你知道气候有多复杂？抽丝剥茧，寻找背后隐藏的规律

■文/杨先碧

提及气候，同学们可能马上想到的是刮风、下雨等天气现象。其实，天气和气候的内涵不同，天气仅是气候的一个方面。虽然我们感觉现在的天气预报还是蛮准的，但是由于气候是一个变量很多的复杂系统，要精准预测气候变化其实十分困难。

然而，再难的事儿也有人在坚持。美籍日裔气象学家真锅淑郎（左）和德国气象学家克劳斯·哈塞尔曼（中）就是如此，他们迎难而上，解决了长期气候预测的部分难题，因此荣获了2021年诺贝尔物理学奖。与他们同时获奖的，还有意大利物理学家乔治·帕里西（右）。他研究的是复杂系统中微观无序和宏观有序之间的相互作用，推动了复杂系统的理论研究和实际应用。

二氧化碳排放是全球变暖的主因

早在20世纪上半叶，人们就意识到全球平均气温在逐步升高，这就是全球变暖问题。后来，科学家发现这主要是人类活动过多排放二氧化碳引发的，因为二氧化碳是一种可导致大气升温的温室气体。

影响气候变化的因素很多，如何证明二氧化碳是导致全球变暖的主要因素？真锅淑郎和他的同事理查德·韦瑟尔德利用物理学的方法，建立了辐射对流平衡模型，可以模拟大气成分变化与温度变化之间的关系。这个模型清楚地显示：随着大气中二氧化碳浓度的上升，全球平均气温会不断上升。利用这个模型，真锅淑郎预测了未来全球变暖的程度：大气中二氧化碳浓度每增加一倍，全球平均气温将上升2.3℃。

真锅淑郎还发现，二氧化碳在大气中是流动的。二氧化碳排放的增加不仅使排放者遭殃，全球都会跟着倒霉。根据自己的研究模型，真锅淑郎预测极地的变暖程度是大于其他地区的，后来对南北两极冰川的观测结果证实了这一预测。因此，如果不实施节能减排，人们不仅会因全球变暖而遭受更多的极端天气，还会因海平面上升而失去沿海的生存领地。

人类活动是全球变暖的罪魁祸首

地球历史上遇到过多次全球变暖或变冷的大事件，甚至在人类没有出现之前就发生过多起。近年来的全球变暖事件真的是人类活动导致的吗？曾经有不少人对此表示怀疑，而哈塞尔曼的研究成果则帮助人们消除了疑惑。

影响气候变化的因素很多，一些因素的短期影响和长期影响又不太相同。虽然短期的天气预报准确度高于长期气候预测，但是短期的天气变化混乱程度大于长期的气候变化。因此，要从短期的天气变化中找到长期气候变化的规律，相当于从一团乱麻中找到麻线的走向。

哈塞尔曼发现，太阳辐射、火山颗粒和温室气体浓度的变化会在气象系统中留下独特的信号，这些信号可以被鉴别出来，而这种识别“指纹”的方法也可以应用于人类对气象系统的影响。哈塞尔曼利用这种识别方法，建立了一个随机气候模型，创新性地从复杂气象系统中找到了规律。随机气候模型表明，全球平均气温的升高不是自然事件，而是人类活动（主要是二氧化碳排放增多）导致的结果。

随机气候现象隐藏的规律

真锅淑郎和哈塞尔曼的研究让人们理解气候这种复杂系统中的运行规律，而帕里西的研究则让人们了解到复杂系统的宏观性质。帕里西通过自旋玻璃，发现了随机现象背后的规律，大大丰富了复杂系统的理论研究。

1980年，帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。这种无序材料是自旋玻璃，并非我们常见的玻璃，而是在特殊条件下呈现出玻璃状态的铜铁合金。自旋玻璃中的铁原子随机地混合进铜原子的晶体网格中，铁原子的自旋（有点类似行星的自转）会产生一个磁场，这使得自旋玻璃成为具有磁性的材料。自旋玻璃中的铁原子自旋方向是无序的、随机的，可自旋玻璃表现出来的磁性却是特定的、有序的。

通过对自旋玻璃的研究，帕里西提出了深奥的“复本对称破缺”理论。简单来说，它能让人们理解和描述复杂系统随机性背后隐藏的规律，是帕里西对复杂系统理论最重要的贡献之一。

具有很强的实际用途

3位科学家的研究表明，对于微观上复杂无序的气候系统，用合理的统计方法就可以找出其宏观上有序的性质。这样的研究并非纸上谈兵，而是具有实际用途的。比如，我们每天看的天气预报，就是气象学家对大气运动这种无序现象建模后得到的预测结果。

当面临越来越多的高温酷暑、暴雨洪涝、超级台风等气象灾害时，我们意识到气候变化对人类生存带来的巨大威胁。而政府在制定相关气候政策时，不能只是依据人们的直观感受，而是要明确气候变化的根源，才能有的放矢地采取相应的措施。真锅淑郎和哈塞尔曼两人的研究，都表明了气候变化与二氧化碳排放之间的关系。因此，近年来各国政府及联合国相关组织都在大力倡导“碳达峰”和“碳中和”。