太阳驱动地球环境变化研究进展

明 太 阳活 动 与全 球 云量 存 在 相 关 关 系［ 。 Ｆ ｉ — ｒ － ｒｓ Ｃｈ ｉ ｓ ｓ
ｔｎ ｅ ｅ ｓ ｎ等指 出 Ｉ Ｃ Ｓ ＣＰ（ 球 云 气 候 学 研 究 计 划 ） 观 测 全 的
数 据显 示 在一 个 太 阳活 动 周 期 内全 球 云量 有 ３ ～４ ％ ％ 的变化 ， ３％ 的 云量 变化 相 当于 ０ ８ １ ７ｗ ／ ． ～ ． ｍ 的 辐射
极 小期 到 现 代 的 太 阳 常 数 变 化 只 有 ０ ０ ％ 左 右 ， 约 ．５ 大
０ １ 的太 阳辐 射变 化 相 当于 大 气 层 上 部 １ｗ／ ．％ ｍ２的 辐 射强 迫 ， 达 地 表 的 太 阳辐 射 量 仅 约 为 ０ １ｗ／ ［ ３ 到 ． ｍ２２ 。 ４ 如此 细微 的能 量 变 化 尚 不 能 直 接 引起 地 球 环 境 的剧 烈
加 ， 凝结 核 增 加 ， 而使 全 球 云 量 增 加 ， 的 阳伞 效 应 云 从 云 导 致 地 面 接 受 太 阳辐 射 量 降低 ， 终 导 致 全 球 变 冷 ； 最 相
反 ， 太 阳 活动 较 强 的时 期 ， 在 全球 云量 降低 ， 表 接 受 的 地 太 阳辐 射增 加 ， 导致 全 球变 暖 。Ｔｉｓ ｙ等 ［ ］ 出 的“ ｎｌ ｅ ３提 １ 静
・ １ ４ ・ ５
长 度存 在 １ ０年 左 右 的 跃 变 周 期［９ ， 一 周 期 性 变 化 ０ １ 这 ３
自 然 杂 志 第３ ４卷第 ３期
与 长序 列 的 气 候 记 录 中 许 多 百 年 尺 度 变 化 周 期 相 一 致［３ ２ 。在 十年 尺 度 上 的 环 境 变 化 中 包 含 强 烈 的 １ ｏ １年 周 期 ［ ］ 这 与太 阳黑 子 周 期 一 致 。此 外 许 多 地 区旱 涝 ２ ， 灾 害 也有 １ １年周 期［２ ， 明 太 阳 活 动 对 地 球 气 候 系 统 ３ 说 存 在 较 为重 要 的影 响 。
变 化 ， 个数 量 级 的辐 射 效应 与 工业 革 命 以来 ＣＯ２含量 这
３ ２静 电一 量 一 表 辐 射 变 化 机 制 ． 云 地
另 一种 放 大 机 制 用 云 对 太 阳 辐 射 的 影 响 来 解 释 。 基 本 原理 是 太 阳活 动 减弱 引 起 太 阳磁 场 降 低 ， 进 入 大 使
气 层 的宇 宙 射 线 通 量 增 加 ， 成 大 气 带 电 粒 子 数 量 增 造
要 表 现在 千 年 尺 度 上 气 候 变 化 与 重 建 的 太 阳 活 动 指 标
相 匹 配 ， 百 年尺 度 上气 候 变化 与 太 阳 黑 子周 期 长度 的 在 变 化 周期 （ＣＬ） 一 致 ， 在 十 年 尺 度 上 气 候 变 化 记 录 Ｓ 相 而 中存 在 １ １年 太 阳黑 子变 化 周期 。 在 千年 尺 度上 ， 气候 变 化 的 地 质 记 录 与 太 阳 活 动 变 化 序 列 具 有 良 好 的 对 应 关 系 。 Ｅ ｄ Ｅ － ］指 出 过 去 ｄ ｙ１ １ ４ ５
１ 不 同 时 间 尺 度 地 质 记 录 中 太 阳 变 化 印 记
１ １长 时间 尺度气 候 变化过 程与 轨道辐 射 强迫 ．
第 四 纪全 球气 候 的 一个 重 要 特 征 就 是 冰 期 一 冰 期 间 旋 回 。米 兰科 维 奇理 论 认 为 轨道 偏 心 率 、 赤 交 角 和 岁 黄
转 型 的因 素之 一 ［ 。太 阳 黑 子 周 期 长 度 （ ＣＬ） 是 指 伽 Ｓ 也 示 太 阳活 动 强 弱 的一 个 参 数 。研 究 表 明太 阳 黑 子 周 期
素 ， 指出北纬 ６ 并 ５度 附近 夏 季 太 阳 辐射 变 化 是 驱 动 冰
期旋 回的 主 因。 该 理 论 能 够 较 好 地 解 释 北 半 球 冰 盖 的 大规 模 进 退 ， 得 到 众 多 地 质证 据 的支 持 ［ ］ 虽 然 近 并 。 一
以直 接 驱 动 气 候 变 化
虽 然 大量气 候 记 录 中含 有 受 太 阳 变 化 影 响 的 印 记 ，
全球 不 同 区域 的气 候 变化具 有 相 同或 相 似 的周 期 也 可 能 说 明太 阳变 化对 气候 系统 具有 驱 动 作用 ， 在 １ 但 １年 太 阳 黑 子周期 上 ， 达 地 球 大 气 层 顶 部 的 太 阳 总 辐射 变 化 为 到 ０ ０ ％ ～０ １ ， ．８ ． ％ 现有 的两 个 半 观 测周 期 内也 没有 发 现 有 长期 变动 的趋势 ［ 。Ｉ Ｃ ２ Ｐ Ｃ第 四次评 估 报 告 认 为从 蒙 德
分成 ３个 时 间 尺 度 ： 造 尺 度 （ ０ 构 １ 年 以 上 ） 轨 道 尺 度 、 （ ０ ～ １ 年 ） １６ ０ 和亚 轨 道 尺 度 （ ０ ～ １ １ ０年 ） 不 同 时 间尺 ，
年 来 的一 些研 究 也 对 该 理 论 提 出 了挑 战［ ， 如 一 些 ８］ 例 － 低 纬 地 区并没 有 明 显 的 １ ０万年 冰 量 变 化 周 期 ，而 是 以
响［ ］ 来 自中国 的 高 分 辨 率 石 笋 记 录 也 表 明 太 阳 活 动 ”，
是 驱动 季 风强 弱 的重 要 因 素［ ｌ ７。我 们 最 近 对 红 原 泥 炭
记 录 的全新 世 冬 夏季 风 变化 序 列 的研 究 还 表 明 ， 阳辐 太 射在 千 年 尺度 上 变 化 速 率 有 可 能 是 导 致 中全 新 世 气 候
２万 年 岁差 周 期 为 主 ［Ｊ２ ，但 该 理 论 在 解 释 长 时 间 尺 １ １ｌ Ｉ ＿ 度 气候 变 化驱 动 力 方 面依 然被 大 多数 科 学家 认 可 。
１ ２短时 间尺度 气候 变化 与太 阳活动 ．
大 量研究 表 明 ， 千 年 到 十 年 时 间 尺 度 上 ， 阳 活 在 太
Ｐｒ ｒ ｓ ｏｇ ｅ ｓ
Ｃｈｎ ｓ ｏ ｒ ａ Ｊ Ｎａ ｕ ｅ Ｖｏ ３ ｏ ３ ｉｅｅＪ ｕ ｎ ｌｏ ｔ ｒ １ ４Ｎ ．
．
太 阳驱 动 地球 环 境 变 化研 究进 展 ＊
刘 毒 ① 于 学峰 ② Ｉ 】
① 博 士 研究 生 ， 副 研 究 员 ，中 国科 学 院地 球 环 境 研 究 所 黄 土 与 第 四纪 地 质 国家 重 点 实 验 室 ， 安 ７ ０ ７ ② 西 １０ ５ ＊国 家 自然 科 学 基金 项 目（０ ０ １ ０４ ０ ３ ０ ） 国家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 （０ ０ Ｂ ３ ４ ５ ４９ ２ ０ ，１ ２ ０ ６ ； ２ １Ｃ ８ ３ ０ ）
２ 短 时 间 尺 度 太 阳 辐 射 变 化 可 能 不 足
的变 化 ； 温 盐 环 流热 输 送 效 率 的 降 低 ， 然 引 起 高 低 ② 必
纬 之 间热 力 差异 加 大 ， 强 低 纬 海 洋 气 团 向 高 纬 度地 区 加 输 送 ， 而 引起 季 风 加强 ， 显然 与 地质 记 录相 矛 盾 。 从 这
２ ０世 纪 ８ ０年 代 以来 ， 随着 全球 变 暖及 其 政 治 化 ， 气 候变 化 及其 对 人 类 生存 的 威 胁 已经 成 为全 世 界 关 注 的 话 题 之 一 。过 去 气 候 变 化 作 为 理 解 当前 气 候 变 化 规 律 的一 面镜 子 ， 也受 到 高度 重 视 。过 去 气候 变化 一 般 被 划
变化 。为 了解 释气 候 记 录与 太 阳变 化 一 致 性 的现 象 ， 必
须 有 一 种 “ 大 机 制 ” 放 。
电 制冷 机 制” 太 阳活 动 与全 球 云 量 、 候 系 统 辐 射 平 将 气
衡 联 系起 来 ， 太 阳活 动 影 响地 球 能量 平 衡 研 究 中 的一 是 项 突破 。近年 来 关 于 太 阳活 动 和 云 量 观 测 的 事 实 也 证
放大 机 制 ， 现 这些 物 理模 型在 解 释 某种 气候 现 象 时具 有 很 好 的 适 用性 ， 在 其 他 方 面 也 往 往 存 在 一 定 缺 陷 。我 们 发 但
认 为 ： 阳变 化 是驱 动 地球 环境 变 化 的最 根本 因素 ； 球环 境 变化 可 能直 接 响 应 太 阳 变 化 。 要 么太 阳活 动 引起 的 辐 太 地 射量 变 化 在气 候 系统 中 的作 用 被低 估 ， 么还 有 未被 发 现 的新 机 制 ， 来 的研 究应 该 针对 这 两个 问题 展 开 。 要 未
关键 词 太 阳活动 太 阳辐射
气候 系 统
放 大机 制
太 阳是 地 球表 层 系统 最 重 要的 能量 来 源 ， 球表 层 环境 变 化记 录 中 含 有太 阳辐 射 变 化 或太 阳活 动 的 印 记 ， 际 地 实 观测 的 太 阳辐 射变 化 却被 认 为不 足 以 引起地 球 气候 系统 的剧 烈 变化 ， 同学 者发 展 了 多种 物理 模 型 来 解 释 太 阳驱 动 不 地球 环 境 变化 的机 制 。本 文 从地 质 记录 入 手 ， 述 了太 阳影 响不 同时 间 尺度气 候 变化 的地 质一 综 生物 记 录 ， 述 了 几种 评
动 是影 响地 球 气 候 变 化 主要 的 自然 驱 动 力［’ 。 。 主 １ 。
度变 化各 有 不 同 的驱 动机 制 ［ 。除 了在 地 球 演 化历 史 ３ － 过程 的早 期 阶 段 来 自地 球 内部 的 热 量 以 及 板 块 运 动 等
曾起 过 作 用外 ， 阳作 为地 球 主 要 的 外 部 能 量来 源对 地 太 球表 层 环 境 系 统 的 变 化 起 着 最 重 要 的作 用 。理 清 太 阳 在不 同时 间尺 度 上 对 地 球 环 境 系 统 的驱 动 机 制 是 理 解 过去 以及 未 来 环境 变 化规 律 的基 础 。
３ 太 阳变 化 引 起 的 辐 射 量 变 化 及 放 大
机 制
３． １温 盐 环 流 模 型
温 盐环 流 （ ＨＣ） Ｔ 变化 是 ２ ０世 纪末 提 出的 一种 可 能 影 响气 候 变率 的地 球 内部 反 馈 机 制［５ ７ 。温 盐 环 流 是 ２２］ －
由海 水 温 度 和 盐 度 差 异 引 起 的 密 度 梯 度 驱 动 的 全 球 洋
差 的周 期Leabharlann Baidu变化 导 致 地 球 接 受 太 阳 辐 射 的 季 节 和 地 区 分 布发 生 变 化 ， 半 年 日照 量 的减 少 是 冰 期 形 成 的主 要 因 夏
７５ ０年 中 ， 阳活 动较 弱 时地 表 气 温 下 降 ， 之 则气 温 ０ 太 反 升高 。Ｋａｌｎ和 Ｋｕ ｌｎ ｔ ｒ ａ ］ 现 过 去 ９０ ０年 中 ｒ６ ｙｅ ｓ ｅ ｎ ［ 发 ｉ ０ 斯 堪 的 纳维 亚 地 区 的 绝 大 多 数 冷 事 件 的 发 生 时 间 与 太 阳 活动 强 度 弱 的 时 间一 致 。北 大 西 洋 浮 冰 碎 屑 记 录 的 全新 世 气候 变 化 １５ ０年 准 周 期 被 认 为 受 太 阳 活 动 影 ０
科 技 进 展 度 ， 低 高低 纬 之 间 热 量交 换 的效 率ｌ。 。这 一 机 制 强 降 ３ ］ 调 了北 半球 高 纬地 区太 阳辐 射 的改 变 对 全 球 的影 响 ， 也 能成 功 解 释很 多 气候 突 变 事件 ， 至少 在 两 个 方 面 尚存 但 在缺 陷 ： 如 果 北 半 球 高 纬 地 区 响 应 太 阳 辐 射 量 的 改 ① 变 ， 么 中低 纬 地 区也 能 够 响应 这 种 变 化 ， 意 味 着 即 那 那 使 没有 这 个放 大 机 制 ， 球 气候 也 会 直接 响应 太 阳辐 射 全