太阳活动

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过去30年的太阳活动。

太阳活动太阳发射出的太阳辐射在总量上的变化。它们的组成有周期性的变化,主要是11年的太阳周期(或是太阳黑子周期),并且有非周期的波动。在最近的数十年中,太阳活动经由人造卫星的观测,已可经由一些前期的现象提前预测。气候科学家最有兴趣了解,若有的话,太阳活动的变化在地球上造成的影响。太阳活动对地球的影响被称为"太阳驱动力"。

在卫星时代来临前,总体太阳辐照度(TSI)的变动,虽然只是在紫外线的波长上有百分之几的差异,但始终都在检定的门槛之下。现在对总太阳输出的测量变化(涵盖最后这三个11年的太阳黑子周期)只有0.1%的差异[1][2]或是在11年黑子周期期间的峰顶对谷底大约是1.3 W/m²,而在地球大气层上层表面接收到各式各样太阳辐射的平均值为1,366W/ m²(每平方米1,366瓦)[3]。没有对较长期变异直接测量的代理测量变通的不同度量,以最近的结果建议在过去2,000年间的变动大约在0.1%[4],虽然其他来源的资料建议从1675年起的太阳辐照度增量为0.2% [5]。太阳变异和火山作用的组合可能是造成一些气候变化的起因,像是蒙德极小期

对2006年现有文献的回顾,刊登在自然,确定自1970年代中期太阳亮度没有净增值,并且在过去400年中太阳输出能量的变化不太可能造成全球性变暖的主要部份变化[6]。然而,同一份报告的作者也警告说:"除了太阳的亮度之外,来自宇宙射线和紫外线辐射对气候更微妙的影响不可能被排除。他们也补充说,因为物理模形认为这样的作用不足以开发,使得这些影响尚未能被证实" [7]

进入太阳活动研究的历史[编辑]

400年历史的太阳黑子相对数.

太阳活动变化的最长久纪录是太阳黑子的变化。太阳黑子的第一次纪录大约是在西元前800年前的中国,最老的描绘纪录约在西元1128年。在1610年,天文学家开始用望远镜纪录黑子和它们的运动,最初的研究聚焦于本质和行为[8]。然而,黑子的物理性质直到20世纪仍未能被辨认,所以观测还在持续中。在17世纪和18世纪,由于黑子的数目偏低,使得研究受到了阻碍,而现在认为是太阳活动低潮被延长的一段期间,如同所知的蒙德极小期。在19世纪之前,已经有足够长的数值纪录可以推断黑子活动的周期性。在1845年,普林斯敦大学的教授约瑟夫·亨利史蒂芬·亚历山大使用热电堆观测太阳,并且确认黑子的辐射比周围地区的太阳表面为低;稍后又观测到太阳的光斑发射出的辐射高于平均数值[9]

大约在1900年,研究人员开始探索太阳活动和地球上天气间的关联性,特别值得注意的是查尔斯·格里利·阿布特的工作,因为他在史密松宁天文物理观测所(SAO)领导观察太阳辐射的变化。它的团队必须从发明测量太阳辐射的仪器开始,之后,当他成为SAO的领导人时,他在智利卡拉玛建立太阳观测站,以补威尔逊山天文台在数据资料上的不足。他在273个月的海耳周期中找出了27个谐波的周期,包括7、13、和39个月的模式。他通过城市各个月的天气纪录,像是温度变化与降雨量与太阳活动匹配或反对太阳活动的趋势,寻找天气间的关联性。 随着树龄学的发展,像是沃尔多·S.·葛洛克等科学家注意到树木的生长和现存纪录上太阳活动周期之间的关联性,并且以长达世纪的太阳常数变化,推论千年尺度的年代学也有相似的变化[10]

统计学上的研究显示天气气候与太阳活动的关联是世纪性的,数据回推至1801年,当威廉·赫歇尔注意到麦子的价格和黑子纪录之间有明显的关联性[11]他们现在以来自表面的网络收集和气象卫星观察的数据作全球性高度密集的比对,以综合或观察研究太阳变异的作用如何通过地球气候系统散布的详细过程,并且/或强迫建立气候模型[12]

太阳活动[编辑]

太阳黑子[编辑]

图示显示太阳的活动,包括黑子的数量以及由宇宙射线产生的同位素。

太阳黑子是太阳强烈的磁场活动抑制了对流的作用,因而使得于表面温度相对较低、颜色较暗的区域。黑点的数量关联到太阳辐射的强度,在1980年代,以阿布特、Foukal等人(1977年)意识到辐射的增加值与黑子的关联性,只依据一颗卫星的观测,估计其变异是很小的(只有1 W/m²的等级或总量的0.1%)。雨云7号(在1978年10月25日发射)和太阳极大期任务卫星(1980年2月14日发射)查出,因为围绕黑子周围的区域更加明亮,整体的作用是越多的黑点意味着太阳越明亮。

曾有一些建议认为太阳直径的变化也许会导致输出的改变,但是最近的工作,主要是SOHO的米契森多普勒影像仪,显示这种变化量极为微小,大约只有0.001%(Dziembowski et al., 2001)。

各种各样的研究都应用了黑子数目来进行(因为这项纪录已延续了数百年)做为其他太阳输出活动的代理(因为最好的也只有数十年的观测资料),同样的,地面仪器与在轨道极高高度上的仪器之间也做了比对和较准。研究人员结合目前的数据和调整历史上的数据,其他代理的资料 - 像是宇宙射线产生的同位素 -被用来推断太阳磁场的活动和可能的亮度。

太阳黑子的活动已经使用沃夫数测量了300年之久,这个索引(也称为苏黎世数)使用黑子的数量和群组数量两者补偿在测量上的变化。芬兰Oulu大学Ilya Usoskin在2003年的研究指出,黑子的活动从1940年代开始比过去的1150年都要频繁[13]

重建太阳黑子的11,400年活动期间,在8,000年前曾经有明显的活跃期。

透过树龄学使用放射性碳的浓度变化,已经重建了11,400年的黑子数目。在过去70年的太阳活动水平似乎是异常的,而相似的巨大变化最后一次大约发生在8,000年前。太阳的磁性活动较过去的11,400年高出了大约10%,并且早期的高活动性期间都比现在的事件要短[14]

放射性碳纪录的太阳活动事件。近期的纪录在左边,1900年以后的数值未显示。
太阳活动事件大概的期间
事件 开始 结束
欧特极小期(参见中世纪温暖时期 1040 1080
中古极大期(参见中世纪温暖时期 1100 1250
沃夫极小期 1280 1350
史波勒极小期 1450 1550
蒙德极小期 1645 1715
道尔顿极小期 1790 1820
现代极大期 1950 持续中

历史上的太阳活动极大期与极小期表[15],也包括最大的极小期ca. 690 AD, 360 BC, 770 BC, 1390 BC, 2860 BC, 3340 BC, 3500 BC, 3630 BC, 3940 BC, 4230 BC, 4330 BC, 5260 BC, 5460 BC, 5620 BC, 5710 BC, 5990 BC, 6220 BC, 6400 BC, 7040 BC, 7310 BC, 7520 BC, 8220 BC, 9170 BC.

太阳周期[编辑]

太阳周期是太阳行为上的循环变化,许多可能的模式曾被建立起来,但在观测上只有11年和22年的周期是很清楚的被观察到。

2,300的哈尔斯塔太阳变化周期。

其他曾经被侦测到的模式:

  • 碳-14:105、131、232、385、504、805、2,241年(Damon and Sonnett, 1991)。
  • 在约2亿4千万年前的前二叠纪时期,在卡斯提尔的矿物层显示有2,500年的周期。

由于海洋对热的惰性,使受到太阳变化影响的气候敏感性产生更长周期的变化,并且减缓了变化的频率。Scafetta和West(2005)发现气候的敏感度是22年周期的1.5倍,而强制对应于11年的周期,并且热惰性使得在气候循环中的温度变化大约滞后2.2年[16]

依据模型的预测[编辑]

  • 以11年周期的二次方程为基础,以其谐振建立的一个简单模型,显示在全新世呈出现类似的行为。推测在未来的数个世纪内,气温将断断续续的略微增温,并在500年之内逐渐进入小冰期的状况。这种较低的温度也许会从现在起回归然后跟随着大约1,500年的高温期,情况与早先全新世的最高温期间相似。[17]
  • 有微弱的证据显示太阳黑子活动的变化高峰有类似90年的周期。依据这种特征预测下个2010年的太阳周期平滑曲线大约有145±30的峰值,在下一个2023年周期的峰值大约是70±30 [18]
  • 因为碳-14有类似的周期,Damon and Sonett (1989)据以预测未来的气候[19]
周期长度 周期名称 碳-14异常
接踵而来的"暖化"
232 --?-- AD 1922(低温) AD 2038
208 Suess AD 1898(低温) AD 2002
88 Gleisberg AD 1986(低温) AD 2030

地球和它表面的太阳照度[编辑]

在大气层之上和表面的太阳照度光谱。

太阳照度Solar irradiance)或日照insolation),是抵达地球阳光的总量。这种设备用来测量光学亮度、全辐射或是各种不同频率的辐射。历史上的估量曾用过许多种测量和替代的方法。

它们有两种通俗的的意义:

  • 抵达地球大气层上层的辐射。
  • 抵达地球大气层内某一定点的辐射,也包括表面。

大气层内不同的气体会吸收太阳辐射中不同的波长,云和尘埃也会有影响。因此对大气层之上的测量需要观察各种不同的太阳输出,包括会在大气层内造成混淆变化的效应。的确,有一些证据显示在最近的这50年(参见全球性黯淡)照射至地球表面的阳光可能因为大气层的污染而有所减少,而在同时期内太阳的输出几乎是恒定的。

米兰科维奇循环变化[编辑]

Milankovitch Variations.png

有些日照上的变化不是来在太阳的变化,而是因为地球接近或远离太阳,或是抵达地球的区域辐射在数量上的变化,这些会导致长期性的日照发生25%的变化(区域的,全球性平均的变动很小)。在最近影响深远的事件是在全新世气候最适度 的北半球夏季,自转轴倾斜24°


太阳与地球的交互作用[编辑]

有好几种不同的假说试图解释太阳活动对地球可能的影响。有些变化,像是太阳大小的改变,目前只在天文学的领域中有人感到兴趣。

在总辐照度上的变化[编辑]

  • 整体的亮度可能改变。
  • 在最近的周期变化中的变异量只有约0.1%。
  • 对应于太阳的变化以9-13、18-25和>100年的期间被与海洋表面温度测量值比较。
  • 因为蒙德极小期,在过去300年可能增加0.1%至0.6%,气候模型经常使用的增量是0.25%。
  • 一种重建的ACRIM资料显示在极小期的短暂期间内,输出的数值每10年有0.05%增量的趋势。这些显示太阳磁性活动和格林威治测量的黑子相对数之间有高度的交互作用Wilson, Mordvinov (2003)

在紫外线辐照度上的变化[编辑]

  • 在200至300nm的紫外线辐照度从极大期至极小期有大约1.5%的变化[20]
  • 在紫外线波长上的能量变化介入臭氧产生和损失的大气层效应。
    • 在最后这4个太阳周期期间,30 hPa大气压力的高度被观测到与太阳活动同步变化。
    • 紫外线辐照度的增加造成高臭氧产生,导致同温层的热化和在同温层和对流层风系的向极位移。
  • 替代的研究认为,因为蒙德极小期,紫外线增加了约3%。

在太阳风和太阳磁通上的变化[编辑]

  • 一个较活跃的太阳风和更强的磁场减少触击到地球大气层的宇宙射线。
  • 太阳风的活动影响到太阳圈的大小和强度,当充满太阳风的微粒时体积会增大。
  • 宇宙线制造的14C、10Be和36Cl的变动显示和太阳活动相关联。
  • 宇宙射线造成大气层上层电离的变化,但变化显然不是很明显。
  • 再过去的一个世纪,太阳日冕磁通量的倍增,使宇宙射线的通量减少15%。
  • 太阳的总磁通量在1964-1996年上升了1.41倍,而从1901年起上升了2.3倍。

云的效果[编辑]

  • 宇宙射线被假设对云的凝结核的生成有影响,而会影响到云的形成。观测上的证据认为彼此间并无关联
  • 1983-1994年间来自国际卫星云气候计划(ISCCP)的数据显示,全球性低云的形成与宇宙射线有高度的关联,但随后的交叉比对消除了这种关连性[21]
  • 经由测量由地球对月球的"地球照",在最近的太阳周期中进行了5年的测量,显示地球的反照率减少了2.5%。由卫星在较早的周期期间进行的测量也有相似的减少结果。
  • 以地中海为核心进行的浮游生物研究也显示与太阳相关的11年周期,在1760和1950增加了3.7倍。被认为与云量的覆盖率减少有关联。
  • 丹麦国家太空研究中心的Henrik Svensmark在实验室推导出宇宙射线的辐照度能产生微粒,虽然这些微粒本质上与在云层中自然构成的凝结核不同[22]

由太阳活动导致的其他影响[编辑]

太阳微粒的交互作用、太阳磁场和地球的磁场,造成行星表面的微粒和磁场的变化,极端的太阳事件可能影响电子设备。太阳磁场的衰弱相信会始抵达地球大气的宇宙射线数量增加,改变抵达地球表面的微粒种类。它被推测的一种变化认为宇宙射线可能导致地球上某种云层数量的增加,影响地球的反照率

地磁的效果[编辑]

太阳微粒与地球磁气层的交互作用。

地球的极光是与太阳风、太阳磁场、地球磁场和地球的大气层交互作用创造出来的,其中的任何变化都会影响极光的类型。

突然的变化会在地球磁场的分布上造成强烈的干扰,称为地磁风暴

太阳质子事件[编辑]

高能量的质子可能在主要的耀斑尖峰发生之后30分钟抵达地球,当发生这种太阳质子事件,地球是沐浴在来自耀斑的高能太阳微粒(主要是质子)之下。其中有些微粒会顺着地球磁场盘旋而下,击穿数层地球的大气上层,并且导致大量的大气质点电离,并且使环境中的辐射能大增。

银河宇宙射线[编辑]

太阳风和磁场创造的太阳圈围绕者太阳系。

太阳活动的增加(更多的太阳黑子)会使在" 太阳风"中电离的微粒增加,成为向外流失离开太阳的离子微粒,其中大多数都是质子和电子。地球磁场、太阳风和太阳磁场共同造成银河宇宙射线(GCR)的偏转。太阳活动减弱,渗透进对流层和同温层的GCR就会增加。GCR的微粒是电离的主要来源,终止在对流层上1公里左右(在1公里之下,氡气是许多区域造成电离的主要来源)。

GCR的水平被碳-14和铍-10的生成影响间接的记录下来。大约2300年的Hallstatt太阳周期反射在气候上的Dansgaard-Oeschger events。80-90年的Gleissberg周期再长度上取决于一并发生的11年太阳周期,并且看起来在这段时间也发生了相同的气候模式。

云的效果[编辑]

在电离上的变化影响到在气溶胶内形成云层的核种的丰度。这样的结果,电离化的水平潜在性的影响到结露、低云、相对湿度和与云有关的反照率。由大量的凝结种核形成的云比较明亮,能长期存在,并且可能产生的降雨和雪较少。3%-4%的云量变化和云顶温度的变化与太阳周期的11年和22年相关联,但GCR的水平增加却在"反平行"循环[23]。 全球平均的云遮蔽率变化在1.5-2.0%。有些研究显示GCR和云量的变化在纬度高于50°是正相关的,但在低纬度却是负相关[24]。 然而,不是所有的科学家都相信统计的结果,并且规因于太阳的其他一些变化(即,紫外线的总辐照度变化)而不是直接对GCR变动.[25][26]。在解释这些交互作用的困难在于事实上太阳的可变性太多,许多方便都在同时变化,并且一些气候系统都有延迟反应。

碳-14的产生[编辑]

太阳黑子纪录(蓝色)相对于14C(倒置的)。这儿的黑点水平和放射性碳之间的变动有约60年的延迟。

碳-14的生成(放射性碳:14C)也与太阳活动相关。碳-14是在大气上层产生的,当宇宙射线轰击大气层的氮(14N),导致氮进行β衰变,因而转换成不寻常的,原子量为14的碳同位素,而不是一般常见的原子量为12。矛盾的是,太阳活动的增加导致抵达地球大气层的宇宙射线减少,因而使14C的生成减少。这是因为宇宙射线在太阳系内会被太阳风的磁场向外排开。因而宇宙射线强度和碳-14的生成反比于活动的一般水平[27]

因此,大气层的14C在太阳黑子极大期是低值,当太阳黑子极小期时是高值。测量在树木中捕获的碳-14和记算年轮,放射性碳在木头年轮中的数量可以测量出对应的日期。过去10,000的14C重建展示出在中间-全新世的7,000年以前是高的,并且一直减少至1,000年前。除了在太阳活动上的变化之外,碳-14的升成和长期变化还受到地球磁场生物圈的影响(特别是自最后一次冰河期以来与大片植物相关联的变化)[28]

全球暖化[编辑]

自从1850年的CO2、温度、和太阳黑子活动。

研究人员的争议是太阳变化在现今的气候变化中是否扮演主要的角色[29]

IPCC提出的第三次评估报告IPCC说明被测量到的太阳光度变化远小于预测由于温室气体造成的气候变化[30] In 2002, Lean et al.[31]。声明那,"有...增加的经验证据为太阳在气候变化中扮演的角色是数个11年的循环周期","太阳活动在地球代理人(像是碳-14和铍-10宇宙放射性同位素和地磁标志)上的变化,能呈现长期(对世纪而言)的太阳照射度的变化…因为随机反应的增加随着周期的振幅,没有随着实际的世纪照射度变动。"它们认为,因为“长期气候变化也许看起来是追随着太阳活动周期的振幅”,但是当背景成份从太阳总照射度的历史重建时,太阳照射度和气候间的强制因素降至5的级数…这建议20世纪温暖的一般循环模型(GCM)也许过度高估了太阳照射度变化的角色。"最近,在2006年9月的自然杂志刊登的一篇本质上是回顾和研究的文章,认为有确实的证据显示太阳亮度的变化在全球暖化上的作用较少,长久以来太阳的输出似乎只有少量的变化[7][32]。洛克伍德和Fröhlich,在2007年发现有明确的证据显示地球在工业化之前太阳对气候的影响,,在上个世纪的前半世纪也许是一个因素,但是在工业化之后,特别是在过去的20年,所有太阳的变化都趋向使气候向相反的方向变化,但却要去解释观察到的全球平均温度上升的现象"[33]

相关条目[编辑]

参考资料[编辑]

一般参考资料[编辑]

注脚[编辑]

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外部链接[编辑]