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诺奖官方解读|气候模型表明人类二氧化碳排放造成全球变暖

2021-10-06 12:08 出处: 人气: 评论(0
北京时间10月5日17时45分,2021年诺贝尔物理学奖揭晓:一半授予美籍日裔气象学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)、德国海洋学家、气候建模师克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann),另一半授予意大利理论物理学家乔治·帕里西(Giorgio Parisi)。
他们因对复杂现象的研究而获奖。他们为我们了解地球气候以及人类如何影响气候奠定了基础,并彻底改变了无序材料和随机过程的理论。
以下为诺贝尔奖委员会对于此次获奖的官方解读:
所有复杂系统都由许多相互作用的不同部分组成。复杂系统已经被物理学家研究了几个世纪,它们很难用数学方法进行描述——它们可能有大量组成部分,或受到偶然支配。它们也可能是混乱系统,比如天气,初始值的微小偏差会导致后期的巨大差异。今年的获奖者为我们更好地了解此类系统及其长期发展做出了贡献。
地球的气候是复杂系统的众多例子之一。真锅淑郎和哈塞尔曼因其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。
真锅淑郎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升高。20世纪60年代,他领导了地球气候物理模型的开发,并且是探索辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用的第一人。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,从而回答了为何气候模型在天气多变且混沌的情况下仍然可靠的问题。他还开发了识别自然现象和人类活动在气候中留下印记的特定信号、印记的方法。他的方法已被用来证明大气温度升高是由于人类排放的二氧化碳。
1980 年左右,帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。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的、显然完全随机的复杂材料和现象成为可能,不仅在物理学领域,也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。
温室效应对生命至关重要
200年前,法国物理学家约瑟夫·傅里叶(Joseph Fourier) 研究了太阳对地面的辐射和地面辐射之间的能量平衡。他理解大气在这种平衡中的作用;在地球表面,收到的太阳辐射转化为向外辐射——“暗热”(dark heat)——被大气吸收,从而加热大气。大气的保护作用现在叫温室效应,该名称来源于它与温室玻璃板的相似性,温室玻璃允许太阳加热的射线进入,但将热量困在里面。不过,大气中的辐射过程要复杂得多。
这项任务与傅里叶承担的任务相同,是调查进入地球的短波太阳辐射与地球发出的长波红外辐射之间的平衡。在接下来的两个世纪中,许多气候科学家补充了细节。当代气候模型是非常强大的工具,不仅可以用于理解气候,还可以用来理解人类应该负责的全球变暖。
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。天气由诸如温度、降水、风或云等气象量描述,并受海洋和陆地发生的事件影响。气候模型基于天气的计算统计特性,如平均值、标准偏差、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
温室效应对地球生命至关重要。温室效应控制着温度,因为大气中二氧化碳、甲烷、水蒸气等温室气体,首先会吸收地球的红外辐射,然后再释放所吸收的能量,将周围的空气和它下面的地面加热。
实际上,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气和氧气,它们占体积的99%,而二氧化碳仅占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,而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,温度就越高,从而使更多的水蒸气滞留在空气中,这会加剧温室效应使温度进一步升高。若二氧化碳水平下降,一些水蒸气会凝结,温度将下降。
关于二氧化碳影响的第一块重要部分来自瑞典研究人员、诺奖获得者斯万特·阿伦尼乌斯(Svante Arrhenius)。顺便一提,1901年,他的同事气象学家尼尔斯·埃克霍尔姆(Nils Ekholm)第一个用“温室”一词描述大气的热量存储与再辐射。
阿伦尼乌斯在19世纪末理解了温室效应的物理学:向外辐射与辐射体的绝对温度 (T) 的四次方 (T 性感可爱丝袜女郎高清写真
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