Understanding Complex Systems and Contributions to Climate Change Prediction｜複雑系の理解と気候変動予測への貢献

定理：複雑系の理解と気候変動予測への貢献（2021年ノーベル物理学賞）

歴史的重要性：
2021年ノーベル物理学賞は、複雑系と地球気候システムに関する画期的研究に授与された。真鍋淑郎とクラウス・ハッセルマンは気候の物理モデルを開発し、地球温暖化の信頼できる予測手法を確立した。ジョルジョ・パリージは、複雑で無秩序な物理系に潜む普遍的な秩序を理論的に解明し、複雑系物理学に新たな視点をもたらした。

発表者（2021年ノーベル物理学賞受賞者）：

• 真鍋 淑郎（Syukuro Manabe）
• クラウス・ハッセルマン（Klaus Hasselmann）
• ジョルジョ・パリージ（Giorgio Parisi）

生年月日：

• 真鍋 淑郎：1931年9月21日
• クラウス・ハッセルマン：1931年10月25日
• ジョルジョ・パリージ：1948年8月4日

出生地：

• 真鍋 淑郎：日本・愛媛県新居浜市
• クラウス・ハッセルマン：ドイツ・ハンブルク
• ジョルジョ・パリージ：イタリア・ローマ

主な業績（論文）：

• 真鍋 淑郎：地球温暖化の数値モデル化と大気の熱平衡に関する研究（1967年）
• クラウス・ハッセルマン：気候変動の人為的影響を検出するための統計的方法（1979年）
• ジョルジョ・パリージ：スピングラス理論および複雑系における普遍的法則の解明（1980年）

発表場所（主な所属機関）：

• 真鍋 淑郎：アメリカ合衆国・プリンストン大学
• クラウス・ハッセルマン：ドイツ・マックス・プランク気象学研究所
• ジョルジョ・パリージ：イタリア・ローマ・ラ・サピエンツァ大学

受賞：
2021年ノーベル物理学賞
「地球気候の物理モデル化、変動の定量化と温暖化の信頼性ある予測、および複雑系における無秩序と揺らぎの関係の解明」

代表的な公式：

【真鍋の1次元大気モデルに関する放射収支の方程式】

\[\sigma T_s^4 = \frac{S(1-\alpha)}{4} + \epsilon \sigma T_a^4\]

【ハッセルマンの気候信号検出モデル（最適フィンガープリント法）】

y=Xβ+u

【パリージによるスピングラスのシャーリントン・カークパトリック(SK)モデルの解】

\[q_{EA} = \lim_{t \to \infty} \langle s_i(0)s_i(t) \rangle\]

公式の説明：

• 真鍋の方程式：
  • T_s：地表面温度、T_a：大気温度、S：太陽定数、α\alpha：アルベド、ϵ\epsilon：大気の放射率、σ\sigma：ステファン・ボルツマン定数
  • この式は、温室効果ガスの濃度変化が地表温度に与える影響を定量化し、地球温暖化予測の基礎となった。
• ハッセルマンのモデル：
  • y：観測された気候変動、X：想定する外部要因のパターン、β\beta：各要因の寄与度、u：自然変動（ノイズ）
  • 気候変動の原因を統計的に特定し、人為的影響を客観的に区別する手法を提供した。
• パリージの方程式（スピングラスの秩序パラメータ）：
  • q_EA：エドワーズ-アンダーソン秩序パラメータ、s_i(t)：スピンの状態
  • 無秩序な系（スピングラス）における微視的な乱雑さの中に潜む普遍的秩序を定量化し、複雑系の理論的枠組みを築いた。

親交の深かった科学者（関連研究者）：

• 真鍋 淑郎：ジョセフ・スマゴリンスキー（Joseph Smagorinsky、数値気象予測の先駆者）
• クラウス・ハッセルマン：ハンス・フォン・シュトルヒ（Hans von Storch、気候変動解析の研究者）
• ジョルジョ・パリージ：エドワード・ウィッテン（Edward Witten、場の理論・複雑系における理論物理学者）

---

Understanding Complex Systems and Contributions to Climate Change Prediction
(2021 Nobel Prize in Physics)

Historical Significance:

The 2021 Nobel Prize in Physics recognized groundbreaking research that advanced the understanding of complex systems and climate modeling. Syukuro Manabe and Klaus Hasselmann developed physical models enabling reliable prediction of Earth’s climate change, providing a robust foundation for understanding global warming. Giorgio Parisi’s theoretical insights uncovered universal properties within complex, disordered systems, significantly advancing the science of complexity.

Laureates (2021 Nobel Prize in Physics):

• Syukuro Manabe
• Klaus Hasselmann
• Giorgio Parisi

Date of Birth:

• Syukuro Manabe: September 21, 1931
• Klaus Hasselmann: October 25, 1931
• Giorgio Parisi: August 4, 1948

Birthplace:

• Syukuro Manabe: Niihama, Ehime, Japan
• Klaus Hasselmann: Hamburg, Germany
• Giorgio Parisi: Rome, Italy

Major Achievements (Key Publications):

• Manabe: Numerical climate models of global warming and atmospheric thermal equilibrium (1967).
• Hasselmann: Statistical methods distinguishing anthropogenic climate change from natural variability (1979).
• Parisi: Solutions to spin glass theory and understanding universal phenomena in complex systems (1980).

Institutions of Major Research:

• Syukuro Manabe: Princeton University, USA
• Klaus Hasselmann: Max Planck Institute for Meteorology, Germany
• Giorgio Parisi: Sapienza University of Rome, Italy

Award:

2021 Nobel Prize in Physics
“For groundbreaking contributions to our understanding of complex physical systems, modeling Earth’s climate, quantifying variability, and reliably predicting global warming, as well as elucidating the relationship between disorder and fluctuations in physical systems.”

Representative Formulas:

Manabe’s Radiation Balance Equation (One-dimensional Climate Model):

\[\sigma T_s^4 = \frac{S(1-\alpha)}{4} + \epsilon \sigma T_a^4\]

Hasselmann’s Optimal Fingerprinting Method for Climate Change Detection:

y=Xβ+u

Parisi’s Edwards-Anderson Order Parameter (Spin Glass Model):

\[q_{EA} = \lim_{t \to \infty} \langle s_i(0)s_i(t) \rangle\]

Explanation of the Formulas:

• Manabe’s equation:
  • T_s: Earth’s surface temperature
  • T_a: Atmospheric temperature
  • S: Solar constant
  • α\alpha: Planetary albedo (reflectivity)
  • ϵ\epsilon: Atmospheric emissivity
  • σ\sigma: Stefan-Boltzmann constant
  • The equation quantifies the greenhouse effect and predicts surface temperature changes due to increasing atmospheric greenhouse gas concentrations.
• Hasselmann’s statistical model:
  • y: Observed climate changes
  • X: Expected climate patterns from external factors
  • β\beta: Factor contributions
  • u: Natural variability (noise)
  • This method statistically identifies and attributes climate change signals to human activities, separating them clearly from natural climate variations.
• Parisi’s spin glass order parameter:
  • q_EA: Edwards-Anderson order parameter, measuring persistent correlations in spin states
  • s_i(t): Spin state at site ii at time tt
  • Reveals hidden universal order amid apparent disorder in complex systems, forming the theoretical basis for understanding complexity in diverse physical systems.

Closely Associated Scientists:

• Syukuro Manabe: Joseph Smagorinsky (pioneer of numerical weather prediction)
• Klaus Hasselmann: Hans von Storch (researcher in climate dynamics and statistics)
• Giorgio Parisi: Edward Witten (theoretical physicist in field theory and complex systems)

---

複雑系を扱う気候モデルが、政治的・恣意的に感じられることもあるのは事実です。しかし、温室効果ガス（特にCO₂）が地球温暖化を引き起こしていると科学者が明確に言えるのには、政治性や主観を排除した科学的根拠が複数存在します。

① 温室効果の基礎的な物理現象

地球温暖化の原因である温室効果は、政治や主観に関係ない基本的な物理法則（赤外線の吸収と放射）に基づいています。二酸化炭素（CO₂）やメタン（CH₄）などは特定波長の赤外線を吸収し、その結果、熱が地球系に蓄積されます。
これは、実験室で再現可能な客観的な現象です。

② 長期間にわたる観測データとの一致

過去数十年間の観測データ（地表気温、海洋温度、氷河の後退など）は、人類が排出する温室効果ガス量の増加に非常に高い相関性を示しています。特に、産業革命以降のCO₂濃度の急激な増加と、温暖化トレンドが極めて明瞭に一致します。

③ 自然要因の排除と比較実験

地球の気候には確かに氷河期や間氷期という寒冷・温暖のサイクル（ミランコビッチサイクルなど）があります。しかし、現在の気候モデルは、こうした自然な寒暖サイクルや火山活動、太陽活動の変動など、自然的要因を考慮した上でも、観測されている急速な気温上昇を説明できません。

自然要因だけを考えたモデルでは、現在の急激な気温上昇は再現不可能ですが、人間活動による温室効果ガス排出を加えた瞬間、観測値と一致する結果が再現できます。
つまり、温室効果ガスが決定的な因子であることが逆に明確に浮かび上がるのです。

④ 炭素同位体による明確な証拠

大気中のCO₂には同位体比（¹²C、¹³C、¹⁴Cの割合）の違いがあり、この同位体分析により、現在大気中に増えているCO₂が、化石燃料起源のものであることが証明されています。
これは自然由来ではなく、人間活動由来のCO₂が温暖化を引き起こしているという決定的な証拠となります。

⑤ 科学的合意の強固さと検証性

IPCC（気候変動に関する政府間パネル）の報告書は、世界各国の政治的利害や思惑とは無関係に、何千という独立した科学研究を厳密な査読プロセスで評価し、再現性・検証可能性を確保しています。

---

地球の寒冷リズムの影響はないと言い切れる理由

地球の寒暖サイクル（寒冷リズム）は当然存在し、現在も起きているのですが、なぜそれが今回の温暖化の主因でないと明言できるのか、その根拠は以下の通りです。

• 周期の不一致
  ミランコビッチサイクル（数万〜数十万年単位）と現在の急速な温暖化（数十〜数百年）の時間スケールが根本的に違うためです。現代の温暖化は自然な寒暖リズムの周期性と一致しません。
• 太陽活動の低下との矛盾
  過去数十年間、太陽活動はやや低下傾向にありましたが、地球の気温はむしろ急上昇しています。つまり、太陽活動の影響とは逆方向の変化が起きているため、自然な寒暖サイクルであるとは考えにくいです。
• 過去の温暖期との比較
  過去数十万年の温暖期・寒冷期のCO₂濃度変動は現在の急増より緩やかで、現在ほど高い濃度に達したことはありませんでした。現在の濃度増加速度や水準は地質学的に前例がありません。

---

以上のように、政治や恣意的判断とは無関係に、純粋な科学的観察と検証可能な根拠によって、「現在の地球温暖化は温室効果ガスに起因するものである」という結論が裏付けられています。