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2008年1月4日的太阳照片,其中有出现于23周期的黑子,也有24周期的黑子

SORCE卫星提供了研究所需的数据

约娜·海因是相关论文的通讯作者

  通常而言,人们认为,太阳活跃,辐射增多时,带给地球的能量也越高,导致地球更热,反之亦然。但最近《自然》杂志发表的一项研究发现,太阳紫外线辐射减少导致臭氧层变化,提升了地球温度;相反,当太阳进入活跃期,反而可能给地球降温。

  这一研究和此前科学家所认为的太阳辐射与地球温度的正比关系完全相反,而目前太阳正在走出平静期,进入下一个活跃周期,根据新的研究,太阳有可能会减缓接下来的全球变暖趋势。政府间气候变化组织(IPCC)的下一份报告中,将首次把太阳活动的影响列入气候模型中。

  1 最新研究 新结论挑战旧认知

  太阳活动有着自己的周期,其中最为人熟知的一条就是由德国业余天文学家施瓦布在1843年发现的“11年周期”(实际平均长度为11.1年)。在相邻的两个周期,太阳黑子的磁极极性相反。在两次周期之间,各种日面现象的变化也像黑子一样有着两次高潮和两次低潮。自21世纪开始,太阳进入低潮期,黑子大量减少,非常平静,而从去年开始,太阳开始走出这个周期,变得活跃起来。而从一个更长的以百年记的周期看,太阳正在进入一个长周期的高峰期。

  此次发表在《自然》杂志上的研究论文《太阳光谱变化对气候辐射力影响》就立足于针对2004年到2007年太阳低潮期的观察。研究者对一个名为“太阳辐射和气候变化”(SORCE)的卫星收集的太阳光谱数据进行分析,这个卫星主要负责收集太阳能量的数据,包括X射线、紫外线、可见光和近红外线范畴的辐射。

  基于数据,他们发现,太阳平静,辐射减少的时候,地表附近的辐射强迫反而增加了。研究者推测,今后太阳活动增加时,可能会降低地球温度。这一影响将被写入现有的大气变化模式中。

  这次研究的通讯作者、英国帝国学院的大气物理学家海因(Joanna Haigh)在接受本报记者邮件采访时解释说:太阳活跃时,会出现更多的太阳辐射,这一点在1978年的时候卫星已经探测得知了。太阳辐射对地球大气的热结构和成分起了决定性因素。但太阳辐射和底层大气与地面温度之间并不一定存在正比关系。“这个结果挑战了我们现在对‘太阳对大气影响’问题的认知。”她说。

  太阳活动减少时,太阳辐射也同时减少,但是,因为太阳光有着不同的辐射种类,会随着大气成分发生相应的变化,造成的影响也很不一样。这一点,目前科学界的研究还相对很少。

  2 反射吸收 大气让阳光全变样

  任何物体都会发出辐射,物体的温度越高,辐射也越强。科学家假想了一种名为“黑体”的理想状态。它可以吸收所有的入射辐射。太阳光球层的温度约 5800K,接近理想状态的黑体,它放射出的能量集中在波长较短的波段,其中抵达地球表面最大的辐射集中在可见光部分。相比之下,如果没有大气的话,地球的平均温度只有255K(-18℃)。所以,地球放射的辐射主要在较为长的波段,而太阳辐射则是短波辐射。

  如果没有大气的话,太阳的能量无法在地球保存下来,大气使全球平均温度增加了33℃,是生命得以存在的基础之一。同样,如果没有大气的话,太阳辐射对地球的影响将是十分简单明了的,正是因为多变的大气的存在,太阳辐射和气候变化之间的关系也变得极其复杂,难以琢磨。

  尽管以短波辐射为主,但太阳辐射是一个很广泛的概念,它包括了各种电磁辐射,其中最主要的是波长较短的紫外线、波长较长的红外线和处于两者之间的可见光。太阳光中的近红外线占了约一半,可见光也占约一半,紫外线只有1%。这三种主要辐射对地球万物的生长,以及各种能源的产生都起了决定性作用。

  长波辐射有增热效应,红外线可以使地球上的温度升高。可见光是生命的来源,植物在光合作用下将光能转化为化学能,储存在有机物中,所以我们的化石能源都来自太阳。

  紫外线对生物细胞有杀伤性和引起突变的作用。距离地球约4.5万千米的大气上层,有一层臭氧层保护了人类,大部分的紫外线都被这些臭氧吸收。地球大气吸收了大部分进入太阳的辐射,经过大气后的太阳辐射仅存三分之一,其光谱分布也发生了变化。大气对太阳辐射可以选择性吸收,又称为“大气削弱作用”。一些光谱较短的辐射会被一些气体吸收,除了紫外线被臭氧和氧吸收之外,水汽有很强的吸收红外线的能力,而大气中的二氧化碳则不仅吸收太阳的长波,而且吸收了大量地球表面辐射的长波辐射,聚集了大量的能量。由此造成的“温室效应”使地球成为一个温暖的星球,但随着二氧化碳排放的增加,地球温度比平均值略高。根据 IPCC报告,自工业革命以来,全球地表温度增加了0.74℃左右,在过去的30年中,地球温升幅度为平均每10年0.13℃左右。

  3 效果评估 或许只是意外情况

  太阳辐射中能够穿越大气层到达地面的,大部分是波长较长的可见光和近红外线辐射。大气底层升温的主要原因是地表释放的长波辐射被温室气体吸收,也就是常说的温室效应。根据约娜等人的研究,2004年到2007年,正处于太阳低谷时期,按照此前认知,这时的太阳辐射应该会减少。数据显示,紫外线辐射确如预期的一样减少了。

  不过,研究小组发现,与2004年相比,2007年太阳活动强度更弱,但抵达地球对流层的太阳能量净值却比2004年的多。也就是说,当太阳活动减弱的时候,到达地球表面的可见光却增多了,从而促使地球表面温度上升。分析背后的原因,科学家们目前认为是与紫外线减少对臭氧层的改变有关。紫外线波长范围的辐射改变了大气中的分子分布,引起了一系列化学反应,尤其在臭氧所在的平流层发生了尚不为人知的反应,这进一步导致了大气中层热量的增多,使得可见光和近红外线范畴的辐射到达并加热了大气下层和地球表面。

  根据这份研究,2004到2007年,当太阳活动减缓时,反而间接导致了地表温度的增加。不过,这份研究并没有推翻目前全球主流科学家认可的地球暖化是人类活动造成的结论。约娜指出,这个结果改变了我们对太阳对地球气候影响的看法,不过现在他们观察到的仅仅是太阳活动影响气候的一瞥。短短三年时间的数据并不能代表整体的趋势,这可能只是意外情况而已。

  “我们不能仅仅通过一个相对较短的时期就做出结论。”但她同时表示,如果接下来的其他研究也发现在一个较长时间内也出现了同样的模式,可能意味着人们的确忽视了太阳在地球暖化中起的作用。

  早先的IPCC报告也提到太阳因素对地球增温的影响,但太阳辐射的变化非常小,在整个11年周期中只变化了千分之一,因此旧的全球气候变化模式并没有将这一因素考虑进去。参与撰写IPCC报告太阳部分的约娜表示,放到在百年周期中,太阳辐射的变化就会增加至百分之十几的水平。这个影响是可以测量的。“它或许对20世纪初的全球变暖起了10%-20%的影响,可是它并没有导致当时地球明显的增温。”

  她也表示,如果今后研究中发现了太阳长周期中同样的模式,这只能说明太阳因素是被高估,而非低估了,它也并不能成为过去30年地球温度明显增加的罪魁祸首。

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