太阳黑子一减少,地球就要冷飕飕?

2018年9月29日

如果区区15天不出现黑子就能为地球“解暑”的话,那么今年夏天,北方地区就不需忍受副热带高压带来的持续高温闷热天气了。事实上,自2018年初至今,已经累计有一百五十多天在太阳上没有观测到任何太阳黑子。太阳黑子的减少或消失并不意味着地球寒冷期的来临。太阳只不过按照它11年的活动周期,进入了例行的休息阶段。

2018年9月19日SDO卫星的观测数据显示,太阳黑子目前已经在太阳表面上完全消失。(来源:NASA)

什么是太阳黑子呢?

如果你使用加装了滤光片的望远镜观察太阳,会发现太阳表面有时会出现一些黑色的斑点,这便是太阳黑子。太阳黑子倾向于成群出现,太阳上每个黑子群中黑子的数量从一两个到几十个不等。 一些黑子数量多、面积比较大的黑子群是显著的天文现象,在日落或有薄雾时通过肉眼就可以观察到(但请读者不要进行这样的尝试,以免对眼睛造成不可逆的损伤)。

2014年10月18日,SDO卫星观测到的超大黑子群。(来源:NASA)

由于太阳黑子十分容易观察,因此在天文望远镜出现前就已经有了对黑子的记录,其中最早的就来自于我们中华民族那些敏锐的观察着万物变化的祖先们。公元前43年,《汉书》五行志中记载那年四月之中,“日色青白,亡影,正中是有景亡光。”公元前28年,《汉书》又记载“日出黄,有黑气,大如钱,居日中央”。

黑子其实并不黑 

这是因为黑子所在区域的温度低于周围温度。黑子中心的温度约4000~4500K(开尔文),相对于温度在6000K左右的明亮太阳光球显示出了较黑的颜色。实际上,黑子本身也向外发光。如果将黑子单独移动到另一片天空之中,其发出的光亮会比正月十五的月亮还用明亮。

Trace卫星拍摄的太阳黑子精细结构。(来源:Wekipedia)

那么,为什么黑子又会成为太阳上的温度“洼地”呢?

原来,黑子是太阳上强磁场的聚集区,黑子所在位置的太阳磁场强度可达0.1-0.4T(特斯拉),约是地磁场强度的数千倍。组成太阳的物质,并非我们日常生活中所能接触到的固、液、气三态,而是一种被称为等离子体的状态,由带负电荷的电子和带正电荷的离子构成。磁场和等离子体间存在着冻结效应,等离子体不能横越磁力线流动。当磁场较强时,磁力线就像一根根栅栏,阻碍了太阳物质的对流运动,导致太阳内部释放的能量不能及时运输到黑子所在位置。缺了能量,黑子自然就又“冷”又黑了。

太阳黑子上方的磁场结构。(来源:亚利桑那大学)

黑子11年变化规律与太阳活动

1844年,连续积累18年的太阳黑子群数量记录启发了德国天文学家施瓦贝(Samuel Heinrich Schwabe)。在太阳表面呈现的黑子数随时间起伏变化的数据中,他发现了太阳黑子数量的变化规律:在为期11年的周期中,黑子数先增加,之后逐渐减少,最终回到11年周期开始时的水平。要确凿的验证这一规律,18年的数据显然不够充分。于是瑞士天文学家沃尔夫(Rudolf Wolf)一头扎进了故纸堆,在浩如烟海的文献中找到了从1749到1847年的太阳黑子数记录。在这些记录中,太阳黑子数仍然明显的以约11年的周期发展变化。

太阳黑子数目随时间的变化曲线,呈现了明显的周期性。(来源:SILSO dataimage, Royal Observatory of Belgium, Brussels)

时至今日,人们已经对太阳黑子的11年变化周期有了更深入的认识。科学家们将黑子数变化的周期称为太阳活动周。在每个太阳活动周开始后,在太阳南北纬30度左右出现的黑子群打破了太阳的沉寂,之后,太阳黑子的数目开始上升,并逐渐达到活动周中的最大值。之后,太阳黑子的数目会在一定时间内维持在较高的水平,并小幅波动。再往后,太阳黑子的数量开始稳步下降,最终在太阳表面上完全消失。随着太阳活动周的发展,黑子出现的位置也逐渐从南北纬30度附近向赤道附近转移。如果将黑子出现的位置按照时间顺序标记到同一张图上,就会形成一种形似蝴蝶的图案。

太阳黑子出现纬度随时间变化的示意图,也称为“蝴蝶图”。(来源:Wikipedia)

根据历史数据,沃尔夫将1755年定为第一个太阳活动周的开始,之后,每当进入新的太阳活动周,就将太阳活动周的计数加一。根据黑子变化情况确定的太阳活动周时间不是严格的11年,可能比11稍长或稍短。

我们来看下现实记录,例如,从1996年8月到2008年12月的第23太阳活动周持续了12.3年,而它之前的第22太阳活动周仅持续了9.9年。在两个太阳活动周交替的时期,会出现太阳黑子完全消失的现象。在第23太阳活动周末期,共出现了至少817个“无黑子日”。而2008年更是创造了自有连续可靠黑子数记录以来全年无黑子天数第二多的记录,全年中共有266个无黑子日,仅次于1913年311个无黑子日的记录。连续若干天没有黑子也是一件稀松平常的事。自1849年起,共出现了29个连续30天以上无黑子出现的时期,其中最长的出现在1913年4月8日至1913年7月8日,共92天。而在1913年,全球平均气温正处在稳步上升的过程中,黑子的消失并没有改变这一趋势。

近百年全球平均气温随时间变化的趋势。图中标出的数据是每年的平均气温减去 1951-1980 年的平均温度得到的温度异常值。从图中不难看出,平均气温曲线并没有和黑子数曲线那样明显的周期性变化。(来源:NASA)

黑子一消失 就意味着冰河期来临?

为什么太阳黑子一消失,就总会有人“预言”冰河期要来临呢?这要从著名的“小冰河期”和太阳活动的“蒙德尔极小期”说起。

所谓“小冰河期”,指的是从16世纪到19世纪全球出现寒冷天气的一段时间。由于那时的气象观测条件还不尽完善,小冰河期持续的时间和范围都存在争议。有学者认为开始时间可以前推到1300年。也有学者认为寒冷的气候主要集中在北半球。

创作于1677年,描述小冰河期冬日场景的画作。(来源:Wikipedia)

而蒙德尔极小期,则是指1645年至1715年太阳黑子数量非常低的一段时间。这个时期是天文学家蒙德尔夫妇通过分析历史资料发现的。在这段时间内,太阳似乎休了一个长假,在本应出现的太阳活动极大期,黑子也没有像正常情况下那样成群结队的出现。

太阳黑子数随时间的变化曲线,在蒙德尔极小期太阳黑子几乎消失。

由于孟德尔极小期和小冰河期在时间上存在重合,有学者就将地球变冷的原因归结于黑子数目的变化。然而,单纯用时间上的重合来确定因果关系,难免得出谬误。

例如,广东地区刚刚经历了台风“山竹”的肆虐,而“山竹”登陆后的第二天,发改委根据国际油价变化情况调整国内成品油价格。如果单纯用时间上的联系推断因果,就会得出“台风山竹导致油价上涨”,显然是无稽之谈。事实上,对于“小冰河期”的成因有多种说法。有人认为是火山喷发的增强导致了小冰河期的出现,因为火山喷出的火山灰能够遮挡太阳赋予地球的光和热。还有人认为是海洋环流的异常导致了小冰河期的出现。

确定两种现象间的因果关系,一定要找出他们之间是通过怎样的作用过程而联系在一起的。太阳黑子所代表的太阳活动水平增强或减弱,对于太阳辐射能量的影响仅有约0.1%,这样的辐射能量变化不足以引起地球气候发生明显的改变。

目前,对太阳活动影响地球气候的研究仍在进行当中,研究者们提出了一些可能存在的作用途径。例如,当太阳黑子上面的活动区爆发太阳风暴时,高能粒子会引起地球大气中氮氧化物含量的改变,从而使臭氧层的厚度轻微减小。这种效应会在大气层中引起一些列连锁反应,最终引起天气和气候系统的一些变化。但是这类太阳活动对地球气候的间接影响,其程度和范围都尚在探究之中,还没有“太阳黑子一减少,地球就要冷飕飕”这样简单粗暴的结论得出。事实上,第23太阳活动周的黑子数量相比前一活动周出现明显的减少,但全球平均温度依然在徐徐上升。

结语

太阳黑子之上,一般存在的复杂的磁场结构,是孕育太阳风暴的温床。因此,太阳黑子的多少是太阳活动强弱的标志。当黑子数较多时,太阳将会更加频繁的爆发太阳风暴,给距离地面100公里以上的空间环境造成显著的影响,威胁太空中的航天器安全,也会通过地磁场、电离层的变化将不利影响扩展到供电、通信、导航等各个领域。因此,对于太阳黑子,我们更应该关心它的多少将如何影响太空中的天气——空间天气的变化,而我们人类自身的活动,可能才是目前影响地球气候变化的主要因素。

作者单位:哈尔滨工业大学(深圳)

编辑:网络编辑