诺贝尔奖再次结缘气候变化！气候模型表明人类二氧化碳排放造成全球变暖

北京时间10月5日下午，诺贝尔物理学奖揭晓。真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼因为“对地球气候的物理建模、可变性量化和全球变暖的可靠预测”而获奖。气候变化模型的研究主题获奖，这在很多人的意料之外。这是因为，气候学和气象学领域获得诺贝尔奖的次数屈指可数。

但实际上，这已经是诺贝尔奖第三次颁给研究气候变化问题的学者了。

第一次是在2007年，诺贝尔和平奖授予美国前副总统戈尔与政府间气候变化专门委员会（IPCC），以表彰在应对气候变化领域所作出的贡献。第二次是2018年，诺贝尔经济学奖一半授予耶鲁大学威廉·诺德豪斯（William D． Nordhaus）教授，以肯定其将气候变化要素纳入宏观经济增长的理论和模型框架。

第三次就是今年！

气候模型是一种计算机程序，旨在模拟地球气候，以了解和预测地球气候的变化。气候模型主要基于一组数学方程，这些方程描述了控制大气和海洋行为的物理规律，以及它们与地球气候系统其他部分（如陆地表面或冰盖）的相互作用。（融化的冰盖意味着更少的太阳能量被反射回太空，从而导致更多的变暖和进一步的融化等等。）

前人研究之温室效应的由来

200年前，法国物理学家约瑟夫·傅立叶（Joseph Fourier）研究了太阳对地面辐射和地面向外辐射之间的平衡。他认识到了大气在这种平衡中的作用；在地球表面，射入的太阳辐射被转化为射出的辐射，被称为“暗热” (dark heat)。大气吸收这种辐射，并被加热。大气的这种保护作用，也就是当下所谓的“温室效应”。

前人研究之确定二氧化碳的作用

关于二氧化碳影响研究的第一块重要拼图，来自瑞典研究人员和诺贝尔奖获得者斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）。为了找出冰河时代出现的原因，他进行了一项研究。研究结果表明，如果大气中的二氧化碳水平减半，足以让地球进入一个新的冰河时代。反之亦然——二氧化碳量增加一倍会使温度升高 5-6°C，这个结果在某种程度上与目前的估计非常接近。

真锅淑郎创建二氧化碳效应的先驱模型

20世纪50年代，日本大气物理学家真锅淑郎离开日本，来到美国继续研究二氧化碳含量的增加如何导致温度升高。他在20世纪60年代领导开发了物理模型，将对流引起的气团垂直输送和水蒸气的潜热也结合了进来。

为了将计算量控制在可接受的范围内，他选择将模型降至一维——描述一个40千米公里高、伸入大气的垂直长柱。尽管如此，通过改变假设的大气气体成分测试这一模型仍花费了数百个小时的昂贵计算时间。氧气和氮气对地表温度的影响可以忽略不计，二氧化碳则展现出清晰的效应。大气中的二氧化碳浓度翻倍时，全球气温会上升超过2°C。

该模型的预测显示升温只在接近地表的地方发生，而上层大气会变得更冷。因此它确认了这种升温确实由二氧化碳浓度上升引起。如果温度变化由太阳辐射变化引起，整个大气应该同时升温才对。在一维模型提供的洞见启发下，真锅在1975年发表了一个三维气象模型，这个模型成为了理解气候秘密的道路上的另一座里程碑。

克劳斯·哈塞尔曼建立新的气候模型，辨别人类影响的痕迹

众所周知，准确预测超过10天后的天气充满挑战。如何从杂乱的天气数据中得到一个气候模型，可以用遛狗来打个比方：狗子窜前跑后左蹦右跳，还会绕着你的腿转圈圈。如何利用狗的足迹来弄清你是在走路还是站着？或者你是在慢步还是小跑？狗的足迹就像是天气，而你的路线则是计算出来的气候。使用混乱的、如同噪声的天气数据，有可能对气候的长期趋势得出结论吗？

一个额外的困难是，影响气候的因素随时间的波动也是千差万别的。举例来说，整体升温1°C，对海洋来说可能需要1000年，但对大气来说只需要几个星期。哈塞尔曼的关键技巧是将天气的快速变化作为噪声纳入计算，并显示这种噪声如何影响气候。

哈塞尔曼建立了一个随机的气候模型，这意味着偶然性是内置于这个模型中的。他的灵感来源于爱因斯坦的布朗运动理论，也叫随机游走。利用这一理论，哈塞尔曼证明了快速变化的大气层可以引起海洋的缓慢变化。

气候变化的模型完成后，哈塞尔曼提出了方法，用来识别人类对气候系统的影响。结合观测和理论考量，他发现他的模型充分包含了有关噪声和信号属性的信息。举例来说，太阳辐射、火山颗粒物或温室气体水平的变化会留下独特的信号，即指纹，是可以被分离出来的。这种识别指纹的方法也可以应用于人类对气候系统的影响。哈塞尔曼因此为进一步研究气候变化扫清了道路，这些研究利用大量的独立观测数据，证实了人类影响气候的痕迹。

通过卫星测量和天气观测等手段，气候的复杂相互作用过程被更彻底地描绘出来，气候模型也因此越发完善。模型清楚地表明，温室效应正在加速；自19世纪中期以来，大气中的二氧化碳水平已增加40%。地球的大气层已有几十万年没有这么多的二氧化碳了。相应地，温度测量显示，在过去的150年里，世界已升温1 °C。

真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的研究意义

在全球气候变暖的今天，我们再也不能逃避自己的责任。气候模型明确地告诉我们，地球确确实实在升温，而且主要原因就是因为大气中温室气体的排放量在增加。这一现象并不能用自然因素来解释，人类活动就是导致温室气体过多排放的直接原因。

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