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从太阳黑子到气候变化

  如果按流传广泛的程度给中国神话故事做一个排行榜的话,那么后羿射日一定会名列前茅。

  但在有关后羿射日的描述中(例如屈原《楚辞·天问》)存在一个值得注意的场景:当后羿射中太阳时从太阳中掉下了黑色的三足乌。按照现在的认识,在太阳中当然是不可能存在三足乌。那么,一个合理的推测是古人曾经在太阳中看到了某种黑色的区域并将其想象成了三足乌。这种黑色的区域又是什么呢?根据现在的推测,这种黑色区域可能就是太阳黑子。

  黑子的基本特征

  太阳黑子是出现在太阳光球层上的一些暗色区域。类似于地球大气,太阳大气—即太阳内部(日核、辐射区和对流区)之上的透明区域也有分层结构。光球是太阳大气的最低层(相当于地球大气的最低层,对流层)。光球之上依次是色球、过渡区和日冕。我们平时所接收到的太阳光几乎全部都来自光球。根据观测,光球的温度约为6000℃。而黑子则是光球上出现的一些低温区域。一般来说黑子的温度约为4500℃,低于背景光球1000~2000℃。由于温度低,所以这一区域发出的光辐射较少,故黑子看起来为黑色。对黑子的精细成像表明黑子内部具有复杂的结构。其外围是较亮的半影,具有纤维状结构;其内部是更暗的本影。有的黑子还具有亮桥结构,即一条横跨黑子的亮带。根据观测,在黑子处的磁场远强于背景光球的磁场,黑子为强磁场区域。黑子常成群出现,称为黑子群。最常见的黑子群为双极群,即由两个磁场极性相反的黑子组成。目前,天文学家认为黑子的形成与其具有的强磁场密切相关,但关于它到底是如何形成的至今仍无定论。

  太阳黑子的观测简史

  最早的黑子记录出现在神话中,例如日中乌鸟。从西汉后期开始,我国历代政府都对黑子进行了系统地观察和记录。天文学家朱文鑫(1883—1939年)在其撰写的《天文考古录》中共整理了101条有关黑子的正史记录。目前,最早的有关太阳黑子的明确记录出自《汉书·五行志》。根据记载,在汉元帝永元年(公元前43年)4月有太阳黑子出现(“日黑居仄,大如弹丸”)。在国外的古籍(如《查理曼大帝传》)中也能找到有关黑子的记载。不过由于黑子普遍较小,难以用肉眼直接进行观测,因此,对黑子的早期观测十分有限。(注:裸眼直视太阳十分危险,太阳光可对眼睛造成不可逆损伤。观测太阳还请采用遮光装置,例如巴德膜)

  在17世纪,得益于天文望远镜的出现,人们真正开始了对黑子的科学观测。1610年,意大利科学家伽利略(Galileo Galilei,1564—1642年)用自制的望远镜观测到了太阳黑子,并且发现黑子在太阳圆面上的位置会随着时间发生改变,他推断这是由于黑子随着太阳自转所导致的。这是人类第一次认识到太阳自转的存在。次年,德国天文学家沙伊纳(Christoph Scheiner, 1575—1650年)也通过其自制的望远镜独立发现了黑子。在随后的几年间他制作了8台望远镜,并发现在同一时间用不同望远镜观测到的黑子的形状都相同。据此,他反驳了黑子是望远镜上尘埃引起的错觉的观点,证实了黑子的确是太阳上的真实存在。

  随着观测的深入,人们发现黑子的数量及其在太阳上的位置会发生周期性变化。德国天文爱好者施瓦贝(Samuel Heinrich Schwabe,1789—1875年)在1826—1850年对太阳进行连续观测时发现黑子的数量会以大约11年为周期增多或减少。这一发现被之后更长时间的观测所证实。而后,天文学家发现很多其他的太阳活动也具有这种周期性变化,因此,黑子数量变化的周期性反映了太阳活动的周期性。英国天文爱好者卡林顿(Richard Christopher Carrington, 1826—1875年)在1863年总结其对黑子的观测时发现,黑子在太阳圆面上的纬度也有周期性变化。从一个周期开始到结束,黑子的平均纬度逐渐减小。德国天文学家斯波尔(Gustav Sprer, 1822—1895年)进一步研究了这个现象,发现在活动周期开始时,黑子一般位于纬度30度附近;黑子数极大时,约在15度;结束时,约在8度。此后,英国天文学家蒙德 (E. W. Maunder,1851—1928年)在1904年最早绘制出了黑子纬度分布随时间的变化图。由于此图的形状类似于蝴蝶翅膀,故被称作蝴蝶图。

  20世纪,随着现代物理学的发展,天文学家发明了测量太阳光球磁场的方法。

  美国天文学家海耳(George Ellery Hale, 1868—1938年)发现黑子的磁场一般为0.3~0.4特斯拉,远强于背景光球的磁场,即黑子为光球上的强磁场区域。这一发现为解释黑子的形成奠定了重要基础。根据对黑子的连续精确成像,天文学家还发现黑子并不是静态的,在其中存在着物质的流动。

  人类对黑子数的系统性记录只有几百年的历史。为了得到过去更长时间的黑子数则必须采用一些间接方法。常采用的是同位素测量的方法。在地球上可以接收到来自宇宙的高能粒子,称为宇宙线。地球大气中的14N(氮)在被宇宙线中的中子轰击后会变成14C(碳)(大气中通常的碳元素为12C,比14C少两个中子),并与氧结合后形成14CO2(二氧化碳)。这种特殊的二氧化碳经过光合作用被植物吸收后会保存下来。而树的年轮可以用于确定时间,因此,测量古树不同年轮中的14C/12C就可以得知当年大气中14CO2的多少,从而得知当年地球上接收到的宇宙线的多少。另外,太阳会不断地向外喷出对宇宙线有屏蔽作用的太阳风。而在黑子数多的时候,太阳风较强,对银河宇宙线的屏蔽更强,从而大气中以及沉积在植物中的14C就更少。因此,通过测量古树树轮中的14C与12C的比值,可推测古代黑子的情况。类似地,也可以通过测量古冰层中的10Be来得到古代黑子数量的情况。

  黑子与太阳周期性活动

  如上文所述,早在19世纪人们就注意到了黑子的数量和出现的纬度具有11年的周期性,即每隔11年黑子数量增加或减小一次,并且黑子出现的地点从中纬移动到低纬。后来天文学家发现不只是黑子,很多其他太阳活动也具有11年周期性。类似于地球磁场,太阳两极区磁场的极性也是相反的。而且每隔11年,太阳极区磁场的极性会倒转一次,即磁北极变为磁南极或者反过来。这种极性倒转一般发生在太阳活动高年,即黑子数最大年附近。另外,根据卫星的测量,太阳辐射出的总能量也会每11年增加或减少一次,不过变化的强度非常小,只有0.1%。但是如果单论紫外辐射或更短波长的辐射,则这种11年周期变化会非常剧烈。除此之外,其他的太阳活动,如高速太阳风、耀斑和日冕物质抛射等也具有11年周期变化。

  总的来说,太阳活动呈现11年的周期性变化,而黑子数的变化则是这一周期性最为直观的表现。因此,天文学家常用黑子数的变化周期来表征太阳活动的周期,并将黑子数(又称为沃夫数,命名自瑞士天文学家鲁道夫·沃夫(Rudolf Wolf, 1816—1893年))由小变大再变小的一个周期称作一个太阳活动周。太阳活动周从1755年开始计算,目前(2018年)我们正处于第24活动周的末期。

  黑子与全球气候变化

  对于发生在地球岩石圈以上的大部分活动而言,太阳都是其能量来源。例如太阳辐射直接驱动了地球大气的运动、部分驱动了地球洋流以及控制着地球两极的冰盖。这意味着以黑子为代表的太阳活动也会对地球造成影响。这种影响的一个典型例子是地球极光。当太阳上爆发活动时,经常可以在地球两极观察到极光活动的剧烈增强。由于太阳活动具有11年的周期性,因此,地球的极光活动也具有11年的周期性:在黑子数多的太阳活动高年,地球极光活动也更加频繁;而在黑子数少的太阳活动低年,地球极光活动将大大减弱。但太阳活动对地球的影响并不只极光,还有更加深远严重的影响—例如太阳活动将影响地球气候。

  最早注意到这一影响的是上文提到的英国天文学家蒙德。他发现在1645年到1715年明显缺少有关黑子的报道,而在1645年以前和1715年以后,这类报道却非常丰富。据此,他认为在此期间黑子数量很少甚至没有(这段时期在后来被称为蒙德极小期)。蒙德极小期也得到了中国史书记载和上文提及的同位素方法测量的独立证实。根据上文的介绍可知,在蒙德极小期中太阳的活动应该十分微弱。

  有趣的是,这段时期正好对应于欧洲人所称的小冰河时期—地球一千年以来最为寒冷的时期。根据估计,在此期间全球气温平均下降了1℃。英国泰晤士河常年结冰,人们甚至可以直接在河上居住和建立市场进行交易。另外,这一时期正值明朝末年。在此期间中国气候异常,农作物歉收严重。有学者认为这对明朝灭亡或许不无贡献。同时,对古气候的研究也表明,长时间的古温度数据和古黑子数据有较好的相关性。

  根据目前的研究,这一时期的全球变冷和太阳活动的减弱或许有着直接的因果联系。一方面,太阳活动的减弱意味着太阳辐射量的减弱,从而输入地球的能量将减少;另一方面,在太阳活动减弱时,地球能接收到更多的宇宙线,从而对云的形成产生较大影响,进而影响气候。不过由于这一过程十分复杂,目前学术界对此还在进一步研究中,尚无定论。不过,一旦太阳活动和全球气候变化的因果性被证实,人们对相关问题的认识将极大地被改变。根据同位素测量的结果,科学家发现在过去的一万多年内共出现了27个类似于蒙德极小期的超级黑子数极小期,总时间约两千年,约占17%。如果黑子数极小期意味着全球变冷,那么全球变冷将不是一件罕见的事。

  最后,让我们回到本文开始提到的后羿射日的故事。根据相关的描述,后羿射日的原因是当时气候极其炎热,导致大地干涸、庄稼歉收,因此,尧帝才命后羿射下太阳以解百姓疾苦。而在射中太阳之时有代表黑子的乌鸟从太阳中坠下。据此,我们可以根据今天的眼光重新认识这一神话故事。在尧帝时代,太阳活动非常剧烈,甚至在太阳圆面上出现了肉眼可见的巨大黑子。与此对应,地球的气温大幅度升高,导致了民不聊生。当时的人们将炎热的气候和太阳上出现的黑子(乌鸟)相联系,从而编出了后羿射日坠下乌鸟的神话以表达他们希望气温恢复正常的祈求。这意味着或许早在尧帝时代,我国古人就已经经历并认识到了以太阳黑子为代表的太阳活动对地球气候的影响。

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