太陽黑子一減少，地球就要冷颼颼？

作者：李會超（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳））

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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太陽黑子的減少或消失并不意味著地球寒冷期的來臨。

什么是太陽黑子呢？

如果你使用加裝了濾光片的望遠(yuǎn)鏡觀察太陽，會發(fā)現(xiàn)太陽表面有時(shí)會出現(xiàn)一些黑色的斑點(diǎn)，這便是太陽黑子。太陽黑子傾向于成群出現(xiàn)，太陽上每個(gè)黑子群中黑子的數(shù)量從一兩個(gè)到幾十個(gè)不等。 一些黑子數(shù)量多、面積比較大的黑子群是顯著的天文現(xiàn)象，在日落或有薄霧時(shí)通過肉眼就可以觀察到（但請讀者不要進(jìn)行這樣的嘗試，以免對眼睛造成不可逆的損傷）。

2014年10月18日，SDO衛(wèi)星觀測到的超大黑子群。（來源：NASA）

由于太陽黑子十分容易觀察，因此在天文望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)前就已經(jīng)有了對黑子的記錄，其中最早的就來自于我們中華民族那些敏銳的觀察著萬物變化的祖先們。公元前43年，《漢書》五行志中記載那年四月之中，“日色青白，亡影，正中是有景亡光?！惫?8年，《漢書》又記載“日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央”。

黑子其實(shí)并不黑

這是因?yàn)楹谧铀趨^(qū)域的溫度低于周圍溫度。黑子中心的溫度約4000~4500K(開爾文)，相對于溫度在6000K左右的明亮太陽光球顯示出了較黑的顏色。實(shí)際上，黑子本身也向外發(fā)光。如果將黑子單獨(dú)移動(dòng)到另一片天空之中，其發(fā)出的光亮?xí)日率宓脑铝吝€要明亮。

Trace衛(wèi)星拍攝的太陽黑子精細(xì)結(jié)構(gòu)。（來源：Wekipedia）

那么，為什么黑子又會成為太陽上的溫度“洼地”呢？

原來，黑子是太陽上強(qiáng)磁場的聚集區(qū)，黑子所在位置的太陽磁場強(qiáng)度可達(dá)0.1-0.4T（特斯拉），約是地磁場強(qiáng)度的數(shù)千倍。組成太陽的物質(zhì)，并非我們?nèi)粘Ｉ钪兴芙佑|到的固、液、氣三態(tài)，而是一種被稱為等離子體的狀態(tài)，由帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的離子構(gòu)成。磁場和等離子體間存在著凍結(jié)效應(yīng)，等離子體不能橫越磁力線流動(dòng)。當(dāng)磁場較強(qiáng)時(shí)，磁力線就像一根根柵欄，阻礙了太陽物質(zhì)的對流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致太陽內(nèi)部釋放的能量不能及時(shí)運(yùn)輸?shù)胶谧铀谖恢?。缺了能量，黑子自然就又“冷”又黑了?/p>

太陽黑子上方的磁場結(jié)構(gòu)。（來源：亞利桑那大學(xué))

黑子11年變化規(guī)律與太陽活動(dòng)

1844年，連續(xù)積累18年的太陽黑子群數(shù)量記錄啟發(fā)了德國天文學(xué)家施瓦貝(Samuel Heinrich Schwabe)。在太陽表面呈現(xiàn)的黑子數(shù)隨時(shí)間起伏變化的數(shù)據(jù)中，他發(fā)現(xiàn)了太陽黑子數(shù)量的變化規(guī)律：在為期11年的周期中，黑子數(shù)先增加，之后逐漸減少，最終回到11年周期開始時(shí)的水平。要確鑿的驗(yàn)證這一規(guī)律，18年的數(shù)據(jù)顯然不夠充分。于是瑞士天文學(xué)家沃爾夫(Rudolf Wolf)一頭扎進(jìn)了故紙堆，在浩如煙海的文獻(xiàn)中找到了從1749到1847年的太陽黑子數(shù)記錄。在這些記錄中，太陽黑子數(shù)仍然明顯的以約11年的周期發(fā)展變化。

太陽黑子數(shù)目隨時(shí)間的變化曲線，呈現(xiàn)了明顯的周期性。（來源：SILSO dataimage, Royal Observatory of Belgium, Brussels）

時(shí)至今日，人們已經(jīng)對太陽黑子的11年變化周期有了更深入的認(rèn)識?？茖W(xué)家們將黑子數(shù)變化的周期稱為太陽活動(dòng)周。在每個(gè)太陽活動(dòng)周開始后，在太陽南北緯30度左右出現(xiàn)的黑子群打破了太陽的沉寂，之后，太陽黑子的數(shù)目開始上升，并逐漸達(dá)到活動(dòng)周中的最大值。之后，太陽黑子的數(shù)目會在一定時(shí)間內(nèi)維持在較高的水平，并小幅波動(dòng)。再往后，太陽黑子的數(shù)量開始穩(wěn)步下降，最終在太陽表面上完全消失。隨著太陽活動(dòng)周的發(fā)展，黑子出現(xiàn)的位置也逐漸從南北緯30度附近向赤道附近轉(zhuǎn)移。如果將黑子出現(xiàn)的位置按照時(shí)間順序標(biāo)記到同一張圖上，就會形成一種形似蝴蝶的圖案。

太陽黑子出現(xiàn)緯度隨時(shí)間變化的示意圖，也稱為“蝴蝶圖”。（來源：Wikipedia）

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，沃爾夫?qū)?755年定為第一個(gè)太陽活動(dòng)周的開始，之后，每當(dāng)進(jìn)入新的太陽活動(dòng)周，就將太陽活動(dòng)周的計(jì)數(shù)加一。根據(jù)黑子變化情況確定的太陽活動(dòng)周時(shí)間不是嚴(yán)格的11年，可能比11稍長或稍短。

我們來看下現(xiàn)實(shí)記錄，例如，從1996年8月到2008年12月的第23太陽活動(dòng)周持續(xù)了12.3年，而它之前的第22太陽活動(dòng)周僅持續(xù)了9.9年。在兩個(gè)太陽活動(dòng)周交替的時(shí)期，會出現(xiàn)太陽黑子完全消失的現(xiàn)象。在第23太陽活動(dòng)周末期，共出現(xiàn)了至少817個(gè)“無黑子日”。而2008年更是創(chuàng)造了自有連續(xù)可靠黑子數(shù)記錄以來全年無黑子天數(shù)第二多的記錄，全年中共有266個(gè)無黑子日，僅次于1913年311個(gè)無黑子日的記錄。連續(xù)若干天沒有黑子也是一件稀松平常的事。自1849年起，共出現(xiàn)了29個(gè)連續(xù)30天以上無黑子出現(xiàn)的時(shí)期，其中最長的出現(xiàn)在1913年4月8日至1913年7月8日，共92天。而在1913年，全球平均氣溫正處在穩(wěn)步上升的過程中，黑子的消失并沒有改變這一趨勢。

近百年全球平均氣溫隨時(shí)間變化的趨勢。圖中標(biāo)出的數(shù)據(jù)是每年的平均氣溫減去 1951-1980 年的平均溫度得到的溫度異常值。從圖中不難看出，平均氣溫曲線并沒有和黑子數(shù)曲線那樣明顯的周期性變化。（來源：NASA）

黑子一消失 就意味著冰河期來臨？

為什么太陽黑子一消失，就總會有人“預(yù)言”冰河期要來臨呢？這要從著名的“小冰河期”和太陽活動(dòng)的“蒙德爾極小期”說起。

所謂“小冰河期”，指的是從16世紀(jì)到19世紀(jì)全球出現(xiàn)寒冷天氣的一段時(shí)間。由于那時(shí)的氣象觀測條件還不盡完善，小冰河期持續(xù)的時(shí)間和范圍都存在爭議。有學(xué)者認(rèn)為開始時(shí)間可以前推到1300年。也有學(xué)者認(rèn)為寒冷的氣候主要集中在北半球。

創(chuàng)作于1677年，描述小冰河期冬日場景的畫作。(來源：Wikipedia）

而蒙德爾極小期，則是指1645年至1715年太陽黑子數(shù)量非常低的一段時(shí)間。這個(gè)時(shí)期是天文學(xué)家蒙德爾夫婦通過分析歷史資料發(fā)現(xiàn)的。在這段時(shí)間內(nèi)，太陽似乎休了一個(gè)長假，在本應(yīng)出現(xiàn)的太陽活動(dòng)極大期，黑子也沒有像正常情況下那樣成群結(jié)隊(duì)的出現(xiàn)。

太陽黑子數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，在蒙德爾極小期太陽黑子幾乎消失。

由于孟德爾極小期和小冰河期在時(shí)間上存在重合，有學(xué)者就將地球變冷的原因歸結(jié)于黑子數(shù)目的變化。然而，單純用時(shí)間上的重合來確定因果關(guān)系，難免得出謬誤。

例如，廣東地區(qū)剛剛經(jīng)歷了臺風(fēng)“山竹”的肆虐，而“山竹”登陸后的第二天，發(fā)改委根據(jù)國際油價(jià)變化情況調(diào)整國內(nèi)成品油價(jià)格。如果單純用時(shí)間上的聯(lián)系推斷因果，就會得出“臺風(fēng)山竹導(dǎo)致油價(jià)上漲”，顯然是無稽之談。事實(shí)上，對于“小冰河期”的成因有多種說法。有人認(rèn)為是火山噴發(fā)的增強(qiáng)導(dǎo)致了小冰河期的出現(xiàn)，因?yàn)榛鹕絿姵龅幕鹕交夷軌蛘趽跆栙x予地球的光和熱。還有人認(rèn)為是海洋環(huán)流的異常導(dǎo)致了小冰河期的出現(xiàn)。

確定兩種現(xiàn)象間的因果關(guān)系，一定要找出他們之間是通過怎樣的作用過程而聯(lián)系在一起的。太陽黑子所代表的太陽活動(dòng)水平增強(qiáng)或減弱，對于太陽輻射能量的影響僅有約0.1%，這樣的輻射能量變化不足以引起地球氣候發(fā)生明顯的改變。

目前，對太陽活動(dòng)影響地球氣候的研究仍在進(jìn)行當(dāng)中，研究者們提出了一些可能存在的作用途徑。例如，當(dāng)太陽黑子上面的活動(dòng)區(qū)爆發(fā)太陽風(fēng)暴時(shí)，高能粒子會引起地球大氣中氮氧化物含量的改變，從而使臭氧層的厚度輕微減小。這種效應(yīng)會在大氣層中引起一些列連鎖反應(yīng)，最終引起天氣和氣候系統(tǒng)的一些變化。但是這類太陽活動(dòng)對地球氣候的間接影響，其程度和范圍都尚在探究之中，還沒有“太陽黑子一減少，地球就要冷颼颼”這樣簡單粗暴的結(jié)論得出。事實(shí)上，第23太陽活動(dòng)周的黑子數(shù)量相比前一活動(dòng)周出現(xiàn)明顯的減少，但全球平均溫度依然在徐徐上升。

結(jié)語

太陽黑子之上，一般存在的復(fù)雜的磁場結(jié)構(gòu)，是孕育太陽風(fēng)暴的溫床。因此，太陽黑子的多少是太陽活動(dòng)強(qiáng)弱的標(biāo)志。當(dāng)黑子數(shù)較多時(shí)，太陽將會更加頻繁的爆發(fā)太陽風(fēng)暴，給距離地面100公里以上的空間環(huán)境造成顯著的影響，威脅太空中的航天器安全，也會通過地磁場、電離層的變化將不利影響擴(kuò)展到供電、通信、導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域。因此，對于太陽黑子，我們更應(yīng)該關(guān)心它的多少將如何影響太空中的天氣——空間天氣的變化，而我們?nèi)祟愖陨淼幕顒?dòng)，可能才是目前影響地球氣候變化的主要因素。