珠海点痣哪里最好:IPCC说了什么？（七） 太阳的变化

作者：橡树村
在人类的行为开始对气候够成影响之前，地球表面的气候也一直在变化着。这些变化的最主要的原因就是太阳辐射的变化。对于地球而言，太阳基本上是唯一一个外 部能量来源，太阳提供的辐射的变化就是影响地球表面能量平衡的最重要因素。要了解工业化以来气候变化的原因，那么，就必须了解这期间太阳辐射的变化。
现代对太阳的观测已经比较充分。观测太阳辐射变化最方便的地方是在太空，这样，就需要人造卫星来对太阳到达地球的辐射进行直接测量。从1978年以来，人 们就开始用人造卫星直接对太阳辐射变化进行观察，现在有四个独立的对太阳辐射进行直接观测的卫星系统，这些数据汇总在一起，成为太阳辐射变化数据库的一部 分，给人们的研究提供了很大方便。不过有了详实数据不等于就有了准确数据，测量本身需要校准，对仪器的漂移等等都需要进行一定的处理，这些处理的方法的差 异就会对最终结果导致一些细微区别，不同卫星的数据也会有差别。下图里面展示了1980-2005年太阳辐射的两个分析结果，数据使用的是月平均值，显示 的是变化的百分比。可以看到这段时间的观察，覆盖了两个太阳周期，2005年差不多处在即将达到第三个周期低谷的位置上。这里面，有一组数据比另一组数据 在第二个周期的时候高了0.04%，这被认为很可能是来自仪器的偏差，而不是太阳辐射的实际变化，但是具体原因仍然未知。按照这个数据，基本上可以讲，最 近的这两个太阳周期内，太阳辐射并没有很明显的变化。有人给出了一个辐射周期最小值有0.01%的增高的分析结果，不过数据误差达到了+-0.026%， 也就是说，这个有可能存在的略微增高，不确定性还非常大。因此，从这些数据来讲太阳辐射从1980年以来在增强还是很不充分的。因此可以认为这两个周期 内，太阳辐射的长期增加趋势并不显著。或者说，这两个周期的时间内，地球平均气温变化的长期趋势，与太阳辐射变化的关系不大。
1978年以来太阳辐射的月平均变化。两个颜色的数据来自两个不同的卫星体系
太阳周期就是那个明显的差不多是11年的周期变化，实际上并不是每一个周期都是11年，而是从9年左右到13年不等。这个周期说的是差不多每11年，太阳 辐射的强度就从高到低再到高的走上一圈。伴随这个辐射强度周期的，是太阳黑子和太阳光斑的周期性活动频率，但是具体的变化机理目前还不清楚。太阳辐射也有 一个很广泛的频率范围，在这个周期里面，不同波长的辐射的变化也是有一些区别的。这方面的监测也已经有了，比如200到300纳米的紫外线，周期内变化 1.3%，315到400纳米范围，周期内变化0.2%，而400到700纳米的可见光范围，周期内变化为0.08%，700到1000纳米的近红外区， 周期内变化0.04%，1000纳米到1600纳米范围，周期内变化仅有0.025%。不同波段的能量分配也是不同的，对于地球气温产生重要影响的主要是 波长高于300纳米的可见光和红外辐射。由于太阳辐射的能量主要集中在400到500纳米之间，虽然紫外区的变化比例很大，但是能量的绝对值变化很小。综 合这些因素，太阳周期内太阳辐射能量的变化幅度被定为是0.08%。
太阳的光谱。黄色为大气层顶部的光谱，红色为抵达地面的光谱。
光谱覆盖了三个波段，从左到右为紫外、可见光、红外
但是人类对太阳的精确观测也只有这三十年，这之前的数据就需要通过其他方法来重建。因为AR4所研究的是1750年工业化以后地球能量收支的变化情况，那 么，就需要对这两百多年前的太阳辐射进行估算。太阳辐射的变化会影响到地球地磁的变化，以及一些宇宙同位素的量，通过重建地磁的变化情况，分析在冰芯、树 木年轮里面的宇宙同位素的测定，就可能重建太阳辐射的变化历史。不过这个重建的理论目前仍然不完善。
在2001年发布第三次报告TAR的时候，使用的是1990年代的重建方法。这些方法假定太阳的辐射在已知的约11年周期的基础上，还有一个长周期的变 化。假定这个长周期存在的依据有三个，一个是对其他类太阳的恒星的观测结果，认为太阳现在处于辐射变化比较大的状态；一个是对地磁的长周期变化的观察；最 后一个是依据从宇宙射线同位素得到的太阳辐射模型。根据这个理论推断，1645年至1715年的蒙德尔极小值的太阳辐射比目前的太阳周期极小值的太阳辐射 低了0.15%到0.3%。按照这些方法估算的1750年以来的太阳辐射强迫，最高的数值达到了0.68W/m2，其他几个研究给出的结果也在0.3W /m2左右。TAR综合了1990年代的几个研究结果，最终给出的太阳辐射强迫是0.3+-0.2W/m2，不过同时指出了这方面的认知水平还很低，对太 阳辐射度的历史重建还没有可信的方法。
2000年代初，对上述理论的三个依据都有了新的认识。首先是判定太阳现在处于辐射变化较大状态的宇宙射线同位素依据没有得到重复，研究降低了这个论断的 可靠性；然后发现所谓的地磁变化的长周期，实际上来源于仪器本身的漂移，经过修正以后，这个长周期规律也变得依据不足，至少变化幅度小了很多；最后，人们 发现宇宙射线同位素、地磁等与太阳辐射的关系，可能不是简单的线性关系。这样，1990年代研究太阳辐射变化的三个基本依据都出现了问题，1990年代的 研究结果也就不能使用。
2002年，有研究发现了太阳的磁通量变化与辐射变化的关系，从而导致了2005年对历史上太阳辐射的重新估算。这个新的理论仍然使用地磁和宇宙同位素 C14以及Be10的丰度数据，但是根据太阳开放磁通量的变化的模型，对从1713年到1996年26个太阳周期的太阳磁通量进行重建，进而重建了18世 纪初期以来的太阳辐射变化。这项研究的结果大大降低了这段时间内太阳辐射度的变化幅度，所估计的17世纪蒙德尔极小值与目前太阳周期极小值的太阳辐射差 别，仅为0.04%，仅是1990年代估计的数值的三分之一到七分之一。对于1610年以前太阳辐射数据的重建显示在12世纪时候的中世纪极大值与目前的 周期极大值基本相当，不过这方面的了解仍然有欠缺。在AR4进行整理的时候，研究人员正在试图建立太阳磁通量变化导致的太阳风的变化，所影响的宇宙同位素 的变化，以及后续的一系列物理化学反应的模型。这方面的初步研究结果，指出了最近的70年以来，太阳的活动水平明显高于过去8000年以来的太阳活动水 平，有显著的增强。不过在扣除了化石燃料对所使用的C14数据的影响之后，这个结论有了修正，说最近70年以来的太阳活动的确仍然在增强，太阳活动水平的 确是历史上的高水平，但是并不是特别的高。
两个2000年代初期进行的太阳辐射变化的研究结果。可以看到最近70年太阳辐射的增强，周期波动幅度增大
太阳辐射基本上在1365-1366W/m2附近变化，按照上面的说法，从蒙德尔极小值到现在的周期极小值升高了0.04%，实际增加的辐射就是0.5 W/m2。这个单位不是我们在考虑辐射强迫的时候使用的单位，而是单位截面积上太阳的辐射。把太阳辐射转换成辐射强迫，需要把数值除以4。由于太阳周期的 幅度变化也有不同，最近这个变化幅度也有增加趋势，所以总的太阳辐射能量增加要高于极小值的增加数值。重建结果是从1750年到现在太阳辐射总量增加了 0.05%，相当于+0.12W/m2的辐射强迫，这个数值比TAR时候所估计的+0.3W/m2大幅度降低。有研究专门探讨了这个增加的上限和下限。对 上限的估计是0.12%的变化，相当于+0.30W/m2的辐射强迫，对低限的估计为0.026%的变化，相当于+0.06W/m2的辐射强迫。这样，就有了AR4中采纳的太阳辐射强迫范围，+0.12[+0.06~+0.30]W/m^2。不过需要注意的是，AR4认为这个问题的认识水平虽然比TAR的时候有所提高，但是仍然处于较低的水平。
太阳辐射还可能有间接影响。大气宇宙射线离子和太阳周期有关系，而这个大气宇宙射线离子可能会影响全球平均的低层云覆盖，具体的作用可能是改变云凝结核的 分布，以及云滴数和浓度等的分布，进而对云的反照产生影响。这方面，人们刚发现这里面的可能关系，详细情况和机理都仍然缺乏了解，究竟这个问题是否存在也 有争议，更无法定量研究。此外太阳辐射里面的紫外部分，因为基本上被平流层的臭氧层吸收而不计入辐射强迫中，但是这部分的能量变化幅度最大，实际上贡献了 整个太阳能辐射能量变化的15%。这部分辐射会对平流层的臭氧产生影响，能导致全球臭氧浓度2-3%的变化。对这个问题认识也非常初步，还无法定量研究。
总结一下，AR4中使用了当时最新的研究结果，认为1750年以来，太阳的辐射强迫仅为+0.12[+0.06~+0.30]W/m2，这个数值远远小于前面提到的人类活动造成的辐射强迫+1.6[+0.6~+2.4] W/m2。换句话说，AR4认为太阳在这段时间内的辐射变化，小于人类活动造成的影响。不过需要注意，AR4认为这个问题的认识虽然有了进步，但是水平仍然较低。
1100年来的气候辐射强迫重建。
上面第二个为太阳辐射的重建，第一个为火山影响，第三个为其他因素影响，即人类因素影响。
下图为北半球陆地平均温度重建
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