太陽(yáng)風(fēng)暴的氣候變化故事

　　
　　2012年1月22日，中國(guó)的農(nóng)歷正月初一，在遠(yuǎn)離地球1.5億千米的太陽(yáng)上發(fā)生了自2005年以來(lái)最強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)暴（圖1）。美國(guó)國(guó)家大氣海洋局制定的太陽(yáng)風(fēng)暴5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（其中1級(jí)最弱、5級(jí)最強(qiáng)），這次太陽(yáng)風(fēng)暴的強(qiáng)度為3級(jí)。同地球上經(jīng)常發(fā)生的臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)和其他風(fēng)暴天氣一樣，太陽(yáng)表面也存在著各種“天氣”現(xiàn)象。那么，太陽(yáng)上的這些“天氣”現(xiàn)象會(huì)對(duì)地球造成什么影響呢？
　　同地球上空氣每時(shí)每刻都在運(yùn)動(dòng)一樣，一般情況下，太陽(yáng)最上層大氣也穩(wěn)定地向外空間射出由質(zhì)子和電子等組成的等離子體流。因?yàn)檫@些帶電粒子在宇宙空間中運(yùn)動(dòng)與地球大氣的流動(dòng)有著相近的物理特性，因此被科學(xué)家形象地稱為“太陽(yáng)風(fēng)”。
　　與地球上12級(jí)臺(tái)風(fēng)每秒32.5米以上的風(fēng)速相比，太陽(yáng)風(fēng)的風(fēng)速則猛烈得驚人，一般為每秒350～450千米，而在太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)，速度更可高達(dá)驚人的每秒800千米，是地球上最強(qiáng)風(fēng)暴風(fēng)速的上萬(wàn)倍。幸運(yùn)的是，普通的太陽(yáng)風(fēng)所含粒子密度非常低，每立方厘米只有幾個(gè)到幾十個(gè)粒子，對(duì)地球影響幾乎可以忽略不計(jì)。而太陽(yáng)風(fēng)暴粒子含量較多，因此，對(duì)地球的影響就會(huì)很大。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴射出的帶電粒子到達(dá)地球時(shí)，就會(huì)對(duì)地球磁場(chǎng)造成巨大影響，引起磁暴。進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)，磁暴會(huì)影響無(wú)線電接收，各種電子設(shè)備乃至大型電網(wǎng)也會(huì)受到影響，對(duì)空間站工作的宇航員健康也會(huì)帶來(lái)威脅。在磁暴期內(nèi)，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)部分地區(qū)無(wú)線電和電視傳播中斷、北美供電系統(tǒng)停運(yùn)、前蘇聯(lián)的“禮炮”號(hào)空間站脫離軌道等災(zāi)害事件。
　　但是，太陽(yáng)風(fēng)暴也給我們帶來(lái)了一些益處。對(duì)那些不懼嚴(yán)寒的攝影愛(ài)好者而言，太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)給他們帶來(lái)了絕好的藝術(shù)創(chuàng)造機(jī)遇。例如，此次太陽(yáng)風(fēng)暴所攜帶的大量電粒子襲擊地球，與地球磁場(chǎng)相互作用絢麗地引發(fā)了罕見(jiàn)的北極光，挪威出現(xiàn)了罕見(jiàn)的“鳳凰狀”極光景色（圖2）。
　　對(duì)于研究全球氣候變化的科學(xué)家而言，此次太陽(yáng)風(fēng)暴的爆發(fā)意義也不一般。這主要是兩方面的原因：第一，太陽(yáng)是地球上一切活動(dòng)（包括氣候系統(tǒng)）的終極能量來(lái)源。長(zhǎng)期以來(lái)，研究太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候變化的影響機(jī)制一直是國(guó)際科學(xué)界的一個(gè)熱點(diǎn)。特別是對(duì)工業(yè)化革命以來(lái)的全球變暖原因的探究，更是引發(fā)人類活動(dòng)影響占主導(dǎo)還是自然變化（包括太陽(yáng)活動(dòng)的作用）的科學(xué)論戰(zhàn)。對(duì)研究太陽(yáng)活動(dòng)以及太陽(yáng)對(duì)地球氣候影響的科學(xué)家而言，由于此次太陽(yáng)風(fēng)暴代表著新太陽(yáng)活動(dòng)周已經(jīng)到來(lái)，并可能將在2013—2014年前后到達(dá)新的最強(qiáng)期，而這段時(shí)間太陽(yáng)活動(dòng)的日趨活躍，造成空間天氣事件頻繁出現(xiàn)的可能性增大，這給科學(xué)家們分離源于太陽(yáng)和人類的氣候效應(yīng)研究提供了一個(gè)極好的時(shí)機(jī)。
　　第二，由于近年來(lái)太陽(yáng)活動(dòng)出現(xiàn)了一些異常表現(xiàn)，一方面可能是由其內(nèi)部所發(fā)生某種未知的變化引起，另一方面也可能預(yù)示1920年以來(lái)的強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)期可能即將或已經(jīng)結(jié)束，而這都可能對(duì)未來(lái)地球環(huán)境和氣候產(chǎn)生重大影響，因此也受到全球科學(xué)家的高度關(guān)注。
　　對(duì)于太陽(yáng)活動(dòng)影響氣候變化的機(jī)制，科學(xué)家已經(jīng)提出了至少三種可能。包括太陽(yáng)總輻射機(jī)制。通俗講，就是太陽(yáng)活動(dòng)造成達(dá)到地球表面總輻射能量變化，直接引發(fā)了氣候變化。根據(jù)這個(gè)機(jī)制，為了降低目前全球變暖的趨勢(shì)，國(guó)際上一些科學(xué)家提出了向太空發(fā)射面向太陽(yáng)的數(shù)萬(wàn)個(gè)小鏡子，阻擋太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的科學(xué)設(shè)想。而另一部分科學(xué)家提出太陽(yáng)短波輻射變化機(jī)制。他們認(rèn)為太陽(yáng)紫外輻射變化能引起地球中高層大氣物理化學(xué)性質(zhì)的變化（比如臭氧的變化），再通過(guò)大氣系統(tǒng)內(nèi)部物理化學(xué)過(guò)程將變化傳遞到下層大氣，引發(fā)了天氣、氣候變化。第三種機(jī)制是能量粒子(包括太陽(yáng)能量粒子和銀河宇宙射線)機(jī)制，該機(jī)制認(rèn)為太陽(yáng)活動(dòng)首先影響地球空間天氣，通過(guò)對(duì)地球某些特定區(qū)域云微物理過(guò)程的影響，導(dǎo)致云層宏觀特征變化。這在短時(shí)間會(huì)引起包括降水、溫度等相關(guān)氣象要素的變化，而長(zhǎng)期積累，就會(huì)引起全球云的時(shí)空分布變化，最后導(dǎo)致全球輻射能量平衡變化，從而引發(fā)氣候變化。
　　總之，雖然太陽(yáng)長(zhǎng)期變化會(huì)對(duì)地球氣候的形成和演變有著重要影響已經(jīng)形成了廣泛的科學(xué)共識(shí)，但是，在百年和十年這樣相對(duì)較短的時(shí)間尺度上，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)氣候的影響，尤其對(duì)近一百年來(lái)全球氣候變暖的影響如何，科學(xué)界目前還存在爭(zhēng)議（圖3）。隨著新的探測(cè)手段的出現(xiàn)，對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)在科學(xué)認(rèn)識(shí)上的進(jìn)一步深化，科學(xué)家將會(huì)充分利用新太陽(yáng)周到來(lái)的機(jī)遇，探明太陽(yáng)—?dú)夂蛑g關(guān)系，以區(qū)分源于太陽(yáng)活動(dòng)和人類活動(dòng)的氣候效應(yīng)有關(guān)物理機(jī)制，幫助人類更好地了解和應(yīng)對(duì)全球氣候變化。
　　
　　圖2 挪威北極光
　　
　　圖3 全球年平均氣溫變化（紅線）與年平均太陽(yáng)總輻射（藍(lán)線）關(guān)系