为什么 2021 年诺贝尔物理学奖颁给了气象学家？他们对预测全球天气变暖做出了如何的重要工做？

​ 产物目次 2021年诺贝尔化学奖的主题

四位得奖者以其对冗杂力学控造系统的理解所做出的创始性严重奉献而撷取2021年的诺贝尔化学奖。大奖的一半由耶鲁大学的Syukuro Manabe和沃尔夫冈·狄拉克气象预报科学研究所的Klaus Hasselmann撷取，来表彰她们在火星天文情况的力学力学可视化中，定量可变性并可信地预估亚洲地域暖化所做出的严重奉献。她们的科学研究奠基了我们对火星的天文情况以及人类文明如何负面影响天文情况的认识。

另一些则是由罗马萨皮恩扎大学的Giorgio Parisi获得，因为他发现了从氢原子到木星孔径的力学控造系统中的失序和颠簸的交互感化，对失序质料和乱数过程体例论的倾覆性严重奉献而遭到奖赏。

四位生物学家的严重奉献

Syukuro Manabe是第二个摸索电磁辐射平衡和环流效应引起的信风垂曲运载之间交互感化的人，他透过数学模子排序大别列兹尼区甲烷（CO2）的含量减半，亚洲地域的情况温度会增崇高高贵过2°C。

Klaus Hasselmann 创建了一个演示天文情况的乱数数学模子，此中迟缓的天文情况变革是做为对短周期气候障碍的持续乱数敦促的整体反响。Hasselmann还透过辨识信号和噪声的人脸手艺，显示了人类文明对天文情况负面影响。

因而，以两位生物学家为代表的水蒸气监控和演示的科学研究告诉我们：

火星确实正在高涨；其高涨其原因是水蒸气中的气溶胶液体数量增加；火星高涨不克不及完全归罪于天然因素；人类文明的排放是情况温度上升的其原因。 Syukuro Manabe and Klaus Hasselmann have contributed to the greatest benefit for humankind, in the spirit of Alfred Nobel, by providing a solid physical foundation for our knowledge of Earth’s climate. We can no longer say that we did not know - the climate models are unequivocal. Is Earth heating up? Yes. Is the cause the increased amounts of greenhouse gases in the atmosphere? Yes. Can this be explained solely by natural factors? No. Are humanity’s emissions the reason for the increasing temperature? Yes.

Giorgio Parisi 透过利用复本体例体例来科学研究磁矩玻璃。从而处理了在冗杂控造系统中欧几里得阻挫的现像的科学研究问题。他的答疑了外表上的乱数现像如何被潜伏的规则所收，如今被认为是对冗杂控造系统体例论最重要的严重奉献之一。

天文情况变革相关科学研究的开展史 1822 Joseph Fourier

开展史上第二个明白提出“气溶胶液体”概念的人是法国生物学家托马斯-傅立叶（Joseph Fourier）。早在1824年，他就明白提出可能将有“气溶胶液体”的存在。

Fourier排序出，像火星如许大小的球体，在它与太阳的间隔上，若是只靠入射光热电磁辐射的负面影响来生火，应该比火星现实情况要冷得多。他在1824年和1827年颁发的该文中科学研究了察看到的附加热能的各类可能未来源。

在他的该文中，Fourier提到了Horace Bénédict de Saussure的一个尝试：在一个花瓶里铺上了发黑的软木。在软木塞中，插入了几块通明的玻璃，中间用空气间离隔。中午的阳光被允许从花瓶的顶部透过玻璃板进入。在有更多那个安装的内部隔间里，情况温度变得更高。傅立叶的结论是，水蒸气中的液体能够构成像玻璃板一样的不变屏障。那一结论可能将促成了后来利用 "气溶胶效应 "那一比方来指称决定水蒸气情况温度的过程。

1856 Eunice Foote

尤妮斯·富特（Eunice Foote ）是第一位透过尝试把甲烷和天文情况变革联络起来的生物学家。在她于1856年颁发在美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science, AAAS)上颁发的《负面影响太阳光热能的情况》（Circumstances affecting the heat of the suns rays ）的论文中初次提醒了甲烷和水蒸气在气溶胶效应中的重要感化。

在论文中的尝试中，她在将每个圆筒中放置了两个情况温度计，然后用气泵将一个圆筒中的空气抽出，在另一个圆筒中压缩。当两个圆筒到达不异的情况情况温度时，将它们放在阳光下，丈量情况温度差别。她还将容器放在阴凉处停止比力，并透过将一个圆筒脱水并向另一个圆筒加水来测试情况温度成果，以丈量枯燥与湿润空气的负面影响。她对空气、甲烷（CO2）和氢气停止了那一尝试，发现充满甲烷的管子在表露在阳光下时比其他管子更热。 她写道："含有那种液体的容器自己变得很热--比其他容器更热--并且在被[从太阳]移开时，它的冷却时间是其他的许多倍" 。Foote还指出，空气中的水分负面影响情况温度成果。

因而，Foote透过尝试证了然甲烷和水蒸气吸收热电磁辐射的感化，并假设它们可能将与天文情况变革有联系关系。

1861 John Tyndall

爱尔兰力学学家约翰·廷德尔（John Tyndall）停止了更为详细的尝试，确定了所有的次要气溶胶液体并将气溶胶效应与水蒸气中的特定液体联络了起来。

1859年，Tyndall在上个世纪由Horace Bénédict de Saussure设想的仪器的根底上，开发了一个冗杂的仪器设置，以丈量差别液体吸收的电磁辐射热的数量。他的工做表白，固然氧气、氮气和氢气对红外电磁辐射是通明的，但水蒸气、甲烷和甲烷却吸收那种电磁辐射。

Tyndall意识到，水蒸气是水蒸气中的次要气溶胶液体，而且在很大水平上解释了Fourier在1824年排序的负面影响。在1863年的一次公开演讲中，廷德尔声称：那种水蒸气关于英国的动物生命来说，是一种比衣服对人更需要的毯子。若是把遍及那个国度的空气中的水蒸气抽走一个夏夜，你必定会摧毁所有可以被冰冻情况温度摧毁的动物。我们的田野和花园的温暖将无偿地倾泻到太空中，太阳将在一个被霜冻的铁钳紧紧抓住的岛屿上升起。

This aqueous vapour is a blanket more necessary to the vegetable life of England than clothing is to man. Remove for a single summer-night the aqueous vapour from the air which overspreads this country, and you would assuredly destroy every plant capable of being destroyed by a freezing temperature. The warmth of our fields and gardens would pour unrequited into space, and the sun would rise upon an island held fast in the iron grip of frost.

John Tyndall将成果于1861年颁发在昔时的《英国皇家学会会刊》（Proceedings of the Royal Society ）上。就如许，Tyndall做为天文情况变革科学的开创人而载入史册。

1896 Svante Arrhenius

1895年，Svante Arrhenius明白提出了形成气溶胶效应的力学学原理：出射电磁辐射与电磁辐射体的绝对情况温度（T）成四次方（T⁴）。电磁辐射源的情况温度越高，射线的波长就越短。太阳的外表情况温度为6,000°C，次要发射可见光谱的射线。火星的外表情况温度只要15°C，从头电磁辐射出我们看不见的红外电磁辐射。若是水蒸气层不吸收那种电磁辐射，外表情况温度将几乎不超越-18℃。

Arrhenius在试图找出比来发现的冰期现像的其原因。他得出的结论是，若是水蒸气中的甲烷程度减半，那将足以使火星进入一个新的冰期。反之亦然--甲烷含量翻倍将使情况温度上升5-6°C。初次估量若是我们将甲烷程度进步一倍，天文情况将发作多大的变革。

Arrhenius让我们把留意力放在甲烷而不是水蒸气的其原因是，Arrhenius认识到水蒸气在几天之内就会在水蒸气和海洋中轮回，并且它在水蒸气中的含量取决于情况温度。比拟之下，甲烷不受气候的负面影响，并在水蒸气中持续存在几个世纪。增加或削减甲烷会改动火星的情况温度，那又会负面影响水蒸气中的水蒸气量，从而负面影响情况温度。那种轮回将甲烷酿成了火星恒温器上的一个控造旋钮。

他的科学研究于1896年颁发于London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 。而他的排序和现代的排序机演示的成果十分近似。

1901 Nils Ekholm

1901年，瑞典天文学家尼尔斯-埃克霍尔姆（Nils Ekholm）用 "气溶胶 "一词来描述一个星球的水蒸气层对该星球外表情况温度的加热效应。

The atmosphere plays a very important part of a double character as to the temperature at the earth’s surface, of which the one was first pointed out by Fourier, the other by Tyndall. Firstly, the atmosphere may act like the glass of a green-house, letting through the light rays of the sun relatively easily, and absorbing a great part of the dark rays emitted from the ground, and it thereby may raise the mean temperature of the earth’s surface. Secondly, the atmosphere acts as a heat store placed between the relatively warm ground and the cold space, and thereby lessens in a high degree the annual, diurnal, and local variations of the temperature.

他在论文里指出，甲烷是天文情况地量变化的次要其原因，并讨论了欧洲在过去几百年中的天文情况变革。他还揣测，因为煤炭的燃烧，水蒸气中的甲烷含量在将来一千年内可能将会增加，那将使火星暖化，并有可能将阻遏冰期的到来。

It is too early to judge of how far Man might be capable of thus regulating the future climate. But already the view of such a possibility seems to me so grand that I cannot help thinking that it will afford Mankind hitherto unforeseen means of evolution. 1938 Guy Callendar

盖伊-卡伦达（Guy Callendar）19世纪以来的情况温度丈量数据，并将那些丈量数据与水蒸气中甲烷含量的旧丈量数据联络起来，体例了第一份亚洲地域情况温度重建陈述，并估量了所察看到的变革中可能将由甲烷变革引起的部门（下图虚线）。

他得出结论，在过去的50年里，亚洲地域陆地情况温度上升，并明白提出那种上升能够解释为甲烷增加的负面影响。 Callendar评估的天文情况敏感性值为2℃， 那是在IPCC范畴的低端。

1967 Manabe & Wetherald

Manabe & Wetherald是第二个将与问题相关的所有次要力学过程（包罗环流效应）参加天文情况变革排序的人，并于1967年将排序功效颁发在Journal of Atmospheric Sciences Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity 。

她们晓得，来自太阳的电磁辐射和气溶胶效应并非负面影响火星外表情况温度的独一因素。此外，地表还因热能传导到上层水蒸气而被冷却，以及地表的水分蒸发（包罗降雨时水分固结所释放的热能）。

她们透过一种被称为 "环流调整 "的简单算法将那些负面影响纳入此中。那是她们在我们对天文情况的理解上的关键停顿：我们不克不及透过孤登时考虑外表和水蒸气的变革来排序外表情况温度的变革。

她们起首在今天的前提下测试了她们的数学模子。新计划的参加招致水蒸气层愈加温暖，从而与我们在现实世界中看到的情况更为接近。 当她们用如今和减半的甲烷含量停止尝试时，当特定的湿度被固定在如今的值时，她们得到了1.3℃的暖化，而当相对湿度被固定在如今的察看值时，她们得到了2.4℃的暖化（因而，湿度跟着情况温度的增高而增加--一个正的情况温度-水蒸气反应）。

初度之外，Manabe和Wetherald还有其他一些发现。起首，当甲烷增加一倍时，平流层的情况温度明显下降。那是甲烷增加的特征 "人脸"：环流层暖化，平流层变冷，正如我们察看到的那样。

动态开展史能够看那里： A SHORT HISTORY OF NUMERICAL WEATHER AND CLIMATE PREDICTION

相关名词解释冗杂力学控造系统 （Complex Systems)：一个冗杂的控造系统是由许多组件构成的控造系统，那些组件可能将彼此负面影响。冗杂控造系统的例子包罗火星的亚洲地域天文情况、生球体、人脑、根底设备，如电网、交通或通信控造系统、冗杂的软件和电子控造系统、社会和经济组织（如城市）、生态控造系统、生物细胞，以及最末的整个宇宙。可变性(variability): 可变性是指一组数据的分离或慎密聚类的水平。电磁辐射平衡 (radiation balance) : 火星控造系统的电磁辐射平衡是电磁辐射的入射光和散发进来成分的代数和。火星-水蒸气层的能量平衡是指从太阳传入的能量和从火星传出的能量之间的平衡。从太阳释放的能量以短波光和紫外线的形式发射出来。当它抵达火星时，一些被云层反射回太空，一些被水蒸气层吸收，还有一些在火星外表被吸收。环流效应 （convection）：透过空气或水等受热流体的运动来传递热能的过程。乱数数学模子（Stochastic Model）乱数数学模子被用来暗示乱数性，并供给决定天然多孔介量中流体活动、污染物传输和热量传递的介量参数估量。复本体例（replica trick）：在统计力学中，复本体例是科学研究失序态系统所用到的一种数学技巧，尤其用于淬火失序（Quenched disorder）的磁矩玻璃数学模子的自在能排序。磁矩玻璃（spin glass）：是磁性合金质料的一种亚不变的形态。欧几里得阻挫 （frustration）：阻挫，或称挫折，在力学学中是指，在某些特定欧几里得构造上的力学控造系统，无法同时满足所有的合作交互感化，使得控造系统具有大量简并的能态。

相关信息：

Press release: The Nobel Prize in Physics 2021 https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/press-release/Complex system https://en.wikipedia.org/wiki/Complex_system沃尔夫冈·狄拉克学会 https://zh.m.wikipedia.org/wiki/沃尔夫冈·狄拉克学会沃尔夫冈·狄拉克科学研究所是一个怎么样的存在？ https://www.zhihu.com/question/36669432THE NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2021 Popular science background: https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/popular-physicsprize2021-2.pdfhttps://twitter.com/nobelprize/status/1445325078451867651Radiation Balance https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/radiation-balanceThe Earth-Atmosphere Energy Balance https://www.weather.gov/jetstream/energyconvection https://en.wikipedia.org/wiki/Convection convection https://www.britannica.com/science/convectionhttps://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/fig2_fy_en_21_ManabesClimateModel.pdfhttps://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/fig3_fy_en_21_-carbonDioxideTemperature.pdfStochastic Model https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/stochastic-modelhttps://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/fig4_fy_en_21_fingerprints.pdfhttps://zh.m.wikipedia.org/zh-hans/复本体例https://en.wikipedia.org/wiki/Replica_trickhttps://en.wikipedia.org/wiki/Spin_glass何阻挫招致的量子电偶极液态 http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201602/t20160205_4531156.html欧几里得挫折-维基百科 - Geometrical frustration百科全书 site:ewikizh.top https://ewikizh.top/wiki/geometrical_frustrationFrustration in Complexity https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1156940https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/fig6_fy_en_21_frustration.pdfhttps://twitter.com/ed_hawkins/status/1567415655183392768Joseph Fourier https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier#CITEREFFourier1824a A Note on Fourier and the Greenhouse Effect https://www.researchgate.net/publication/282790444_A_Note_on_Fourier_and_the_Greenhouse_Effect Eunice Newton Foote’s nearly forgotten discovery https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/pt.6.4.20210823a/full/Eunice Newton Foote’s paper : https://archive.org/details/mobot31753002152491/page/381/mode/2up?view=theaterhttps://en.wikipedia.org/wiki/Eunice_Newton_Foote#Circumstances_Affecting_the_Heat_of_the_Suns_Rays 最早发现气溶胶效应的生物学家，不是他，是她？ https://zhishifenzi.blog.caixin.com/archives/252833Overlooked No More: Eunice Foote, Climate Scientist Lost to History https://www.nytimes.com/2020/04/21/obituaries/eunice-foote-overlooked.htmlA brief history of early climate science https://www.climate-lab-book.ac.uk/2010/a-brief-history/On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours, and on the Physical Connexion of ,Radiation, Absorption, , and Conduction. By John Tyndall https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rstl.1861.0001Future Calculations https://www.sciencehistory.org/distillations/magazine/future-calculationshttps://www.easterbrook.ca/steve/2017/03/the-discovery-of-the-greenhouse-effect/120 years of the ‘Greenhouse Effect’ https://blogs.egu.eu/geolog/2021/01/27/120-years-of-the-greenhouse-effect/Nils Gustaf Ekholm https://en.wikipedia.org/wiki/Nils_Gustaf_Ekholmhttps://en.wikipedia.org/wiki/Guy_Stewart_CallendarProf John Mitchell: How a 1967 study greatly influenced climate change science https://www.carbonbrief.org/prof-john-mitchell-how-a-1967-study-greatly-influenced-climate-change-science/ Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/24/3/1520-0469_1967_024_0241_teotaw_2_0_co_2.xmlThe most influential climate science paper of all time https://phys.org/news/2021-10-influential-climate-science-paper.html