這一研究和此前科學(xué)家所認(rèn)為的太陽輻射與地球溫度的正比關(guān)系完全相反，而目前太陽正在走出平靜期，進(jìn)入下一個活躍周期，根據(jù)新的研究，太陽有可能會減緩接下來的全球變暖趨勢。政府間氣候變化組織(IPCC)的下一份報告中，將首次把太陽活動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
太陽活動有著自己的周期，其中最為人熟知的一條就是由德國業(yè)余天文學(xué)家施瓦布在1843年發(fā)現(xiàn)的“11年周期”(實際平均長度為11.1年)。在相鄰的兩個周期，太陽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)開始，太陽進(jìn)入低潮期，黑子大量減少，非常平靜，而從去年開始，太陽開始走出這個周期，變得活躍起來。而從一個更長的以百年記的周期看，太陽正在進(jìn)入一個長周期的高峰期。
此次發(fā)表在《自然》雜志上的研究論文《太陽光譜變化對氣候輻射力影響》就立足于針對2004年到2007年太陽低潮期的觀察。研究者對一個名為“太陽輻射和氣候變化”(SORCE)的衛(wèi)星收集的太陽光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這個衛(wèi)星主要負(fù)責(zé)收集太陽能量的數(shù)據(jù)，包括X射線、紫外線、可見光和近紅外線范疇的輻射。
基于數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)，太陽平靜，輻射減少的時候，地表附近的輻射強(qiáng)迫反而增加了。研究者推測，今后太陽活動增加時，可能會降低地球溫度。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、英國帝國學(xué)院的大氣物理學(xué)家海因(Joanna Haigh)在接受本報記者郵件采訪時解釋說：太陽活躍時，會出現(xiàn)更多的太陽輻射，這一點在1978年的時候衛(wèi)星已經(jīng)探測得知了。太陽輻射對地球大氣的熱結(jié)構(gòu)和成分起了決定性因素。但太陽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。“這個結(jié)果挑戰(zhàn)了我們現(xiàn)在對‘太陽對大氣影響’問題的認(rèn)知。”她說。
太陽活動減少時，太陽輻射也同時減少，但是，因為太陽光有著不同的輻射種類，會隨著大氣成分發(fā)生相應(yīng)的變化，造成的影響也很不一樣。這一點，目前科學(xué)界的研究還相對很少。
2 反射吸收 大氣讓陽光全變樣
任何物體都會發(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較短的波段，其中抵達(dá)地球表面最大的輻射集中在可見光部分。相比之下，如果沒有大氣的話，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的波段，而太陽輻射則是短波輻射。
如果沒有大氣的話，太陽的能量無法在地球保存下來，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，如果沒有大氣的話，太陽輻射對地球的影響將是十分簡單明了的，正是因為多變的大氣的存在，太陽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，但太陽輻射是一個很廣泛的概念，它包括了各種電磁輻射，其中最主要的是波長較短的紫外線、波長較長的紅外線和處于兩者之間的可見光。太陽光中的近紅外線占了約一半，可見光也占約一半，紫外線只有1%。這三種主要輻射對地球萬物的生長，以及各種能源的產(chǎn)生都起了決定性作用。
長波輻射有增熱效應(yīng)，紅外線可以使地球上的溫度升高?？梢姽馐巧膩碓?，植物在光合作用下將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲存在有機(jī)物中，所以我們的化石能源都來自太陽。
紫外線對生物細(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)入太陽的輻射，經(jīng)過大氣后的太陽輻射僅存三分之一，其光譜分布也發(fā)生了變化。大氣對太陽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的長波，而且吸收了大量地球表面輻射的長波輻射，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報告，自工業(yè)革命以來，全球地表溫度增加了0.74℃左右，在過去的30年中，地球溫升幅度為平均每10年0.13℃左右。
3 效果評估 或許只是意外情況
太陽輻射中能夠穿越大氣層到達(dá)地面的，大部分是波長較長的可見光和近紅外線輻射。大氣底層升溫的主要原因是地表釋放的長波輻射被溫室氣體吸收，也就是常說的溫室效應(yīng)。根據(jù)約娜等人的研究，2004年到2007年，正處于太陽低谷時期，按照此前認(rèn)知，這時的太陽輻射應(yīng)該會減少。數(shù)據(jù)顯示，紫外線輻射確如預(yù)期的一樣減少了。
不過，研究小組發(fā)現(xiàn)，與2004年相比，2007年太陽活動強(qiáng)度更弱，但抵達(dá)地球?qū)α鲗拥奶柲芰績糁祬s比2004年的多。也就是說，當(dāng)太陽活動減弱的時候，到達(dá)地球表面的可見光卻增多了，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臭氧層的改變有關(guān)。紫外線波長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)太陽活動減緩時，反而間接導(dǎo)致了地表溫度的增加。不過，這份研究并沒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造成的結(jié)論。約娜指出，這個結(jié)果改變了我們對太陽對地球氣候影響的看法，不過現(xiàn)在他們觀察到的僅僅是太陽活動影響氣候的一瞥。短短三年時間的數(shù)據(jù)并不能代表整體的趨勢，這可能只是意外情況而已。
“我們不能僅僅通過一個相對較短的時期就做出結(jié)論。”但她同時表示，如果接下來的其他研究也發(fā)現(xiàn)在一個較長時間內(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在地球暖化中起的作用。
早先的IPCC報告也提到太陽因素對地球增溫的影響，但太陽輻射的變化非常小，在整個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有將這一因素考慮進(jìn)去。參與撰寫IPCC報告太陽部分的約娜表示，放到在百年周期中，太陽輻射的變化就會增加至百分之十幾的水平。這個影響是可以測量的。“它或許對20世紀(jì)初的全球變暖起了10%-20%的影響，可是它并沒有導(dǎo)致當(dāng)時地球明顯的增溫。”
太陽是地球能量的最主要來源，太陽的周期變化，無論是長期的還是短期的，都帶動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，氣候變化的太陽因素到底有多大，這成為了目前科學(xué)界最棘手的問題。
研究進(jìn)展 越來越受重視的因素
太陽雖然身為恒星，卻也并非亙古不變。它于大約46億年前誕生，成長至今，還會逐漸衰老，最終死去，成為一顆紅巨星或白矮星。太陽的長期變化首先對地球氣候產(chǎn)生了影響。30億至40億年前，太陽所放射的能量只有今天的70%。在之后的漫長歲月中，太陽能量輸出增加，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，太陽的周期變化，也影響了地球氣候?？茖W(xué)家考察地球氣候變化時發(fā)現(xiàn)，太陽的“蒙德極小期”(即太陽活動非常衰弱的時期)和地球上一個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)上半時期的溫度受到了太陽活動周期的影響。
從上世紀(jì)90年代開始，地球氣溫上升的問題成了一個全球性話題?？茖W(xué)界主流意見認(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，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———這些問題始終被完全不同的觀點所包圍。有時，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報告雖然簡單地提及了全球變化中的太陽因素，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科學(xué)家的批評，指該報告對太陽的重視程度不夠，或沒有充分聽取各方太陽專家的意見。
然而最近幾年，越來越多對于太陽和地球氣候關(guān)系的研究出現(xiàn)，無論是歷史比較還是衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析，越來越多太陽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始逐漸重視起太陽因素來。
關(guān)聯(lián)機(jī)制 究竟是巧合，還是有規(guī)律？
“太陽本身的平均變化輻射到地球上基本是比較穩(wěn)定的，但是太陽自身的活動周期會對地球的天氣產(chǎn)生一定的影響。原先的研究認(rèn)為這種影響不大，把人類活動的影響考慮比較多一點，但考察上幾百年，甚至幾千年的活動，會發(fā)現(xiàn)地球上的氣候甚至很多自然災(zāi)害和太陽活動都有關(guān)系。”中科院云南天文臺首席太陽科學(xué)家林雋說。
在中國，當(dāng)太陽活動處于極小年的時候，黃河、長江流域常會發(fā)生大旱。“2006年以來，太陽進(jìn)入了非常不活躍的時期，這個時期對應(yīng)著中國大旱及很多非常惡劣的天氣條件。”林雋說。當(dāng)年，云南發(fā)生百年不遇大旱，美國則出現(xiàn)了百年不遇大暴雨，全球都出現(xiàn)了很多罕見的天災(zāi)。
退回去100多年，基本上都有這么一個趨勢在。比如1950年前后，太陽黑子非常不頻繁，河南發(fā)生大水。再往前推30年，同樣是太陽平靜年，河南卻發(fā)生了大旱。與此相反，在太陽活躍時期，盡管有著黑子爆發(fā)、耀斑增加、太陽風(fēng)暴加強(qiáng)的情況，但自然災(zāi)害反而較少。
太陽是大氣和海洋變化的主要動力。它制造了季風(fēng)、赤道風(fēng)、洋流甚至厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象。但太陽活動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。“這到底是簡單偶然發(fā)生的巧合，還是背后存在著規(guī)律，現(xiàn)在還沒有人知道。”林雋表示。
目前，太陽正處于下一個11年周期的開始。接下來的幾年，太陽黑子會越來越多。目前，我國氣象部門已開始重視這一關(guān)聯(lián)，可能會在今后加大在這一領(lǐng)域的投入。
太陽活動與全球氣候變化的關(guān)系，其實也是一個熱門領(lǐng)域。“全球變化并非說只會變得越來越熱。實際上，我們會看到很多時候，冬天也會變得很冷。地球的大氣層會消解太陽輻射，但能量不會消失，那么能量到哪兒去了，又到什么地方突然釋放出來，這些都還說不清楚。”林雋說，“但當(dāng)人類活動的因素混在大氣中時問題就更復(fù)雜了，二氧化碳的增多，在大氣中和太陽輻射耦合，互相放大，互相促進(jìn)，但怎么影響的現(xiàn)在還不明確。”
三個機(jī)制 太陽影響也能初步概括
目前，對于太陽活動到底怎樣影響了大氣內(nèi)部的物理機(jī)制，科學(xué)家了解的實在少之又少。大氣中充滿了溫室氣體，而太陽活動則帶來各種電磁輻射和粒子，不同氣體分子和各種太陽光和粒子在大氣中混合交加，產(chǎn)生各種尚無可確認(rèn)的復(fù)雜反應(yīng)。不過，目前約娜等人對太陽活動與氣候的關(guān)系做出了一些初始性的概括。他們認(rèn)為，目前有三個機(jī)制可以證明太陽活動的影響。
一是“自上而下”的影響。盡管在太陽活動高峰和低峰時期，太陽的亮度并未發(fā)生很大的改變，但太陽輻射變化卻很明顯。高峰期時，太陽紫外線輻射加強(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)太陽活動低潮時，作用則相反，這個影響在歐洲尤其明顯。這一點，我國科學(xué)家也有一些相關(guān)研究。
二是“自下而上”的影響。太陽活動高峰時期，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。美國里德大學(xué)氣候?qū)W家伍林斯(Tim Woollings)表示，尚不能用太陽一個因素來解釋劇烈的氣候變化，其影響力還太弱。但根據(jù)德國波斯坦地質(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)太陽因素和其它因素結(jié)合在一起的時候，就會產(chǎn)生極大的作用。觀察顯示，太陽活動高峰時期，東南亞地區(qū)的臺風(fēng)會變得更強(qiáng)。
三是地球外的影響。地球持續(xù)受到宇宙射線的“攻擊”，太陽活動高峰時期，宇宙射線會發(fā)生極大的偏轉(zhuǎn)；相反，太陽活動低迷時期，宇宙射線偏轉(zhuǎn)較少。有科學(xué)家認(rèn)為，宇宙射線會導(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。為了證實這種影響到底有多大，目前，瑞士日內(nèi)瓦的歐洲原子能項目正在進(jìn)行一場“云實驗”。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。里德大學(xué)大氣物理學(xué)家哈里森(Giles Harrison)介紹說，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，在太陽活動不強(qiáng)的時候，可能導(dǎo)致降雨增多。當(dāng)然，這些觀點尚處于猜想階段，現(xiàn)有研究尚不足以支持這些觀點。
國際討論 將列入IPCC氣候模型
近段時間，關(guān)于太陽因素的討論越來越激烈。很多研究顯示，在1970年之前，太陽就一直影響著全球氣候變化，其作用至今未變。從這個意義上說，1970年以來全球氣溫上升的情況，主要肇因還是人類活動。也有一些科學(xué)家認(rèn)為，即使人類活動是全球氣候變化的主因，也不能完全忽視太陽在其中的作用。20世紀(jì)后半段時間，太陽黑子周期變短且增強(qiáng)，磁場變?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，但過去的10年中，氣溫卻沒有以預(yù)計的速度上升。以約娜為首的科學(xué)家在最新的研究中又發(fā)現(xiàn)了太陽平靜時反而導(dǎo)致地球溫度增加的聯(lián)系。她認(rèn)為，現(xiàn)在還完全沒到給大氣變化中太陽因素蓋棺定論的時候。
IPCC2007年報告稱，從1750年開始，太陽輻射的變化對地球變暖的影響只占了不到5%，這種影響也不會發(fā)生巨大的改變。IPCC報告接下來最關(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)報更為精確。今年9月，《新科學(xué)家》的文章《太陽加入氣候俱樂部》中提及，通常而言，太陽因素都被排除在研究大氣變化的模式之外。不過，隨著越來越多研究的出現(xiàn)，2013年之前完成的下一份IPCC報告，會將太陽因素放入現(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，倫敦帝國理工學(xué)院大氣物理系主任、第三次IPCC報告主要作者)、林雋(中科院云南天文臺太陽物理首席研究員)
