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为证明人类对全球变暖影响建模

来源:科技日报2021-10-13 10:09

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  本届诺贝尔物理学奖得主克劳斯·哈塞尔曼。图片来源:诺贝尔奖委员会官网

  10月5日,即将迎来90岁生日的德国科学家克劳斯·哈塞尔曼与另两位科学家一起荣获了2021年诺贝尔物理学奖。作为享誉世界的海洋学家、气象和气候学家以及物理学家,哈塞尔曼教授走向诺奖的科学道路值得回顾。

  晶体检波器激发对物理的兴趣

  哈塞尔曼1931年10月出生于德国汉堡。大约3岁时,举家移民到了英国,住在伦敦以北30公里的小镇韦林花园城。大约13岁时,他以相当于一张电影票的价格从朋友手里买到一个晶体检波器,接上合适的电路就是一台简易的收音机。正是耳机里传来的音乐声激发了儿时的哈塞尔曼对物理学的浓厚兴趣,促使他自己去图书馆学习无线电的原理。

  1949年高中毕业后,哈塞尔曼和家人一起回到德国,在汉堡大学学习。1955年到1957年,仅仅用了不到两年时间,他就在马克斯·普朗克流体动力学研究所和哥廷根大学获得了博士学位,博士论文的重点是对各向同性湍流的基本动力学方程进行更流畅的推导。

  1961年,受著名海洋科学家沃尔特·蒙克的邀请,哈塞尔曼前往美国加州大学地球和行星物理研究所任助理教授,并参加了蒙克组织的大型海洋波浪实验。从1966年起,他担任汉堡大学地球物理和行星物理研究所的教授,以及加利福尼亚州拉霍亚·斯克里普斯海洋学研究所的教授。1975年,他担任汉堡大学地球物理学研究所所长;1975年至1999年11月,担任汉堡马克斯·普朗克气象研究所所长;1988年至1999年,担任汉堡德国气候计算中心的科学主任。

  军事演习拯救海浪研究计划

  哈塞尔曼在海洋学方面的声誉主要建立在一系列关于海浪非线性相互作用的论文之上。1968年至1969年间,哈塞尔曼获得了难得的机会,协调英国、荷兰、美国、德国等国家的有关单位进行了“联合北海波浪计划”(简称JONSWAP)。由于北约在北海进行大型海空导弹试验,JONSWAP的实验计划被迫改为1968年只做简化实验,1969年在军方资助下重做完整个实验。

  由于准备不足和通信被干扰等原因,第一次试验彻底失败,几乎没有获得多少有用的数据。幸运的是,德国国防部的资助让他们一年后可以重新进行实验。第二年,哈塞尔曼吸取教训,再次组织进行全面实验,所有设备都运行良好,获得了一个非常好的数据集。对这些数据的分析为后来开发现代波浪模型奠定了基础。几年后开发出的海浪模型WAM被全球200多个中心使用。海浪谱Jonswap迄今仍被广泛应用在海洋科学、海洋工程领域。

  哈塞尔曼说:“JONSWAP无疑是我参与过的最成功的实验。”JONSWAP的成功对哈塞尔曼的研究和发展产生了十分积极的影响,对他后来被选中担任马克斯·普朗克气象研究所所长也有帮助,因为这表明他有足够的灵活性来开发一个新的气候研究计划。

  气候研究证明人类对全球变暖的影响

  伴随着JONSWAP计划的成功,1972年,哈塞尔曼以海洋专家的身份成为全球大气研究计划(GARP)联合组织委员会的成员,并参与了后来成为世界气候研究计划的准备工作。1974年,他参加了在斯德哥尔摩召开的第一次气候会议,主持其中一个涉及海洋和气候的工作组。在随后的赫尔辛基海洋与气候会议中,他担任了会议的共同召集人。这两次会议为后来在日内瓦的会议上创建世界气候研究计划奠定了基础。

  哈塞尔曼1979年发表的关于大气响应研究中的信噪比问题,被认为是证明人类对全球变暖影响的关键一步,其重要研究贡献是气候变化检测和归因。分析气候变化时会存在很多“噪声”,也就是地球气候系统自身存在的冷暖变化,这些变化和人类活动无关。气候变化检测和归因研究证明,人类活动对气候变化的影响是可以被检测到的。哈塞尔曼在1979年的一篇论文中指出了这一点。后来有大量相关论文发表。在全球变暖科学领域,哈塞尔曼是1991年至2001年出版物获得最多参考文献引用的作者。

  此外,在开发气候模型方面,哈塞尔曼也做出了开创性工作。1976年,他开发了一个随机气候模型(哈塞尔曼模型),其中类似于布朗运动的随机波动确保了气候的可变性。他首先是使用简单的模型来展示一些关于自然气候变率的基本概念,接着构建更现实的模型,并将这些想法应用于整个气候系统,即耦合的海洋—大气环流模型。

  诺奖委员会的总结称,所有复杂系统都由许多相互作用的不同部分组成。物理学家已经对它们进行了几个世纪的研究,并且很难用数学来描述它们——它们可能有大量的组成部分,或者受偶然支配。它们也可能是混沌系统,就像天气一样,初始值的小偏差会导致后期的巨大差异。今年的获奖者都为我们加深对这类系统及其长期演化作出了贡献。地球的气候是复杂系统的众多例子之一。哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型,从而回答了为什么尽管天气是多变而混沌的,气候模型却是可靠的。他还研究出识别自然现象和人类活动在气候中留下特定信号“指纹”的方法,已被用来证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳。

  “我想解决我认为我能够解决的问题”

  哈塞尔曼说:“我想解决我认为我能够解决的问题。”他想以物理学家的身份从事一项实际的、可解决的任务,所以他投身流体动力学研究。他从理论上解决的第一个问题是海浪分量的非线性耦合问题。后来,他逐渐转向海洋学、气象学和气候研究,并取得了丰硕的成果。鉴于社会公众的需求,他甚至开发了耦合气候经济模型来确定减缓气候变化的排放路径。

  退休之后,哈塞尔曼又潜心进行量子场论、基本粒子物理学和广义相对论的研究。

  哈塞尔曼谦虚地表示,自己成功的部分主要是“挣工资的部分”。对于他自己而言,气候、海浪和卫星遥感就是这样三个典型的领域。而真正让他感兴趣的事情,是那些根本不清楚是否会成功的问题,比如湍流理论或量子现象,因为没有一条通往成功解决方案的明显道路。但对于年轻的科学家,哈塞尔曼建议,如果不认为自己是一个天才,那么就先去做一些对社会有用的研究。这能带来自由,使人能够处理长期无法解决的问题,而不必面临不断取得成果的压力。

  李 山

[ 责编:涂子怡 ]
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