黄家强和黄贯中:太阳辐射强，地球反而冷？

　　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。”

　　太阳是地球能量的最主要来源，太阳的周期变化，无论是长期的还是短期的，都带动了全球气候和气象产生变化。但放在讨论全球气候变化的今天，气候变化的太阳因素到底有多大，这成为了目前科学界最棘手的问题。

　　研究进展 越来越受重视的因素

　　太阳虽然身为恒星，却也并非亘古不变。它于大约46亿年前诞生，成长至今，还会逐渐衰老，最终死去，成为一颗红巨星或白矮星。太阳的长期变化首先对地球气候产生了影响。30亿至40亿年前，太阳所放射的能量只有今天的70%。在之后的漫长岁月中，太阳能量输出增加，地球大气成分也发生了改变。大约24亿年前，地球因此发生了明显的变化。

　　与此同时，太阳的周期变化，也影响了地球气候。科学家考察地球气候变化时发现，太阳的“蒙德极小期”(即太阳活动非常衰弱的时期)和地球上一个小冰河期的最低气温存在着联系。也有很多科学证据显示，20世纪上半时期的温度受到了太阳活动周期的影响。

　　从上世纪90年代开始，地球气温上升的问题成了一个全球性话题。科学界主流意见认为，全球气候变化是由于进入工业化之后因人类活动导致。这成了当今决策者们最重要的科学依据。

　　不过，尽管“人为因素导致气候变化”已成为结论性判断，但在太阳科学领域，还是存在一些细节上的讨论，比如气候变化是否也有太阳因素在其中，如果有，其是加剧还是减缓气候变暖，影响到底有多大———这些问题始终被完全不同的观点所包围。有时，同样的数据甚至可能产生完全不同的结论。此前的IPCC报告虽然简单地提及了全球变化中的太阳因素，但并未放入正在研究中的大气变化模式中。这一情况引起了很多太阳科学家的批评，指该报告对太阳的重视程度不够，或没有充分听取各方太阳专家的意见。

　　然而最近几年，越来越多对于太阳和地球气候关系的研究出现，无论是历史比较还是卫星数据分析，越来越多太阳因素与地球气候变化关联的证据出现，这也使得研究全球变化的人开始逐渐重视起太阳因素来。

　　关联机制 究竟是巧合，还是有规律？

　　“太阳本身的平均变化辐射到地球上基本是比较稳定的，但是太阳自身的活动周期会对地球的天气产生一定的影响。原先的研究认为这种影响不大，把人类活动的影响考虑比较多一点，但考察上几百年，甚至几千年的活动，会发现地球上的气候甚至很多自然灾害和太阳活动都有关系。”中科院云南天文台首席太阳科学家林隽说。

　　在中国，当太阳活动处于极小年的时候，黄河、长江流域常会发生大旱。“2006年以来，太阳进入了非常不活跃的时期，这个时期对应着中国大旱及很多非常恶劣的天气条件。”林隽说。当年，云南发生百年不遇大旱，美国则出现了百年不遇大暴雨，全球都出现了很多罕见的天灾。

　　退回去100多年，基本上都有这么一个趋势在。比如1950年前后，太阳黑子非常不频繁，河南发生大水。再往前推30年，同样是太阳平静年，河南却发生了大旱。与此相反，在太阳活跃时期，尽管有着黑子爆发、耀斑增加、太阳风暴加强的情况，但自然灾害反而较少。

　　太阳是大气和海洋变化的主要动力。它制造了季风、赤道风、洋流甚至厄尔尼诺和拉尼娜现象。但太阳活动的变化到底是怎么影响了地球的呢？这其中的物理机制，人类目前所知的还太少。“这到底是简单偶然发生的巧合，还是背后存在着规律，现在还没有人知道。”林隽表示。

　　目前，太阳正处于下一个11年周期的开始。接下来的几年，太阳黑子会越来越多。目前，我国气象部门已开始重视这一关联，可能会在今后加大在这一领域的投入。

　　太阳活动与全球气候变化的关系，其实也是一个热门领域。“全球变化并非说只会变得越来越热。实际上，我们会看到很多时候，冬天也会变得很冷。地球的大气层会消解太阳辐射，但能量不会消失，那么能量到哪儿去了，又到什么地方突然释放出来，这些都还说不清楚。”林隽说，“但当人类活动的因素混在大气中时问题就更复杂了，二氧化碳的增多，在大气中和太阳辐射耦合，互相放大，互相促进，但怎么影响的现在还不明确。”

　　三个机制 太阳影响也能初步概括

　　目前，对于太阳活动到底怎样影响了大气内部的物理机制，科学家了解的实在少之又少。大气中充满了温室气体，而太阳活动则带来各种电磁辐射和粒子，不同气体分子和各种太阳光和粒子在大气中混合交加，产生各种尚无可确认的复杂反应。不过，目前约娜等人对太阳活动与气候的关系做出了一些初始性的概括。他们认为，目前有三个机制可以证明太阳活动的影响。

　　一是“自上而下”的影响。尽管在太阳活动高峰和低峰时期，太阳的亮度并未发生很大的改变，但太阳辐射变化却很明显。高峰期时，太阳紫外线辐射加强，被大气平流层吸收加热，产生高纬度风。科学家尚不清楚这个机制的成因，但就地区气候而言，它影响很大。而当太阳活动低潮时，作用则相反，这个影响在欧洲尤其明显。这一点，我国科学家也有一些相关研究。

　　二是“自下而上”的影响。太阳活动高峰时期，更多的辐射加热了赤道地区的海洋，蒸发出更多水汽，在赤道地区产生更多降水。美国里德大学气候学家伍林斯(Tim Woollings)表示，尚不能用太阳一个因素来解释剧烈的气候变化，其影响力还太弱。但根据德国波斯坦地质科学研究中心科学家马蒂斯(Katja Matthes)最近发表于《科学》的论文，当太阳因素和其它因素结合在一起的时候，就会产生极大的作用。观察显示，太阳活动高峰时期，东南亚地区的台风会变得更强。

　　三是地球外的影响。地球持续受到宇宙射线的“攻击”，太阳活动高峰时期，宇宙射线会发生极大的偏转；相反，太阳活动低迷时期，宇宙射线偏转较少。有科学家认为，宇宙射线会导致更多的太空颗粒进入地球，帮助凝聚成更多的云，令地球温度降低。为了证实这种影响到底有多大，目前，瑞士日内瓦的欧洲原子能项目正在进行一场“云实验”。更多的气候科学家更愿意相信另一种理论，他们认为，宇宙射线可能更多影响云层的运动。里德大学大气物理学家哈里森(Giles Harrison)介绍说，他们发现云层顶部和底部有充电层。这可能和宇宙射线产生的离子有关。“这些电子可能更容易导致大水滴的形成。”他说，在太阳活动不强的时候，可能导致降雨增多。当然，这些观点尚处于猜想阶段，现有研究尚不足以支持这些观点。

　　国际讨论 将列入IPCC气候模型

　　近段时间，关于太阳因素的讨论越来越激烈。很多研究显示，在1970年之前，太阳就一直影响着全球气候变化，其作用至今未变。从这个意义上说，1970年以来全球气温上升的情况，主要肇因还是人类活动。也有一些科学家认为，即使人类活动是全球气候变化的主因，也不能完全忽视太阳在其中的作用。20世纪后半段时间，太阳黑子周期变短且增强，磁场变弱，宇宙射线也变强，有可能导致地球温度增加。再如，尽管地球在1975到1998年之间明显增温，但过去的10年中，气温却没有以预计的速度上升。以约娜为首的科学家在最新的研究中又发现了太阳平静时反而导致地球温度增加的联系。她认为，现在还完全没到给大气变化中太阳因素盖棺定论的时候。

　　IPCC2007年报告称，从1750年开始，太阳辐射的变化对地球变暖的影响只占了不到5%，这种影响也不会发生巨大的改变。IPCC报告接下来最关键的工作就在于是否可以让地区性和中期的气象预报更为精确。今年9月，《新科学家》的文章《太阳加入气候俱乐部》中提及，通常而言，太阳因素都被排除在研究大气变化的模式之外。不过，随着越来越多研究的出现，2013年之前完成的下一份IPCC报告，会将太阳因素放入现行的气候变化研究模式之中。

　　新知专题采写/本报记者 金煜 本专题图片均为资料图片

　　本专题感谢：约娜·海因(Joanna Haigh，伦敦帝国理工学院大气物理系主任、第三次IPCC报告主要作者)、林隽(中科院云南天文台太阳物理首席研究员)