這一研究和此前科學(xué)家所認(rèn)為的太陽(yáng)輻射與地球溫度的正比關(guān)系完全相反，而目前太陽(yáng)正在走出平靜期，進(jìn)入下一個(gè)活躍周期，根據(jù)新的研究，太陽(yáng)有可能會(huì)減緩接下來(lái)的全球變暖趨勢(shì)。政府間氣候變化組織(IPCC)的下一份報(bào)告中，將首次把太陽(yáng)活動(dòng)的影響列入氣候模型中。
1 最新研究 新結(jié)論挑戰(zhàn)舊認(rèn)知
太陽(yáng)活動(dòng)有著自己的周期，其中最為人熟知的一條就是由德國(guó)業(yè)余天文學(xué)家施瓦布在1843年發(fā)現(xiàn)的“11年周期”(實(shí)際平均長(zhǎng)度為11.1年)。在相鄰的兩個(gè)周期，太陽(yáng)黑子的磁極極性相反。在兩次周期之間，各種日面現(xiàn)象的變化也像黑子一樣有著兩次高潮和兩次低潮。自21世紀(jì)開(kāi)始，太陽(yáng)進(jìn)入低潮期，黑子大量減少，非常平靜，而從去年開(kāi)始，太陽(yáng)開(kāi)始走出這個(gè)周期，變得活躍起來(lái)。而從一個(gè)更長(zhǎng)的以百年記的周期看，太陽(yáng)正在進(jìn)入一個(gè)長(zhǎng)周期的高峰期。
此次發(fā)表在《自然》雜志上的研究論文《太陽(yáng)光譜變化對(duì)氣候輻射力影響》就立足于針對(duì)2004年到2007年太陽(yáng)低潮期的觀察。研究者對(duì)一個(gè)名為“太陽(yáng)輻射和氣候變化”(SORCE)的衛(wèi)星收集的太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這個(gè)衛(wèi)星主要負(fù)責(zé)收集太陽(yáng)能量的數(shù)據(jù)，包括X射線、紫外線、可見(jiàn)光和近紅外線范疇的輻射。
基于數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)平靜，輻射減少的時(shí)候，地表附近的輻射強(qiáng)迫反而增加了。研究者推測(cè)，今后太陽(yáng)活動(dòng)增加時(shí)，可能會(huì)降低地球溫度。這一影響將被寫入現(xiàn)有的大氣變化模式中。
這次研究的通訊作者、英國(guó)帝國(guó)學(xué)院的大氣物理學(xué)家海因(Joanna Haigh)在接受本報(bào)記者郵件采訪時(shí)解釋說(shuō)：太陽(yáng)活躍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)更多的太陽(yáng)輻射，這一點(diǎn)在1978年的時(shí)候衛(wèi)星已經(jīng)探測(cè)得知了。太陽(yáng)輻射對(duì)地球大氣的熱結(jié)構(gòu)和成分起了決定性因素。但太陽(yáng)輻射和底層大氣與地面溫度之間并不一定存在正比關(guān)系。“這個(gè)結(jié)果挑戰(zhàn)了我們現(xiàn)在對(duì)‘太陽(yáng)對(duì)大氣影響’問(wèn)題的認(rèn)知。”她說(shuō)。
太陽(yáng)活動(dòng)減少時(shí)，太陽(yáng)輻射也同時(shí)減少，但是，因?yàn)樘?yáng)光有著不同的輻射種類，會(huì)隨著大氣成分發(fā)生相應(yīng)的變化，造成的影響也很不一樣。這一點(diǎn)，目前科學(xué)界的研究還相對(duì)很少。
2 反射吸收 大氣讓陽(yáng)光全變樣
任何物體都會(huì)發(fā)出輻射，物體的溫度越高，輻射也越強(qiáng)?？茖W(xué)家假想了一種名為“黑體”的理想狀態(tài)。它可以吸收所有的入射輻射。太陽(yáng)光球?qū)拥臏囟燃s5800K，接近理想狀態(tài)的黑體，它放射出的能量集中在波長(zhǎng)較短的波段，其中抵達(dá)地球表面最大的輻射集中在可見(jiàn)光部分。相比之下，如果沒(méi)有大氣的話，地球的平均溫度只有255K(-18℃)。所以，地球放射的輻射主要在較為長(zhǎng)的波段，而太陽(yáng)輻射則是短波輻射。
如果沒(méi)有大氣的話，太陽(yáng)的能量無(wú)法在地球保存下來(lái)，大氣使全球平均溫度增加了33℃，是生命得以存在的基礎(chǔ)之一。同樣，如果沒(méi)有大氣的話，太陽(yáng)輻射對(duì)地球的影響將是十分簡(jiǎn)單明了的，正是因?yàn)槎嘧兊拇髿獾拇嬖冢?yáng)輻射和氣候變化之間的關(guān)系也變得極其復(fù)雜，難以琢磨。
盡管以短波輻射為主，但太陽(yáng)輻射是一個(gè)很廣泛的概念，它包括了各種電磁輻射，其中最主要的是波長(zhǎng)較短的紫外線、波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線和處于兩者之間的可見(jiàn)光。太陽(yáng)光中的近紅外線占了約一半，可見(jiàn)光也占約一半，紫外線只有1%。這三種主要輻射對(duì)地球萬(wàn)物的生長(zhǎng)，以及各種能源的產(chǎn)生都起了決定性作用。
長(zhǎng)波輻射有增熱效應(yīng)，紅外線可以使地球上的溫度升高?？梢?jiàn)光是生命的來(lái)源，植物在光合作用下將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲(chǔ)存在有機(jī)物中，所以我們的化石能源都來(lái)自太陽(yáng)。
紫外線對(duì)生物細(xì)胞有殺傷性和引起突變的作用。距離地球約4.5萬(wàn)千米的大氣上層，有一層臭氧層保護(hù)了人類，大部分的紫外線都被這些臭氧吸收。地球大氣吸收了大部分進(jìn)入太陽(yáng)的輻射，經(jīng)過(guò)大氣后的太陽(yáng)輻射僅存三分之一，其光譜分布也發(fā)生了變化。大氣對(duì)太陽(yáng)輻射可以選擇性吸收，又稱為“大氣削弱作用”。一些光譜較短的輻射會(huì)被一些氣體吸收，除了紫外線被臭氧和氧吸收之外，水汽有很強(qiáng)的吸收紅外線的能力，而大氣中的二氧化碳則不僅吸收太陽(yáng)的長(zhǎng)波，而且吸收了大量地球表面輻射的長(zhǎng)波輻射，聚集了大量的能量。由此造成的“溫室效應(yīng)”使地球成為一個(gè)溫暖的星球，但隨著二氧化碳排放的增加，地球溫度比平均值略高。根據(jù)IPCC報(bào)告，自工業(yè)革命以來(lái)，全球地表溫度增加了0.74℃左右，在過(guò)去的30年中，地球溫升幅度為平均每10年0.13℃左右。
3 效果評(píng)估 或許只是意外情況
太陽(yáng)輻射中能夠穿越大氣層到達(dá)地面的，大部分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見(jiàn)光和近紅外線輻射。大氣底層升溫的主要原因是地表釋放的長(zhǎng)波輻射被溫室氣體吸收，也就是常說(shuō)的溫室效應(yīng)。根據(jù)約娜等人的研究，2004年到2007年，正處于太陽(yáng)低谷時(shí)期，按照此前認(rèn)知，這時(shí)的太陽(yáng)輻射應(yīng)該會(huì)減少。數(shù)據(jù)顯示，紫外線輻射確如預(yù)期的一樣減少了。
不過(guò)，研究小組發(fā)現(xiàn)，與2004年相比，2007年太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度更弱，但抵達(dá)地球?qū)α鲗拥奶?yáng)能量?jī)糁祬s比2004年的多。也就是說(shuō)，當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)減弱的時(shí)候，到達(dá)地球表面的可見(jiàn)光卻增多了，從而促使地球表面溫度上升。分析背后的原因，科學(xué)家們目前認(rèn)為是與紫外線減少對(duì)臭氧層的改變有關(guān)。紫外線波長(zhǎng)范圍的輻射改變了大氣中的分子分布，引起了一系列化學(xué)反應(yīng)，尤其在臭氧所在的平流層發(fā)生了尚不為人知的反應(yīng)，這進(jìn)一步導(dǎo)致了大氣中層熱量的增多，使得可見(jiàn)光和近紅外線范疇的輻射到達(dá)并加熱了大氣下層和地球表面。
根據(jù)這份研究，2004到2007年，當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)減緩時(shí)，反而間接導(dǎo)致了地表溫度的增加。不過(guò)，這份研究并沒(méi)有推翻目前全球主流科學(xué)家認(rèn)可的地球暖化是人類活動(dòng)造成的結(jié)論。約娜指出，這個(gè)結(jié)果改變了我們對(duì)太陽(yáng)對(duì)地球氣候影響的看法，不過(guò)現(xiàn)在他們觀察到的僅僅是太陽(yáng)活動(dòng)影響氣候的一瞥。短短三年時(shí)間的數(shù)據(jù)并不能代表整體的趨勢(shì)，這可能只是意外情況而已。
“我們不能僅僅通過(guò)一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)期就做出結(jié)論。”但她同時(shí)表示，如果接下來(lái)的其他研究也發(fā)現(xiàn)在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)也出現(xiàn)了同樣的模式，可能意味著人們的確忽視了太陽(yáng)在地球暖化中起的作用。
早先的IPCC報(bào)告也提到太陽(yáng)因素對(duì)地球增溫的影響，但太陽(yáng)輻射的變化非常小，在整個(gè)11年周期中只變化了千分之一，因此舊的全球氣候變化模式并沒(méi)有將這一因素考慮進(jìn)去。參與撰寫IPCC報(bào)告太陽(yáng)部分的約娜表示，放到在百年周期中，太陽(yáng)輻射的變化就會(huì)增加至百分之十幾的水平。這個(gè)影響是可以測(cè)量的。“它或許對(duì)20世紀(jì)初的全球變暖起了10%-20%的影響，可是它并沒(méi)有導(dǎo)致當(dāng)時(shí)地球明顯的增溫。”
太陽(yáng)是地球能量的最主要來(lái)源，太陽(yáng)的周期變化，無(wú)論是長(zhǎng)期的還是短期的，都帶動(dòng)了全球氣候和氣象產(chǎn)生變化。但放在討論全球氣候變化的今天，氣候變化的太陽(yáng)因素到底有多大，這成為了目前科學(xué)界最棘手的問(wèn)題。
研究進(jìn)展 越來(lái)越受重視的因素
太陽(yáng)雖然身為恒星，卻也并非亙古不變。它于大約46億年前誕生，成長(zhǎng)至今，還會(huì)逐漸衰老，最終死去，成為一顆紅巨星或白矮星。太陽(yáng)的長(zhǎng)期變化首先對(duì)地球氣候產(chǎn)生了影響。30億至40億年前，太陽(yáng)所放射的能量只有今天的70%。在之后的漫長(zhǎng)歲月中，太陽(yáng)能量輸出增加，地球大氣成分也發(fā)生了改變。大約24億年前，地球因此發(fā)生了明顯的變化。
與此同時(shí)，太陽(yáng)的周期變化，也影響了地球氣候?？茖W(xué)家考察地球氣候變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)的“蒙德極小期”(即太陽(yáng)活動(dòng)非常衰弱的時(shí)期)和地球上一個(gè)小冰河期的最低氣溫存在著聯(lián)系。也有很多科學(xué)證據(jù)顯示，20世紀(jì)上半時(shí)期的溫度受到了太陽(yáng)活動(dòng)周期的影響。
從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，地球氣溫上升的問(wèn)題成了一個(gè)全球性話題。科學(xué)界主流意見(jiàn)認(rèn)為，全球氣候變化是由于進(jìn)入工業(yè)化之后因人類活動(dòng)導(dǎo)致。這成了當(dāng)今決策者們最重要的科學(xué)依據(jù)。
不過(guò)，盡管“人為因素導(dǎo)致氣候變化”已成為結(jié)論性判斷，但在太陽(yáng)科學(xué)領(lǐng)域，還是存在一些細(xì)節(jié)上的討論，比如氣候變化是否也有太陽(yáng)因素在其中，如果有，其是加劇還是減緩氣候變暖，影響到底有多大———這些問(wèn)題始終被完全不同的觀點(diǎn)所包圍。有時(shí)，同樣的數(shù)據(jù)甚至可能產(chǎn)生完全不同的結(jié)論。此前的IPCC報(bào)告雖然簡(jiǎn)單地提及了全球變化中的太陽(yáng)因素，但并未放入正在研究中的大氣變化模式中。這一情況引起了很多太陽(yáng)科學(xué)家的批評(píng)，指該報(bào)告對(duì)太陽(yáng)的重視程度不夠，或沒(méi)有充分聽(tīng)取各方太陽(yáng)專家的意見(jiàn)。
然而最近幾年，越來(lái)越多對(duì)于太陽(yáng)和地球氣候關(guān)系的研究出現(xiàn)，無(wú)論是歷史比較還是衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析，越來(lái)越多太陽(yáng)因素與地球氣候變化關(guān)聯(lián)的證據(jù)出現(xiàn)，這也使得研究全球變化的人開(kāi)始逐漸重視起太陽(yáng)因素來(lái)。
關(guān)聯(lián)機(jī)制 究竟是巧合，還是有規(guī)律？
“太陽(yáng)本身的平均變化輻射到地球上基本是比較穩(wěn)定的，但是太陽(yáng)自身的活動(dòng)周期會(huì)對(duì)地球的天氣產(chǎn)生一定的影響。原先的研究認(rèn)為這種影響不大，把人類活動(dòng)的影響考慮比較多一點(diǎn)，但考察上幾百年，甚至幾千年的活動(dòng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)地球上的氣候甚至很多自然災(zāi)害和太陽(yáng)活動(dòng)都有關(guān)系。”中科院云南天文臺(tái)首席太陽(yáng)科學(xué)家林雋說(shuō)。
在中國(guó)，當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)處于極小年的時(shí)候，黃河、長(zhǎng)江流域常會(huì)發(fā)生大旱。“2006年以來(lái)，太陽(yáng)進(jìn)入了非常不活躍的時(shí)期，這個(gè)時(shí)期對(duì)應(yīng)著中國(guó)大旱及很多非常惡劣的天氣條件。”林雋說(shuō)。當(dāng)年，云南發(fā)生百年不遇大旱，美國(guó)則出現(xiàn)了百年不遇大暴雨，全球都出現(xiàn)了很多罕見(jiàn)的天災(zāi)。
退回去100多年，基本上都有這么一個(gè)趨勢(shì)在。比如1950年前后，太陽(yáng)黑子非常不頻繁，河南發(fā)生大水。再往前推30年，同樣是太陽(yáng)平靜年，河南卻發(fā)生了大旱。與此相反，在太陽(yáng)活躍時(shí)期，盡管有著黑子爆發(fā)、耀斑增加、太陽(yáng)風(fēng)暴加強(qiáng)的情況，但自然災(zāi)害反而較少。
太陽(yáng)是大氣和海洋變化的主要?jiǎng)恿ΑＫ圃炝思撅L(fēng)、赤道風(fēng)、洋流甚至厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象。但太陽(yáng)活動(dòng)的變化到底是怎么影響了地球的呢？這其中的物理機(jī)制，人類目前所知的還太少。“這到底是簡(jiǎn)單偶然發(fā)生的巧合，還是背后存在著規(guī)律，現(xiàn)在還沒(méi)有人知道。”林雋表示。
目前，太陽(yáng)正處于下一個(gè)11年周期的開(kāi)始。接下來(lái)的幾年，太陽(yáng)黑子會(huì)越來(lái)越多。目前，我國(guó)氣象部門已開(kāi)始重視這一關(guān)聯(lián)，可能會(huì)在今后加大在這一領(lǐng)域的投入。
太陽(yáng)活動(dòng)與全球氣候變化的關(guān)系，其實(shí)也是一個(gè)熱門領(lǐng)域。“全球變化并非說(shuō)只會(huì)變得越來(lái)越熱。實(shí)際上，我們會(huì)看到很多時(shí)候，冬天也會(huì)變得很冷。地球的大氣層會(huì)消解太陽(yáng)輻射，但能量不會(huì)消失，那么能量到哪兒去了，又到什么地方突然釋放出來(lái)，這些都還說(shuō)不清楚。”林雋說(shuō)，“但當(dāng)人類活動(dòng)的因素混在大氣中時(shí)問(wèn)題就更復(fù)雜了，二氧化碳的增多，在大氣中和太陽(yáng)輻射耦合，互相放大，互相促進(jìn)，但怎么影響的現(xiàn)在還不明確。”
三個(gè)機(jī)制 太陽(yáng)影響也能初步概括
目前，對(duì)于太陽(yáng)活動(dòng)到底怎樣影響了大氣內(nèi)部的物理機(jī)制，科學(xué)家了解的實(shí)在少之又少。大氣中充滿了溫室氣體，而太陽(yáng)活動(dòng)則帶來(lái)各種電磁輻射和粒子，不同氣體分子和各種太陽(yáng)光和粒子在大氣中混合交加，產(chǎn)生各種尚無(wú)可確認(rèn)的復(fù)雜反應(yīng)。不過(guò)，目前約娜等人對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)與氣候的關(guān)系做出了一些初始性的概括。他們認(rèn)為，目前有三個(gè)機(jī)制可以證明太陽(yáng)活動(dòng)的影響。
一是“自上而下”的影響。盡管在太陽(yáng)活動(dòng)高峰和低峰時(shí)期，太陽(yáng)的亮度并未發(fā)生很大的改變，但太陽(yáng)輻射變化卻很明顯。高峰期時(shí)，太陽(yáng)紫外線輻射加強(qiáng)，被大氣平流層吸收加熱，產(chǎn)生高緯度風(fēng)?？茖W(xué)家尚不清楚這個(gè)機(jī)制的成因，但就地區(qū)氣候而言，它影響很大。而當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)低潮時(shí)，作用則相反，這個(gè)影響在歐洲尤其明顯。這一點(diǎn)，我國(guó)科學(xué)家也有一些相關(guān)研究。
二是“自下而上”的影響。太陽(yáng)活動(dòng)高峰時(shí)期，更多的輻射加熱了赤道地區(qū)的海洋，蒸發(fā)出更多水汽，在赤道地區(qū)產(chǎn)生更多降水。美國(guó)里德大學(xué)氣候?qū)W家伍林斯(Tim Woollings)表示，尚不能用太陽(yáng)一個(gè)因素來(lái)解釋劇烈的氣候變化，其影響力還太弱。但根據(jù)德國(guó)波斯坦地質(zhì)科學(xué)研究中心科學(xué)家馬蒂斯(Katja Matthes)最近發(fā)表于《科學(xué)》的論文，當(dāng)太陽(yáng)因素和其它因素結(jié)合在一起的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生極大的作用。觀察顯示，太陽(yáng)活動(dòng)高峰時(shí)期，東南亞地區(qū)的臺(tái)風(fēng)會(huì)變得更強(qiáng)。
三是地球外的影響。地球持續(xù)受到宇宙射線的“攻擊”，太陽(yáng)活動(dòng)高峰時(shí)期，宇宙射線會(huì)發(fā)生極大的偏轉(zhuǎn)；相反，太陽(yáng)活動(dòng)低迷時(shí)期，宇宙射線偏轉(zhuǎn)較少。有科學(xué)家認(rèn)為，宇宙射線會(huì)導(dǎo)致更多的太空顆粒進(jìn)入地球，幫助凝聚成更多的云，令地球溫度降低。為了證實(shí)這種影響到底有多大，目前，瑞士日內(nèi)瓦的歐洲原子能項(xiàng)目正在進(jìn)行一場(chǎng)“云實(shí)驗(yàn)”。更多的氣候科學(xué)家更愿意相信另一種理論，他們認(rèn)為，宇宙射線可能更多影響云層的運(yùn)動(dòng)。里德大學(xué)大氣物理學(xué)家哈里森(Giles Harrison)介紹說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)云層頂部和底部有充電層。這可能和宇宙射線產(chǎn)生的離子有關(guān)。“這些電子可能更容易導(dǎo)致大水滴的形成。”他說(shuō)，在太陽(yáng)活動(dòng)不強(qiáng)的時(shí)候，可能導(dǎo)致降雨增多。當(dāng)然，這些觀點(diǎn)尚處于猜想階段，現(xiàn)有研究尚不足以支持這些觀點(diǎn)。
國(guó)際討論 將列入IPCC氣候模型
近段時(shí)間，關(guān)于太陽(yáng)因素的討論越來(lái)越激烈。很多研究顯示，在1970年之前，太陽(yáng)就一直影響著全球氣候變化，其作用至今未變。從這個(gè)意義上說(shuō)，1970年以來(lái)全球氣溫上升的情況，主要肇因還是人類活動(dòng)。也有一些科學(xué)家認(rèn)為，即使人類活動(dòng)是全球氣候變化的主因，也不能完全忽視太陽(yáng)在其中的作用。20世紀(jì)后半段時(shí)間，太陽(yáng)黑子周期變短且增強(qiáng)，磁場(chǎng)變?nèi)?，宇宙射線也變強(qiáng)，有可能導(dǎo)致地球溫度增加。再如，盡管地球在1975到1998年之間明顯增溫，但過(guò)去的10年中，氣溫卻沒(méi)有以預(yù)計(jì)的速度上升。以約娜為首的科學(xué)家在最新的研究中又發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)平靜時(shí)反而導(dǎo)致地球溫度增加的聯(lián)系。她認(rèn)為，現(xiàn)在還完全沒(méi)到給大氣變化中太陽(yáng)因素蓋棺定論的時(shí)候。
IPCC2007年報(bào)告稱，從1750年開(kāi)始，太陽(yáng)輻射的變化對(duì)地球變暖的影響只占了不到5%，這種影響也不會(huì)發(fā)生巨大的改變。IPCC報(bào)告接下來(lái)最關(guān)鍵的工作就在于是否可以讓地區(qū)性和中期的氣象預(yù)報(bào)更為精確。今年9月，《新科學(xué)家》的文章《太陽(yáng)加入氣候俱樂(lè)部》中提及，通常而言，太陽(yáng)因素都被排除在研究大氣變化的模式之外。不過(guò)，隨著越來(lái)越多研究的出現(xiàn)，2013年之前完成的下一份IPCC報(bào)告，會(huì)將太陽(yáng)因素放入現(xiàn)行的氣候變化研究模式之中。
新知專題采寫/本報(bào)記者 金煜 本專題圖片均為資料圖片
本專題感謝：約娜·海因(Joanna Haigh，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院大氣物理系主任、第三次IPCC報(bào)告主要作者)、林雋(中科院云南天文臺(tái)太陽(yáng)物理首席研究員)
聯(lián)系客服
