太陽風暴的氣候變化故事

　　
　　2012年1月22日，中國的農(nóng)歷正月初一，在遠離地球1.5億千米的太陽上發(fā)生了自2005年以來最強的太陽風暴（圖1）。美國國家大氣海洋局制定的太陽風暴5級標準（其中1級最弱、5級最強），這次太陽風暴的強度為3級。同地球上經(jīng)常發(fā)生的臺風、颶風和其他風暴天氣一樣，太陽表面也存在著各種“天氣”現(xiàn)象。那么，太陽上的這些“天氣”現(xiàn)象會對地球造成什么影響呢？
　　同地球上空氣每時每刻都在運動一樣，一般情況下，太陽最上層大氣也穩(wěn)定地向外空間射出由質(zhì)子和電子等組成的等離子體流。因為這些帶電粒子在宇宙空間中運動與地球大氣的流動有著相近的物理特性，因此被科學家形象地稱為“太陽風”。
　　與地球上12級臺風每秒32.5米以上的風速相比，太陽風的風速則猛烈得驚人，一般為每秒350～450千米，而在太陽風暴爆發(fā)時，速度更可高達驚人的每秒800千米，是地球上最強風暴風速的上萬倍。幸運的是，普通的太陽風所含粒子密度非常低，每立方厘米只有幾個到幾十個粒子，對地球影響幾乎可以忽略不計。而太陽風暴粒子含量較多，因此，對地球的影響就會很大。當太陽風暴射出的帶電粒子到達地球時，就會對地球磁場造成巨大影響，引起磁暴。進入20世紀以來，人們發(fā)現(xiàn)，磁暴會影響無線電接收，各種電子設(shè)備乃至大型電網(wǎng)也會受到影響，對空間站工作的宇航員健康也會帶來威脅。在磁暴期內(nèi)，曾經(jīng)發(fā)生過部分地區(qū)無線電和電視傳播中斷、北美供電系統(tǒng)停運、前蘇聯(lián)的“禮炮”號空間站脫離軌道等災(zāi)害事件。
　　但是，太陽風暴也給我們帶來了一些益處。對那些不懼嚴寒的攝影愛好者而言，太陽風暴爆發(fā)給他們帶來了絕好的藝術(shù)創(chuàng)造機遇。例如，此次太陽風暴所攜帶的大量電粒子襲擊地球，與地球磁場相互作用絢麗地引發(fā)了罕見的北極光，挪威出現(xiàn)了罕見的“鳳凰狀”極光景色（圖2）。
　　對于研究全球氣候變化的科學家而言，此次太陽風暴的爆發(fā)意義也不一般。這主要是兩方面的原因：第一，太陽是地球上一切活動（包括氣候系統(tǒng)）的終極能量來源。長期以來，研究太陽活動對地球氣候變化的影響機制一直是國際科學界的一個熱點。特別是對工業(yè)化革命以來的全球變暖原因的探究，更是引發(fā)人類活動影響占主導還是自然變化（包括太陽活動的作用）的科學論戰(zhàn)。對研究太陽活動以及太陽對地球氣候影響的科學家而言，由于此次太陽風暴代表著新太陽活動周已經(jīng)到來，并可能將在2013—2014年前后到達新的最強期，而這段時間太陽活動的日趨活躍，造成空間天氣事件頻繁出現(xiàn)的可能性增大，這給科學家們分離源于太陽和人類的氣候效應(yīng)研究提供了一個極好的時機。
　　第二，由于近年來太陽活動出現(xiàn)了一些異常表現(xiàn)，一方面可能是由其內(nèi)部所發(fā)生某種未知的變化引起，另一方面也可能預示1920年以來的強太陽活動期可能即將或已經(jīng)結(jié)束，而這都可能對未來地球環(huán)境和氣候產(chǎn)生重大影響，因此也受到全球科學家的高度關(guān)注。
　　對于太陽活動影響氣候變化的機制，科學家已經(jīng)提出了至少三種可能。包括太陽總輻射機制。通俗講，就是太陽活動造成達到地球表面總輻射能量變化，直接引發(fā)了氣候變化。根據(jù)這個機制，為了降低目前全球變暖的趨勢，國際上一些科學家提出了向太空發(fā)射面向太陽的數(shù)萬個小鏡子，阻擋太陽輻射到達地面的科學設(shè)想。而另一部分科學家提出太陽短波輻射變化機制。他們認為太陽紫外輻射變化能引起地球中高層大氣物理化學性質(zhì)的變化（比如臭氧的變化），再通過大氣系統(tǒng)內(nèi)部物理化學過程將變化傳遞到下層大氣，引發(fā)了天氣、氣候變化。第三種機制是能量粒子(包括太陽能量粒子和銀河宇宙射線)機制，該機制認為太陽活動首先影響地球空間天氣，通過對地球某些特定區(qū)域云微物理過程的影響，導致云層宏觀特征變化。這在短時間會引起包括降水、溫度等相關(guān)氣象要素的變化，而長期積累，就會引起全球云的時空分布變化，最后導致全球輻射能量平衡變化，從而引發(fā)氣候變化。
　　總之，雖然太陽長期變化會對地球氣候的形成和演變有著重要影響已經(jīng)形成了廣泛的科學共識，但是，在百年和十年這樣相對較短的時間尺度上，太陽活動對氣候的影響，尤其對近一百年來全球氣候變暖的影響如何，科學界目前還存在爭議（圖3）。隨著新的探測手段的出現(xiàn)，對太陽活動在科學認識上的進一步深化，科學家將會充分利用新太陽周到來的機遇，探明太陽—氣候之間關(guān)系，以區(qū)分源于太陽活動和人類活動的氣候效應(yīng)有關(guān)物理機制，幫助人類更好地了解和應(yīng)對全球氣候變化。
　　
　　圖2 挪威北極光
　　
　　圖3 全球年平均氣溫變化（紅線）與年平均太陽總輻射（藍線）關(guān)系