一個(gè)古老的話題：太陽(yáng)、地球和天氣

李澤椿 諶蕓 張峰 權(quán)婉晴 王月冬

太陽(yáng)活動(dòng)研究歷史

太陽(yáng)活動(dòng)變化的最長(zhǎng)久記錄是太陽(yáng)黑子的變化。太陽(yáng)黑子的第一次記錄大約是在公元前800年前的中國(guó)，最老的描繪記錄約在公元1128年。1610年，天文學(xué)家開(kāi)始用望遠(yuǎn)鏡記錄黑子和它們的運(yùn)動(dòng)，最初的研究聚焦于本質(zhì)和行為。17、18世紀(jì)，由于黑子數(shù)目偏低，使得研究受到了阻礙。但在19世紀(jì)之前，已經(jīng)有足夠長(zhǎng)的數(shù)值記錄可以推斷黑子活動(dòng)的周期性。

?用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)

?在北極監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)

1801年，一個(gè)名叫赫謝耳（Herschel）的歐洲人推測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)可能與地球氣候之間存在聯(lián)系，并得出太陽(yáng)黑子少時(shí)地球上降水量少的結(jié)論。這是關(guān)于太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候影響的最早論述。在隨后的200年里，人們找到很多支持證據(jù)，表明太陽(yáng)活動(dòng)與某些氣候要素之間具有良好的相關(guān)性。譬如，太陽(yáng)黑子持續(xù)異常減少的蒙德極小期（1645年至1715年）在時(shí)間上正好對(duì)應(yīng)于西歐“小冰期”的低谷期、北半球陸地表面溫度與太陽(yáng)活動(dòng)周期長(zhǎng)度之間具有很強(qiáng)相關(guān)性。

大約在1900年，研究人員開(kāi)始探索太陽(yáng)活動(dòng)和地球上天氣間的關(guān)聯(lián)性，特別值得注意的是阿布特的工作。他的團(tuán)隊(duì)從發(fā)明測(cè)量太陽(yáng)輻射的儀器開(kāi)始，之后，他在智利的卡拉瑪建立太陽(yáng)觀測(cè)站，以彌補(bǔ)威爾遜山天文臺(tái)在數(shù)據(jù)資料上的不足。他通過(guò)城市各個(gè)月的天氣記錄，如溫度與降雨量變化等和太陽(yáng)活動(dòng)成正相關(guān)或反相關(guān)的趨勢(shì)，來(lái)尋找太陽(yáng)活動(dòng)與天氣間的關(guān)聯(lián)性。隨著樹(shù)木年輪氣候?qū)W的發(fā)展，科學(xué)家們注意到樹(shù)木的生長(zhǎng)和現(xiàn)存記錄上太陽(yáng)活動(dòng)周期之間的關(guān)聯(lián)性，并且以長(zhǎng)達(dá)數(shù)世紀(jì)的太陽(yáng)常數(shù)變化，推論千年尺度的年代學(xué)變化與之相似。

太陽(yáng)活動(dòng)是地球天氣與氣候形成的原因

地球的絕大多數(shù)能量來(lái)自太陽(yáng)，地?zé)崮?、火山能等其他能量的總和只有太?yáng)輻射能的1/10000。地球上大氣環(huán)流的直接能量來(lái)源是下墊面的加熱、水汽相變的潛熱加熱和大氣對(duì)太陽(yáng)短波輻射的少量吸收，但其最終來(lái)源還是太陽(yáng)輻射。

太陽(yáng)輻射將能量傳遞給地球下墊面。地球不同緯度接受太陽(yáng)輻射能量的差異造成了從赤道到兩極的地表溫度和大氣溫度差異，而地球海陸分布差異也帶來(lái)不同區(qū)域吸收太陽(yáng)輻射能量的差異，占地表面積71%的海洋吸收了大部分的太陽(yáng)輻射能，成為地球大氣最重要的熱源。

上述溫度差異造就了地表附近的冷暖氣團(tuán)，同時(shí)也激發(fā)了大氣產(chǎn)生環(huán)流，進(jìn)而促使冷暖氣團(tuán)交匯，引起降水、寒潮、大風(fēng)等天氣。由于氣溫與降水的分布差異，地球不同區(qū)域也就有了不同的氣候。

?地球的絕大多數(shù)能量來(lái)自太陽(yáng)

?冷暖氣團(tuán)交匯引起降水、寒潮、大風(fēng)等天氣

太陽(yáng)活動(dòng)引發(fā)地球天氣的變化

研究結(jié)果顯示，太陽(yáng)活動(dòng)和地球溫度的變化具有共同的周期性;同時(shí)，太陽(yáng)活動(dòng)和溫度變化之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系。全球平均氣溫的變化受太陽(yáng)活動(dòng)調(diào)制。在分析萬(wàn)年尺度的重構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的規(guī)律：太陽(yáng)黑子數(shù)與南極局地氣溫有4個(gè)共同變化周期，并且太陽(yáng)黑子的變化領(lǐng)先于地球溫度的變化，而大氣中CO2含量的變化則滯后于溫度的變化。太陽(yáng)黑子11年周期與中國(guó)夏季氣溫呈明顯的雙振動(dòng)現(xiàn)象，即在太陽(yáng)黑子的峰、谷值年附近，夏季大范圍氣溫偏低;而在峰、谷值年之間的年份，夏季大范圍氣溫偏高。1951年以來(lái)，中國(guó)東北地區(qū)出現(xiàn)的6個(gè)嚴(yán)重低溫冷害年，其中就有5年在太陽(yáng)黑子的峰、谷值年附近。20世紀(jì)80年代以來(lái)，全球變暖，東北地區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的低溫冷害，但在4個(gè)太陽(yáng)黑子的峰、谷值年中，有3年?yáng)|北大部地區(qū)夏季溫度比常年偏低。

另外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，亞寒帶許多樹(shù)齡很高的樹(shù)木的年輪恰恰有著與太陽(yáng)黑子活動(dòng)11年周期相對(duì)應(yīng)的、有規(guī)律的疏密變化。同時(shí)從統(tǒng)計(jì)資料中發(fā)現(xiàn)，凡是太陽(yáng)黑子活動(dòng)的高峰年，地球上特異性的反常氣候出現(xiàn)的機(jī)率就明顯地增多;相反，在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的低峰年，地球上的氣候就相對(duì)比較平穩(wěn)。

針對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的另一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)在于太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)全球變暖的影響。據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告稱(chēng)，太陽(yáng)活動(dòng)11年的周期性變化可以解釋全球溫度波動(dòng)值在太陽(yáng)活動(dòng)峰谷期之間為何為0.1℃左右。在20世紀(jì)初，太陽(yáng)活動(dòng)的長(zhǎng)期增長(zhǎng)趨勢(shì)以及內(nèi)部變率、溫室氣體的增加和火山活動(dòng)的間斷等，都可能會(huì)放大這一周期內(nèi)的升溫情況。最近的模式研究結(jié)果也表明：20世紀(jì)上半葉，全球增暖主要?dú)w因于自然因素，其中相當(dāng)程度上源于太陽(yáng)影響的增加;而20世紀(jì)下半葉和21世紀(jì)初，增暖主要是由于溫室氣體排放。而對(duì)于最近20年的情景，甚至有研究認(rèn)為，太陽(yáng)活動(dòng)可能對(duì)氣候起到一個(gè)弱的降溫作用。

?樹(shù)木年輪與太陽(yáng)黑子活動(dòng)11年周期也有關(guān)聯(lián)

?太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射等都會(huì)影響地球天氣氣候

?全球大氣環(huán)流

太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球天氣影響機(jī)制研究

三種時(shí)間尺度

目前關(guān)于太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候的影響，主要存在三種不同時(shí)間尺度上的研究：（1）與太陽(yáng)活動(dòng)長(zhǎng)周期變化相關(guān)的地球氣候的改變，主要探索地球上接收到的太陽(yáng)輸出能量的長(zhǎng)期變化與幾百至幾千年氣候變化之間的關(guān)系;（2）與11年太陽(yáng)活動(dòng)周期有關(guān)的中周期氣候變化，主要研究地球上氣壓、溫度、降水、雷暴等氣象參數(shù)與太陽(yáng)黑子周期的相關(guān)性;（3）與瞬變太陽(yáng)事件有關(guān)的幾天時(shí)間尺度的天氣變化，主要研究直接或間接的太陽(yáng)擾動(dòng)（如耀斑、地磁擾動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)特性的短期變化、行星際磁場(chǎng)扇形結(jié)構(gòu)等）與氣象參數(shù)（如氣壓、環(huán)流形勢(shì)、雷暴、渦旋面積指數(shù)等）短期變化之間的關(guān)系。早期的統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，500百帕（hPa）等壓面的平均高度在太陽(yáng)耀斑前后發(fā)生了明顯的改變，雷暴活動(dòng)似乎也與太陽(yáng)耀斑事件存在某些相關(guān)性。

太陽(yáng)活動(dòng)影響機(jī)制

目前，通過(guò)一系列的分析研究，在關(guān)于太陽(yáng)活動(dòng)影響天氣氣候變化方面，學(xué)術(shù)界已有了一些初步看法，但尚未形成完整的理論。歸納起來(lái)，可以將它們概括為直接影響和間接影響。具體有如下幾種可能途徑：

太陽(yáng)活動(dòng)→太陽(yáng)輻射量→地表溫度→大氣環(huán)流→天氣氣候變化。這是最直接的影響方式。11年太陽(yáng)活動(dòng)周期輻射量變化對(duì)地表溫度的影響為0.07開(kāi)爾文（K），與全球平均海平面溫度（SST）變化（0.08K±0.02K）尺度相當(dāng)。然而不同地區(qū)的局地溫度變化要遠(yuǎn)大于全球平均，這表明其中包含一定的反饋強(qiáng)化機(jī)制，如對(duì)哈德雷環(huán)流與沃克環(huán)流的影響造成更大的溫度變化。

太陽(yáng)活動(dòng)（特別是宇宙線加強(qiáng)）→地球大氣電離程度→大氣經(jīng)圈環(huán)流→天氣氣候變化。一些觀測(cè)研究已表明，在太陽(yáng)黑子的高峰期，地球大氣的電離程度比較強(qiáng)，尤其是在高緯度地區(qū)。這樣，在電磁場(chǎng)的作用下，高緯度大氣電離化的增強(qiáng)將導(dǎo)致高緯度地區(qū)大氣直接經(jīng)圈環(huán)流的加強(qiáng)。經(jīng)圈環(huán)流的加強(qiáng)，將使空氣的南北交換加強(qiáng)，大氣活動(dòng)中心會(huì)明顯增強(qiáng)，全球的降水量也可能增多。同時(shí)，地球大氣電離程度的變化還必然引起高層大氣中離子含量的改變，高離子含量的空氣被帶到對(duì)流層，可能影響到云和降水過(guò)程。

?太陽(yáng)紫外輻射間接影響地球天氣氣候

?太陽(yáng)活動(dòng)引起地球磁場(chǎng)的變化

太陽(yáng)活動(dòng)→紫外輻射→臭氧層→平流層熱狀況→天氣氣候。與太陽(yáng)總輻照度的變化幅度相比，紫外輻射的波動(dòng)要大很多，可以達(dá)到6%～8%。紫外輻射對(duì)加熱平流層和臭氧尤其重要。衛(wèi)星觀測(cè)表明，平流層上層的臭氧混合比與太陽(yáng)輻射加熱有明顯的正相關(guān)，太陽(yáng)輻射加熱強(qiáng)，在2百帕（hPa）高度處的臭氧混合比就高。在這樣的情形下，太陽(yáng)活動(dòng)（太陽(yáng)黑子）所引起的輻射量（尤其是紫外輻射）的增加將使得平流層的臭氧量及其分布發(fā)生變化，從而引起平流層熱狀況的變化，進(jìn)而引起平流層溫度場(chǎng)的變化，改變平流層大氣環(huán)流，并通過(guò)行星波的垂直傳播以及對(duì)流層平流層的耦合機(jī)制影響對(duì)流層的大氣環(huán)流，最終引起天氣氣候的變化。例如，平流層接收到的紫外輻射減小時(shí)，平流層風(fēng)力降低，急流也就相應(yīng)減弱，從而使天氣系統(tǒng)滯留時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致極端天氣事件發(fā)生。

太陽(yáng)活動(dòng)→地球磁場(chǎng)→地球自轉(zhuǎn)速度（或地磁能量）→大氣和海洋環(huán)流→天氣氣候。太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)引起地球磁場(chǎng)的變化，地球磁場(chǎng)的變化將引起地球外核流動(dòng)的改變，而外核流動(dòng)的改變通過(guò)核幔耦合作用，包括電磁耦合、粘性耦合、熱力耦合和地形耦合等過(guò)程，又將對(duì)地幔產(chǎn)生影響，然后又引起地球自轉(zhuǎn)速度（日長(zhǎng)）的變化。地球自轉(zhuǎn)速度的變化，通過(guò)地球與大氣和海洋的角動(dòng)量交換將引起大氣環(huán)流和海洋環(huán)流的變化，最終影響天氣氣候。同時(shí)，地磁場(chǎng)的變化也將引起核幔邊界上地磁能量的改變，這種能量通過(guò)一定方式傳到地面也可以影響氣候變化。

然而，太陽(yáng)活動(dòng)和地球氣候系統(tǒng)都是高度復(fù)雜的體系，太陽(yáng)變化影響地球天氣和氣候的機(jī)制，是一項(xiàng)很古老、涉及領(lǐng)域很寬廣的交叉學(xué)科，同時(shí)也是一個(gè)十分復(fù)雜而難以解決的問(wèn)題，它涉及太陽(yáng)-行星際空間-磁層-電離層-低層大氣之間的各種耦合過(guò)程。目前，科學(xué)家們僅僅做了一些簡(jiǎn)單的分析，尚未達(dá)到定量評(píng)估的深度。要進(jìn)一步探索太陽(yáng)活動(dòng)與地球天氣之間的聯(lián)系，還需要空間學(xué)家和氣象、氣候?qū)＜疫M(jìn)一步合作來(lái)回答。