于太阳辐射在时间和空间上的分布极不均匀，地球的天气会发生巨大变化地球是圆的，因此到达高纬地区的太阳光比赤道附近的低纬度地区少另外，由于地球的地轴倾斜，入射辐射会有季节性差异暖空气和冷空气之间的密度差异导致不同纬度之间，海洋和陆地之间，高低气团之间的巨大热量传输，从而驱动地球上的天气

众所周知，对未来10天以上的天气进行可靠预测是一项挑战200年前，法国著名科学家皮埃尔—西蒙·拉普拉斯说，如果我们只知道宇宙中所有粒子的位置和速度，就应该能算出我们的世界发生了什么以及将要发生什么原则上应该是这样，牛顿三个世纪以来的运动定律也描述了大气中的航空运输，这完全是确定性的——它们不受偶然性支配

可是，就天气而言，没有什么比这更糟这一定程度上是因为实践中不可能精确到足以说明大气中每个点的气温，压力，湿度或风况此外，方程是非线性的，初始值的细微偏差就能让天气系统以完全不同的方式演变基于巴西的蝴蝶扇动翅膀是否会在德克萨斯州引起龙卷风的问题，这种现象被命名为蝴蝶效应在实践中，这意味着不可能进行长期天气预报——天气混乱， 这一发现是 1960 年代由美国气象学家 Edward Lorenz 发现的，他奠定了当今混沌理论的基础

可是，说到天气，没有什么比这更糟糕的了这在一定程度上是因为，在实践中，不可能精确到足以说明大气中每个点的空气温度，压力，湿度或风况而且，方程是非线性的，初始值的微小偏差可以使天气系统以完全不同的方式演变基于巴西蝴蝶拍动翅膀是否会在德克萨斯州引发龙卷风的问题，该现象被命名为蝴蝶效应在实践中，这意味着不可能产生长期天气预报——天气是混沌的这一发现由美国气象学家爱德华·罗伦兹在20世纪60年代提出，他为今天的混沌理论奠定了基础

理解嘈杂数据

尽管天气是混沌系统的典型例子，我们如何才能在未来几十年或几百年中建立可靠气候模型 1980 年左右，克劳斯·哈塞尔曼演示了如何将气候变化的混沌现象描述为快速变化的噪声，从而为长期气候预测奠定了坚实的科学基础此外，他还开发了识别人类对全球温度影响的方法

20世纪50年代，作为德国汉堡的一名年轻的物理博士生，哈塞尔曼从事流体动力学研究，然后开始开发海浪和洋流的观测和理论模型他搬到加利福尼亚继续从事海洋学，会见了查理斯·大卫·基林等同事，哈塞尔曼夫妇与他一起创办了一个宗教合唱团早在1958年，基林就在夏威夷的莫纳罗亚天文台开始了到目前时间最长大气二氧化碳测量，基林因此而闻名哈塞尔曼几乎不知道，在他后来的工作中，他经常使用显示了二氧化碳水平的变化基林曲线

从嘈杂的天气数据中获取气候模型可以通过遛狗来说明:狗跑了出去，前后跑，左右两边跑，绕着你的腿跑你如何利用狗的踪迹判断你是在走路还是站着不动或者你走得快还是慢狗的踪迹是天气的变化，而你的行走是计算出的气候甚至可能利用混沌和嘈杂的天气数据得出气候长期趋势的结论吗

另一个困难是，影响气候的波动随时间变化极大——它们可能很快，如风力或气温，也可能很慢，如冰盖融化和海洋变暖举个例子，将海洋均匀加热一度可能需要一千年，但加热大气只需几周重要诀窍是将天气的快速变化作为噪音纳入计算，并显示这种噪音如何影响气候

哈塞尔曼创建了一个随机气候模型，这意味着模型中内置了随机性他的灵感来自爱因斯坦的布朗运动理论，该理论也称随机游走哈塞尔曼使用这个理论，证明了快速变化的大气会导致海洋缓慢变化

辨别人类影响的痕迹

完成气候变化模型后，哈塞尔曼开发了识别人类对气候系统影响的方法他发现，这些模型，连同观测和理论思考，包含有关噪声和信号特性的充分信息例如，太阳辐射，火山颗粒或温室气体水平的变化会留下独特信号，即指纹，这些信号可以分离出来这种识别记号的方法也能应用于人类对气候系统的影响因此，哈塞尔曼为气候变化的进一步研究扫清了道路，这些研究使用大量独立观测证明了人类对气候影响的痕迹

伴随着气候复杂相互作用中过程被更细致地绘制，尤其是通过卫星测量和天气观测，气候模型变得越来越精细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%数十万年来，地球的大气层从未包含如此多的二氧化碳温度测量表明，在过去的150年中，全球温度升高了1°C

真锅秀郎和哈塞尔曼本着诺贝尔精神，为我们对地球气候的了解提供了坚实的物理基础，为人类的最大利益做出了贡献我们不能再说我们不知道——气候模型毫不含糊地球在升温吗是升温原因是大气温室气体的增加吗是这能否仅用自然因素来解释不能人类的排放是温度上升的原因吗是

Source: Hegerl and Zweirs Use of models in detection attribution of climate change， WIREs Climate Change.

无序系统的方法

1980 年左右，乔治·帕里西介绍了他关于显然随机现象是如何受隐藏规则支配的发现他的工作现在被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一

对复杂系统的现代研究植根于19世纪下半叶麦克斯韦，玻尔兹曼和吉布斯发展的统计力学，他们于1884年命名了这一领域统计力学源于这样一种观点:需要一种新方法描述由大量粒子组成的系统这种方法必须考虑粒子的随机运动，因此基本思想是计算粒子的平均效应，而非单独研究每个粒子例如，气体温度是气体粒子能量平均值的量度统计力学取得巨大成功，因为它为气体和液体的宏观性质提供了微观解释

气体的粒子可视为小球，其飞行速度随温度升高而增加当温度下降或压力增加时，小球先凝结成液体，然后凝结成固体这种固体通常是晶体，其中，球按规则排列但是，如果这种变化发生得很快，球可能会形成不规则的图案，即使液体进一步降温或加压也不会改变 如果重复实验，尽管变化以完全相同的方式发生，但球将呈现出新的模式为什么结果不同

理解复杂性

这些压缩的球是普通玻璃和颗粒材料的简单模型可是，帕里西原始作品的主题是一种不同的系统——自旋玻璃这是一种特殊类型的合金，例如，铁原子随机混合成铜原子网格尽管只有几个铁原子，但它们以一种激进且令人费解的方式改变了材料的磁性每个铁原子的行为就像一个小磁铁，受靠近它的其他铁原子的影响在普通磁铁中，所有自旋指向相同，但在自旋玻璃中，它们受阻，一些自旋对想要指向同一个方向，而另一些则指向相反的方向——那么它们如何找到最佳方向呢

在关于他的自旋玻璃的书的介绍中，帕里西写道，研究自旋玻璃就像观看莎士比亚戏剧中的人类悲剧如果你想同时与两个人交朋友，但他们彼此讨厌，那可能会令人沮丧在古典悲剧中更是如此，舞台上，情感强烈的朋友和敌人相遇怎样才能把房间的紧张气氛降到最低

自旋玻璃及其奇异特性为复杂系统提供了一个模型在20世纪70 年代，包括几位诺贝尔奖获得者在内的许多物理学家都在寻找一种方法，来描述神秘而令人沮丧的自旋玻璃他们使用的一种方法是复制技巧，这是一种同时处理系统的多个副本的数学技术可是，在物理学方面，最初的计算结果行不通

1979年，帕里西取得了决定性的突破，他展示了如何巧妙地利用复制技巧来解决自旋玻璃问题他在复制品中发现了一个隐藏结构，并找到了一种数学描述的方法帕里西的解决方案花了很多年才被证明在数学上是正确的此后，他的方法被用于许多无序系统，并成为复杂系统理论的基石

阻挫的结果多种多样——旋转玻璃和颗粒材料都是阻挫系统的例子，其中，各种成分必须以一种平衡反作用力的方式进行排列问题是它们如何表现以及结果如何帕里西是回答许多不同材料和现象的这些问题的大师他对自旋玻璃结构的基本发现非常深刻，不仅影响了物理学，而且影响了数学，生物学，神经科学和机器学习，因为所有这些领域都包含与阻挫直接相关的问题

帕里西还研究了许多其他现象，在这些现象中，随机过程在结构的创建和发展过程中起着决定性作用，并处理了一些问题，如:为什么会周期性出现冰河期混沌和湍流系统是否有更一般的数学描述 或者——数千只椋鸟的咕哝声是如何形成这种模式的 这个问题似乎与自旋玻璃相去甚远 可是，帕里西表示，他的大部分研究都涉及简单行为如何导致复杂的集体行为，这适用于旋转玻璃和椋鸟

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