诺贝尔物理奖授予气候变化 混沌系统中如何预测地球的未来？

气候变化就好像是蝴蝶煽动的翅膀，赤道太平洋的升温，可能导致我国长江中下游地区夏季多雨。今年诺贝尔物理奖奖励给在气候变化领域做出卓越贡献的科学家。

诺贝尔颁奖机构周二将2021年诺贝尔物理学奖授予三位科学家，以表彰他们在预测气候变化和理解复杂物理系统方面的开创性工作。

三位科学家分别为日裔美籍科学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼 (Klaus Hasselmann) 和意大利科学家乔治·帕里西 (Giorgio Parisi) 。其中真锅淑郎和哈塞尔因“地球气候的物理模型，量化变量和可靠预测全球变暖”获奖；帕里西因“发现从原子到行星尺度的物理系统中的无序和波动的相互作用”获奖。

气候科学首获物理奖

与10月4日获得诺贝尔医学奖或生理学奖的两位相对年轻的科学家不同，今年的物理奖得主年龄最小的是75岁的意大利人帕里西，真锅淑郎和哈塞尔曼都已是90岁和89岁高龄。

瑞典皇家科学院在一份声明中表示，真锅淑郎在1960年代的工作“为当前气候模型的发展奠定了基础”，哈塞尔曼“创建了一个将天气和气候联系起来的模型”。帕里西的发现“使理解和描述很多不同且看似随机的复杂物质和现象成为可能”。他们的工作不仅适用于物理学，也适用于其他领域，如数学、生物学、神经科学和机器学习等。

诺贝尔物理奖通常都会颁给基础物理工作者，这次把奖项颁给物理系统模型的开创者也令业界感到意外。但鉴于气候变暖问题已经成为全球关注的话题，今年的物理学奖也反映了气候研究工作的价值。

中科院大气物理所研究员李熙晨对第一财经记者表示：“今年的物理学诺贝尔奖颁发给了三位地球气候系统模拟有关的科学家，既在人们意料之外，又感觉众望所归。意料之外是因为此前诺贝尔物理奖之前还从未对气候科学表现出兴趣，很多人可能认为气候科学不属于传统意义上的物理学。”

李熙晨表示，此前两次与气候环境有关的奖项分别是1995年由于发现南极臭氧空洞的诺贝尔化学奖，以及2007年政府间气候合作的诺贝尔和平奖。“众望所归则是因为，气候系统科学、地球系统模拟以及与之相关的混沌学科，不仅涉及了艰深的物理和数学知识，而且已经对我们的日常生活产生了巨大的影响，并且必将改变未来的世界。”

李熙晨进一步解释道，人类赖以生存的地球表面，包括陆地、大气圈、海洋圈、岩石圈、冰冻圈、生物圈等等，是一个相互交融、互相作用的复杂的非线性系统。虽然大气海洋中大部分质点(或者说局部气团、水团)的运动和热力过程都遵循相对简单的物理学定律，但由于这些系统中亿亿万万个质点(或局部)一直相互作用、相互影响，形成了一个非线性的“混沌系统”。

“我们耳熟能详的蝴蝶效应，三体运动都是混沌系统的很好的例子。”李熙晨表示，“一般来说混沌系统是很难预测的，但是我们的地球系统，在复杂而非线性的背景下，又隐含着一些有趣的规律，使得我们在理论上存在预测地球某方面的未来的可能性。”

如何预测地球的未来？

国际气候协会已经对气候变化做出定义，是由气候引起的一些变量，在一个具体的地点和一个标准的时间内所引起的变化，这个标准的时间一般是指30年。

自上世纪70年代以来，科学家们已经相当准确地预测了世界变暖的程度，短期的气象灾害中的很大一部分也是可以预测的。

这些成果就要归功于包括真锅淑郎在内的科学家。真锅淑郎从1960-70年代就开始了地球气候系统数值模拟的尝试。他和他的同事在1980-90年代研制的气候模型已经能够较好地模拟地球对不同温室气体浓度所造成的辐射强迫的反馈。

“简单来说就是能够模拟未来不同温室气体浓度情况下，地球表面的温度、降水等会发生什么样的变化。这些气候模式的模拟结果是我们对气候变化进行预估以及制定应对方案的重要科学依据。”李熙晨对第一财经记者表示。

他补充道，我国也有很多科学家在地球系统模拟方面开展了长足的工作。“我国最高科技奖获得者曾庆存从60年代就开始着手建立我们自己的气候数值模型，一直发展至今。”李熙晨表示，“在今年夏天，我国在怀柔科学城建成了地球系统数值模拟大装置-寰，也是当今世界先进的地球系统模型。”

如今，地球系统模式在气候变化和变率的机制研究和预测预估方面扮演着非常重要的角色，不仅能够模拟不同温室气体浓度下地表的平均情况，而且能够很好地模拟如地球轨道变化、火山爆发、人为排放气溶胶以及气候系统的内部变率等对全球气候和环境的影响。

“尤其是在极端事件(如极端暴雨、极端高温、寒潮、洪涝灾害、强台风等)的预测预估、局地气候变化、年际和年代际气候变率等方面也扮演着越来越重要的角色。更为我们制定应对气候变化策略提供了重要的科学支撑。”李熙晨说道。

不过也有科学家质疑今年物理奖的三名获奖者的工作联系并不那么紧密，诺奖颁发给两个不同领域的科学家有“拼凑”之嫌。

对此，科普作家张轩中对第一财经记者表示：“这三位科学家的贡献是有一定的相互联系的，因为它们都属于所谓的复杂系统，主要研究是混沌，也就是所谓的蝴蝶效应以及其他相关的物理现象，包括大气物理，所以他们的工作还是有一定的联系，但确实关联性不是特别的强。” 【编辑:岳川】