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太阳究竟怎么了？
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Stuart Clark 文 Shea 编译 |
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太阳黑子一直来来去去，但最近它们却都不见了。几个世纪以来，天文学家一直记录着出现在太阳表面上的黑子，它们可以持续存在数天、数周或者数月的时间。正是这些记录让我们知道了太阳黑子数有着大约11年的循环周期。 但是在过去的两年里，太阳黑子却基本上都消失了。这是近100年来太阳黑子最长时间的缺失，即使是经验丰富的太阳物理学家也对此感到吃惊。“这是在我们的记忆中从未出现过的现象，”美国宇航局马歇尔航天中心的物理学家戴维·哈撒韦（David Hathaway）说。 目前有一支前所未有的空间望远镜舰队正监视着太阳。它们所发回的结果正在以新的方式来描绘着这颗距离我们最近的恒星以及它对地球的影响。太阳黑子和其他线索显示，太阳的磁活动正在减弱，太阳甚至有可能还正在收缩。所有这些结果都暗示太阳内部正在发生深刻的变化。但最大的问题是，这些变化是什么？ 太阳和我们的利害关系正在变得越来越紧密。太阳黑子群是太阳风暴的预警信号，后者可以释放出超过10亿颗原子弹的能量。人们担心这些太阳爆发会对地球造成巨大的破坏，而太阳活动在气候变化中的作用也正在加紧研究。当美国宇航局和欧洲空间局在15年年前发射太阳和日球层天文台（SOHO）时，“了解太阳活动周期并不是它的科学目标之一，”SOHO项目科学家伯恩哈特·弗莱克（Bernhard Fleck）说，“但现在它却成了关键问题之一。”  [图片说明]：SOHO观测到的没有黑子的日面。版权：NASA。 出乎意料 太阳黑子是太阳磁场的窗户。它们形成于来自太阳内部深处的巨大磁圈在太阳表面冒出的地方，由此导致了局部温度的下降，因而看上去呈一个暗斑。太阳黑子数的任何变化都反映出了太阳内部的变化。“在这个过渡期，太阳给了我们一个真正窥探其内部的机会，”哈撒韦说。 当太阳黑子数在为期11年的循环末期下降时，太阳风暴也会平息，所有的一切都会趋于平静。这一“太阳极小”并不会持续很长时间。在一年之内，太阳黑子和太阳风暴又会开始向下一个太阳活动极大进发。 而最近这一次太阳黑子减少的特别之处就在于，太阳无法如往常一样启动下一个活动周期。从2007年底开始太阳平静了下来，所以没有人预计在2008年会出现许多太阳黑子。但计算机模型预测，当太阳黑子真的再次出现的时候，它们会动真格的。哈撒韦曾经认为下一个太阳活动周期的核心将会是“出挑”：更多的太阳黑子，更多的太阳风暴以及向太空释放更多的能量。其他人预测，它将是有资料记录以来最活跃的太阳活动周期。但问题是，太阳并没有接到这些指示。 第一个表明预测错误的迹象是2008年的太阳甚至比预期的更平静。在这一年中73%的时间里太阳表面没有黑子，即使对于太阳极小而言这也是非常可观的。只有1913年的极小较之更甚，没有黑子的时间达到了全年的85%。 随着2009年的到来，太阳物理学家也试图寻找一些太阳活动的表现，但都空手而归。太阳持续低迷，直到2009年12月中旬近些年来最大的一群黑子才出现。最终，太阳恢复正常了？不见得。 即便这个太阳活动周期终于开启，但迄今太阳黑子数仍远远低于预期。太阳内部似乎已经发生了变化，而这些变化是模型没有预测到的。但究竟是什么变化？ 大量的空间和地面望远镜观测表明，答案就隐藏在两条巨大的气体传送带中，它们会不断循环太阳内部和整个表面的物质以及磁场。平均而言，这两条传送带完成一次循环需要40年。 当哈撒韦的小组在研究观测数据来寻找他们的模型哪儿出了问题时，他们注意到，穿过太阳表面的传送带气体流自2004年以来就已经加快了。 太阳内部深层的流动则是另一回事。美国国家太阳天文台的雷切尔·豪（Rachel Howe）和弗兰克·希尔（Frank Hill）通过观测由太阳震动波引起的表面扰动来推测太阳内部的状况。在分析了2009年的数据之后他们发现，虽然表面的流动在加快，但内部的却在放缓。 这些发现使得目前最好的太阳计算机模型陷入混乱。“虽然这无疑是对我们现有理论的挑战，”哈撒韦说，“但这是好事。” 这不仅仅是我们对太阳认识的问题，我们还将从中受益。太阳活动的变化对地球的气候有多大程度的影响是最令人关注的。这同时也是极具争议的。有人正在试图证明，太阳的变化是气候变化的主要原因，这个想法能让人类以及人为温室气体排放摆脱困境。同样也有人主张，太阳在气候变化中只不过是一个微不足道的角色。 如果这一争端可以通过实验来解决的话，那么很明显的策略就是看一看在某种可导致气候变化的因素受到控制之后会发生什么。太阳活动持续走低的这两年是检测的好机会，因为它会大幅度改变照射到地球上的太阳辐射的量。“作为一个自然实验，这是再最好不过的事情了，”英国帝国理工学院的气候学家乔安娜·黑格（Joanna Haigh）说，“现在我们要看看地球是如何响应的。”
气候联系 英国雷丁大学的迈克·洛克伍德（Mike Lockwood）可能已经发现了其中的一个，那就是2009年到2010年间欧洲异常寒冷的冬天。他研究了可以回溯到1650年的数据记录，发现欧洲在太阳活动较弱的时期更容易出现严冬。这正好符合太阳活动会对全球总体气候造成小变化、但在局部产生大影响的图景。 另一个例子是蒙德极小期，即从1645年至1715年期间太阳黑子几乎消失、太阳活动急剧下降的时期。按照德国波茨坦气候影响研究所的格尔克·福伊尔纳（Georg Feulner）和斯特凡·拉姆斯多夫（Stefan Rahmstorf）的计算，如果一个类似的太阳不活跃期从现在开始并持续到2100年的话，它平均会减轻全球变暖0.3℃。然而，某些机制会放大蒙德极小期对北欧的影响，这在历史上被称为“小冰期”。此时，较以往更寒冷的冬天会变得更频繁，欧洲的平均气温会下降1～2℃。 一个相应的升温现象则出现太阳能量输出的峰值阶段。2008年美国海军研究实验室的朱迪思·利恩（Judith Lean）发表的一份研究报告显示，强太阳活动会对北欧产生不成比例的变暖影响。 那么，为什么太阳活动会产生这些影响呢？研究太阳模型的天文学家可能已经找到了答案。自2003年以来，空间仪器设备一直在测量太阳在不同波段上的能量输出强度，并寻找它和太阳活动之间的相关性。结果指向了太阳的紫外线辐射量。“紫外线的变化远远远远超过了我们的预期，”洛克伍德说。 紫外线和太阳活动密切相关：太阳耀斑会发出强紫外线，它也由此把耀斑的能量送入了太空。由于紫外线会被平流层中的臭氧层所吸收，这对于地球气候而言可能具有特别重大的意义。 到达平流层的紫外线越多，所形成的臭氧就越多。而更多的臭氧又会导致平流层吸收更多的紫外线。因此，在太阳活动加剧的时期，平流层的温度会上升，这会影响其中的风。“输入到平流层中的热量比我们想象的还要变化多端得多，”洛克伍德说。 对平流层加热的增强可能导致了欧洲受太阳活动变化影响的加剧。早在1996年，黑格证明平流层的温度会影响到在高空从西向东穿过欧洲的急流。 洛克伍德的最新研究表明，当太阳活动较弱时，急流更容易形成巨大的拐折，阻碍温暖的西风到达欧洲，而让来自西伯利亚的北极风主宰欧洲的天气。 气候研究的教训是显然的。“在欧洲有这么多的气象台站，如果我们不小心，这些太阳因素可能会影响我们的全球平均结果，”洛克伍德说。换句话说，不考虑太阳对欧洲气候的影响可能会扭曲我们对全球气候变化的了解。 不过，一波未平，一波又起。自15年前发射以来，SOHO已经观测了两个太阳极小：一个完整的太阳活动周期和两个部分的太阳活动周期——其中一个在1996年结束，另一个才刚刚开始。期间SOHO上的太阳辐照变化与重力震荡（VIRGO）实验测量了总太阳辐照，即太阳所辐射出的总能量。它的测量可以和早期结果相结合，一起给出太阳30年来能量输出的变化。结果显示，在最近的太阳极小期内，太阳的能量输出较以往的极小下降了0.015%。这听起来并不多，但却是一个意义重大的结果。 我们曾经认为太阳的能量输出是一尘不变的。在1980年美国宇航局发射了太阳极大任务探测器之后，这种观点开始发生了转变。它的观测显示，在一个太阳活动周期中太阳的能量输出可变化大约0.1%。 收缩的恒星 尽管存在这一变化，但在前三个太阳极小中总太阳辐照都会下降到相同的水平。然而，在最近这个漫长的极小期中却不是。虽然观测到的跌幅很小，但这一事件本身却是前所未有的。“这是我们第一次测量到总太阳辐照的长期变化趋势，”VIRGO实验首席科学家、瑞士世界辐射中心的克劳斯·弗勒里希（Claus Fruehlich）说。 如果太阳的能量输出在不断变化，那么它的温度必定也是如此。虽然太阳耀斑可以加热表面的气体，但太阳核心的变化会对温度产生更重要的影响，尽管计算显示它要花成千上万年的时间才能从太阳内部渗透到它的表面。不管是什么机制，太阳表面的温度越低，用来支撑其庞大身躯的能量就越少。产能下降的结果是，太阳正在收缩。 观测显示确实如此。早在17世纪法国天文学家让·皮卡尔（Jean Picard）因为测量太阳的直径而一战成名。当时正值蒙德极小期，他获得的测量结果大于现代值。这仅仅是皮卡尔的测量误差，还是从那时起太阳就一直在收缩？“就此一直有许多热烈的讨论，但问题依然悬而未决，”法国皮埃尔和玛丽·居里大学的热拉尔·蒂利耶（Gérard Thuillier）说。 由于地球大气层的扭曲效应，地面望远镜的观测精确尚不足以解决这个问题。因此，法国空间局设计了一个名为“皮卡尔”的任务来精确地测量太阳的直径并寻找有关的变化。 但是由于俄罗斯和邻国哈萨克斯坦的政治分歧让原本打算使用俄罗斯第聂伯火箭所进行的发射陷入了无奈的困境。在纠纷解决之前，唯有等待。然而，随着太阳正在步履蹒跚地进入下一个活动周期，每拖延一天就意味着错失宝贵的数据。“我们需要现在就发射，”蒂利耶说。 至于太阳下一步要做什么已经超出了我们的预测能力范围。大多数天文学家认为，太阳活动周期将继续，但活动水平会类似19世纪显著下降。不过，也有证据表明，太阳也许正在失去它生产太阳黑子的能力。到2015年，它们可能会完全消失，令我们陷入一个新的蒙德极小期——一个新的小冰期。 当然，太阳活动仅仅是气候变化的自然原因之一。火山爆发是另一种，它会把气体和尘埃喷入大气。然而，了解太阳的精确变化以及它对地球上不同区域天气模式的影响仍然至关重要。气候科学家随之就能在解释现代测量结果和重建气候变迁历史的过程中改正这些影响。只有这样我们才能就太阳对地球及其气候的真实影响水平达成一个无懈可击的共识。 （本文已刊载于《世界科学》2010年第12期） |
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出自：New Scientist
发布日期：2010-06-23 |
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