你知道氣候有多復雜？抽絲剝繭，尋找背后隱藏的規律

■文/楊先碧

提及氣候，同學們可能馬上想到的是刮風、下雨等天氣現象。其實，天氣和氣候的內涵不同，天氣僅是氣候的一個方面。雖然我們感覺現在的天氣預報還是蠻準的，但是由于氣候是一個變量很多的復雜系統，要精準預測氣候變化其實十分困難。

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

二氧化碳排放是全球變暖的主因

早在20世紀上半葉，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，科學家發現這主要是人類活動過多排放二氧化碳引發的，因為二氧化碳是一種可導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℃。

真鍋淑郎還發現，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。根據自己的研究模型，真鍋淑郎預測極地的變暖程度是大于其他地區的，后來對南北兩極冰川的觀測結果證實了這一預測。因此，如果不實施節能減排，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地。

人類活動是全球變暖的罪魁禍首

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之前就發生過多起。近年來的全球變暖事件真的是人類活動導致的嗎？曾經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。雖然短期的天氣預報準確度高于長期氣候預測，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律，相當于從一團亂麻中找到麻線的走向。

哈塞爾曼發現，太陽輻射、火山顆粒和溫室氣體濃度的變化會在氣象系統中留下獨特的信號，這些信號可以被鑒別出來，而這種識別“指紋”的方法也可以應用于人類對氣象系統的影響。哈塞爾曼利用這種識別方法，建立了一個隨機氣候模型，創新性地從復雜氣象系統中找到了規律。隨機氣候模型表明，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）導致的結果。

隨機氣候現象隱藏的規律

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究讓人們理解氣候這種復雜系統中的運行規律，而帕里西的研究則讓人們了解到復雜系統的宏觀性質。帕里西通過自旋玻璃，發現了隨機現象背后的規律，大大豐富了復雜系統的理論研究。

1980年，帕里西在無序的復雜材料中發現了隱藏的模式。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出玻璃狀態的銅鐵合金。自旋玻璃中的鐵原子隨機地混合進銅原子的晶體網格中，鐵原子的自旋（有點類似行星的自轉）會產生一個磁場，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、隨機的，可自旋玻璃表現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“復本對稱破缺”理論。簡單來說，它能讓人們理解和描述復雜系統隨機性背后隱藏的規律，是帕里西對復雜系統理論最重要的貢獻之一。

具有很強的實際用途

3位科學家的研究表明，對于微觀上復雜無序的氣候系統，用合理的統計方法就可以找出其宏觀上有序的性質。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報，就是氣象學家對大氣運動這種無序現象建模后得到的預測結果。

當面臨越來越多的高溫酷暑、暴雨洪澇、超級臺風等氣象災害時，我們意識到氣候變化對人類生存帶來的巨大威脅。而政府在制定相關氣候政策時，不能只是依據人們的直觀感受，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系。因此，近年來各國政府及聯合國相關組織都在大力倡導“碳達峰”和“碳中和”。