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太阳11年辐射量增加0.1% 对地球或有影响重大

http://www.kexue.com 2013-01-20 09:29:44 新浪科技  发表评论

这六张图片是从太阳动力学观测站(SDO)选来的,代表着每六个月的太阳活动情况。太阳动力学观测站自从2010年5月份不断地拍摄图片以来,一直在跟踪太阳活动的上升水平,太阳活动高峰期可望在2013年到来。这些图片是在波长为171埃的极紫外光状态下拍摄的。
这六张图片是从太阳动力学观测站(SDO)选来的,代表着每六个月的太阳活动情况
1610年至2010年的400年期间,年平均爆发的太阳黑子数量。
1610年至2010年的400年期间,年平均爆发的太阳黑子数量

  从银河系的范围来看,太阳是颗极为稳定的恒星。尽管一些恒星表现出强烈的脉冲,大小及亮度会发生大幅度波动,有时甚至会爆炸,但是在11年的太阳活动周期中,我们太阳的亮度只发生了0.1%的变化,这一变化微不足道。

  然而,研究人员逐渐认识到:即使这些看来很小的变化也会对地球气候产生重大的影响。美国全国研究理事会(NRC)发布了一则新报告——《太阳活动变化对地球气候的影响》,有关太阳活动对地球的影响,报告中列出了一些极为复杂的机制。

  要想了解太阳与地球气候之间的关系,需要掌握非常宽泛的专业知识,涉及等离子物理学、太阳活动、大气化学、流体力学、高能粒子物理学等领域的知识,甚至还需要掌握地球历史学方面的知识。然而,没有任何一个研究人员拥有解决问题所需的全部知识。为了取得进展,全国研究理事会不得不将许多领域的专家集中在一个专题讨论会上。这则报告概括了他们的集体成果,真正地在多学科相互关系中提出了问题的关键所在。

  参与人员之一、科罗拉多大学大气及空间物理实验室的格雷格·柯普指出:尽管在11年的太阳活动周期中太阳亮度有所变化,总辐射量只增加了0.1%,然而这样小的变化仍然具有重大影响。“即使在特别短的时期内照射亮度上发生0.1%的变化,其影响也会超过所有其他能量来源所产生的影响总和,包括来自地球核心的自然放射能在内,”柯普说。

  太阳的极度紫外线辐射(EUV)是一个特别重要的影响因素,这种辐射往往在太阳活动峰年前后的年份达到高峰期。在波长相对较短的极度紫外线辐射期间,太阳辐射量的变化就不是小小的0.1%了,而是猛增十倍或更大,这会严重地影响到上层大气的化学成分和热结构。

  几个研究人员讨论了上层大气的变化如何转移下来影响地球表面。其实,太阳有着许多“自上而下”的影响通道。例如,戈达德太空飞行中心的查尔斯·杰克曼描述道:平流层中太阳释放的高能粒子和宇宙射线会将臭氧的水平减少几个百分点。由于臭氧吸收紫外线辐射,较少的臭氧意味着较多的太阳紫外线会到达地球表面。

  美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的艾萨克·赫尔德将这一研究推进了一步。他描述了平流层中的臭氧减少可能会改变下面大气的动力学。 “臭氧减少导致极地平流层温度的降低,极地平流层温度降低又会增加对流层顶附近的水平温度变化率,”他解释说,“这样就会通过中纬度气漩改变角动量的通量,角动量很重要,因为对流层的角动量控制着地球表面的西风带。”换句话说,通过一系列复杂的因素,太阳活动对上层大气的影响可以促使地面风暴改变轨迹。

  专题讨论会上的研究人员提出的许多机制有着一种鲁布·戈德堡机械式的性质。他们中有的根据多层大气与海洋之间的多级别相互作用进行研究,有的依靠化学进行研究,其余的依靠热力学或流体力学进行研究。这仅仅是因为问题很复杂,不代表问题不存在。

  的确是这样,国家大气研究中心(NCAR)的杰拉尔德·米尔提出了具有说服力的证据,证据表明太阳活动变化正在对气候产生持久性的影响,尤其是对太平洋地区的气候。这则报告中说:在太阳黑子峰年期,研究人员观察海面气温资料的时候,他们发现热带太平洋表现出显著的拉尼娜式气候模式,赤道附近的东太平洋地区温度几乎降低了1摄氏度。此外,报告中还说:“有迹象表明,中纬度南北太平洋地区的海平面气压高于正常水平,太平洋热带辐合带(ITCZ)和南太平洋辐合带(SPCZ)的降雨量也有所增加。”这些都跟太阳黑子周期的高峰期有关。

  太阳活动周期信号在太平洋地区反映得非常强烈,米尔及同事开始怀疑太平洋气候系统中有一种力量起到了强化信号的作用。“有关地球的气候系统之谜,其中之一就是:如果11年的太阳活动周期中拥有相对较小的波动,研究人员就会观测到热带太平洋地区气候信号的巨大变化。”他们利用超级计算机对气候进行模拟,证明了在大气和海洋的相互作用中不但需要“自上而下”的机制,还需要“自下而上”机制,才能够加强太阳对太平洋表面的影响力度。

  近些年,研究人员考虑到了太阳有可能在全球变暖中起到一定的作用。毕竟,太阳是我们地球热量的主要来源。然而,全国研究理事会的报告表明,太阳活动变化造成的影响只是局部的,而不是全球性的。太平洋地区只是其中的一个例子。

  美国国家大气研究中心的卡斯珀·阿曼在报告中指出:“地球辐射平衡被打破的时候,例如,在太阳活动周期的影响发生了变化之时,并不是所有的地点都受到相同的影响。赤道附近的太平洋中部地区温度通常会降低,秘鲁境内河流的流量会减少,美国西部气候会更加干燥。”

  美国麻省大学的雷蒙德·布拉德利研究了太阳活动的历史资料,这些资料由放射性同位素记录在树木年轮和冰芯中。他说,太阳活动对区域降雨量的影响比对气温的影响更大。“如果说太阳活动对气候的确有影响的话,这种影响会通过整体循环的变化表现出来,而不会直接影响温度信号。”这一观点跟政府间气候变化专门委员会(IPCC)的结论以及全国研究理事会以前的报告是一致的。该观点认为:在过去的50年中,太阳活动变化并没有引起全球变暖。

  研究人员认为,太阳活动跟蒙德极小期之间很可能存在许多关联。蒙德极小期是17世纪至18世纪早期缺乏太阳黑子的70年,是小冰期最冷的一段时间,当时欧洲和北美经历了极为寒冷的冬季。这种区域性的降温机制可能是太阳极度紫外线辐射量降低造成的,然而这只是推测。

  斯克里普斯海洋研究所的丹·卢宾指出:通过观测银河系其他位置的类日恒星,来确定同类严重极小期的发生频度,这是很有价值的。“对类日恒星系统中严重极小期发生频度的初步估计为10%至30%,这意味着太阳的影响可能会让人难以承受。更新的研究利用了欧洲宇航局依巴谷天体测量卫星(Hipparcos)获得的数据,适当地考虑了恒星的金属性,将上述估计数字降至不到3%。”这个数字不大,但具有重大意义。

  的确,目前的太阳可能是一个蒙德极小期开始阶段。正在进行中的第24个太阳活动周期是50多年中活动最弱的。而且,众说不一的证据显示,太阳黑子的磁场力度有长期弱化下去的趋势。国家太阳天文台的马特·佩恩和威廉·利文斯顿预计:到第25个太阳活动周期到来的时候,太阳上的磁场将会变得很弱,如果有太阳黑子形成的话,那也会是极少的。有关日震学及表面极区的独立研究倾向于支持他们的结论。(注:佩恩和利文斯顿没有参与全国研究理事会专题讨论会的活动。)

  “在这个太阳活动周期中,如果太阳真的正在进入一个我们不熟悉的阶段,那么我们需要加倍努力地来了解太阳活动与气候之间的关系,”美国国家航空航天局“与星同在计划部”的利卡·古哈萨库塔指出,“关于如何启动下一步的研究,该报告提出了一些好主意。”“与星同在计划部”资助了全国研究理事会的研究。

  在专题小组讨论结束时,研究人员找出了接下来可能要进行的几项研究。其中最重要的一项就是部署一架辐射测量成像仪。目前测量太阳辐射总量所利用的设备将所有的太阳辐射归为一个数值:将所有不同纬度、经度和波长的辐射归结为一个总辐射量。在跟踪太阳辐射输出的一系列时段中,这一综合结果成了唯一的数值。

  事实上,正如太阳物理学应用公司的彼得·福卡尔指出的那样:太阳辐射的测量比较复杂。太阳不是一个亮度统一的普通球体,相反,太阳盘面上布满了黑子造成的暗区和被称为耀斑的明亮磁泡。从根本上来讲,辐射测量成像技术可以绘制太阳表面图,揭示黑子和耀斑对太阳辐射的影响。其中,耀斑是特别有趣的。尽管在太阳活动最弱期太阳黑子往往会消失,但明亮的耀斑不会消失。这也许可以解释,为什么太阳敏感型同位素碳14和铍10的古气候记录,甚至在蒙德极小期也仅仅表现出微弱的11年周期性。将一架辐射测量成像仪部署在未来的太空观测站中,会增进研究人员的了解,他们会认识到:需要将有关太阳活动与气候关系的探究寄托于未来长期无黑子出现的时段。

  一些出席讨论会的人员强调了这一点:需要将有关太阳与气候关系的数据进行标准化编排,使之在多学科的研究中得到广泛的应用。由于太阳对气候的影响机制很复杂,来自各个领域的研究人员必须协作才能够成功地模拟出这些机制,然后再将互相矛盾的结果进行对比。国家航空航天局、国家海洋和大气局、国家科学基金会之间应该不断加强合作,这是这一研究过程的关键。

  国家航空航天局总部的气候科学家哈尔·马林研究了这则报告后指出:“讨论会成员提出了许多有趣的可能性。然而,如果说有量化分析的话,也没有量化到能够使我们确切地估计对气候影响的程度。”利用具体而完美的模拟系统使可能性变得确切起来,对于研究人员来说是一个主要的挑战。

  最后,许多参加讨论会的人们注意到,通过树木年轮和冰芯等古气候记录来揭示太阳活动与气候的关系是有难度的。地球磁场的变化和大气循环可能会影响到放射性同位素的沉积状况,这些比太阳活动的实际影响要大得多。关于太阳辐射量,更加完善的长期资料可能被记录在岩石中和月球或火星的沉积层中。研究其他星球可能会使我们掌握地球的关键信息。

  《太阳活动变化对地球气候的影响》整篇报告可以通过美国国家学术出版社网站获得。(胡德良)

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