物理群星
克

克劳斯·哈塞尔曼

Klaus Hasselmann

1931–今 · 生于德国汉堡 · 德国

热学与统计

天气是噪声,气候是这团噪声推着走出来的轨迹——他用布朗运动讲清了两者的关系

诺贝尔物理学奖 2021 对地球气候的物理建模,量化其变率并可靠地预测全球变暖

「我是物理学家,我是以物理学家的身份走进气候研究的。」

—— 2021 年诺贝尔奖官方电话采访,据英文原文译

哈塞尔曼三岁那年,全家离开德国。他父亲是社民党的经济学者与出版人,在纳粹上台后成了被迫害的对象;一家人流亡英国,靠贵格会的接济落脚,他在伦敦北边的韦林花园城长大。他后来说,英语才是他的第一母语。1949 年他回到已经分裂的德国,在汉堡读物理。

学位论文做的是湍流,博士论文做的是激波与波在界面上的反射折射。他的起点是波与流体,不是气候。

从海浪到气候

1960 年代初,他解决了一个海洋学的老问题:海面上的波不是各自独立的,它们之间会非线性地交换能量,于是整个波谱随时间演化。这套理论后来成了全世界海浪预报的核心。

做这件事需要一种特定的思维方式:不去追踪每一个浪头,而是研究谱——各种尺度上的能量怎么分布、怎么流动。

把同样的眼光转向大气与海洋,他看到了一个当时困扰所有人的问题。

天气是噪声,气候是布朗运动

真锅那一代人的模型算的是平衡态:给定二氧化碳浓度,地球最终稳定在什么温度。可现实里的气候从不安静,它自己就在不停起伏——十年、百年尺度上都有涨落。这些涨落从哪来?如果气候本来就会自己乱动,那我们凭什么说观测到的变暖不是它自己在乱动?

1976 年,哈塞尔曼给出的答案借自爱因斯坦 1905 年那篇论文。

在布朗运动里,水分子的碰撞快而杂乱,花粉颗粒重而迟钝;单次碰撞微不足道,但大量随机碰撞的累积会让颗粒走出可观的位移。气候系统是同一个结构:天气是快变量,几天就换一副面孔,相当于白噪声;海洋、冰盖是慢变量,被天气不断敲打,把这些随机的敲击累积成年代际的漂移。

写下来就是一条朗之万方程。它解释了为什么气候记录里会出现「红噪声」——低频起伏比高频强,而这不需要任何外部原因。

这个结论是一把双刃剑:它既说明气候模型的可靠性不受天气混沌的影响(两者是不同的问题),也说明「地球在变暖」本身并不能证明是人干的。

指纹

要回答后一个问题,他又提出了第二套方法。

不同的驱动因素会在气候上留下不同的花样。温室气体增加,对流层变暖而平流层变冷;太阳输出增强,两层一起变暖;大火山喷发造成短暂的全球降温,且在特定纬度上最明显。这些空间与时间上的花样就是「指纹」。

把观测数据投影到各个指纹上,就能算出每种驱动各自贡献了多少——这是一个信噪比问题,和雷达从杂波里认出目标是同一类数学。1979 年他提出最优检测的想法,1993 年推广到时空数据。

今天 IPCC 报告里那句「观测到的变暖极有可能主要由人类活动造成」,技术上就站在这套方法上。

「二三十年后的事,现在就得回应」

2021 年 10 月的电话打来时,他完全没想到。他说自己是个物理学家,是以物理学家的身份走进气候研究的。

被问到最急需什么,他的回答很直接:行动。而最大的困难在于,要让人们相信一件二三十年后才会发生的事,现在就得回应。

那时距他和同代人第一次发出警告,已经过去将近五十年。

代表方程

随机气候模型

dxdt=−λx+σ η(t)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = -\lambda x + \sigma\,\eta(t)

把快变的天气当成白噪声 η(t),把慢变的气候量(海温、冰盖)当成被它不断敲打的重粒子,方程的形式就是布朗运动那一条。结论很关键:即使没有任何外部驱动,气候也会自己产生长时间尺度的起伏——所以「气候在变」本身不等于「人类造成的」。要证明后者,必须另想办法。

最优指纹法

d=∑iβi fi+n\mathbf{d} = \sum_i \beta_i\,\mathbf{f}_i + \mathbf{n}

观测到的气候变化 d,写成若干「指纹」f 的线性组合加上噪声 n。每种驱动——温室气体、火山灰、太阳活动——在空间与时间上留下的花样不同:温室气体让对流层暖、平流层冷,太阳变强则两层同时变暖。把观测投影到各个指纹上求出系数 β,就能回答「这次变暖里各家占多少」。这套方法是 IPCC 归因结论的技术底座。

伟大发现