太空天气与地球天气-从太阳黑子谈到2010-2011年之间不一样的寒冷冰冻季节
太空天气与地球天气-从太阳黑子谈到2010-2011年之间不一样的寒冷冰冻季节
赵孔儒
2011年3月
自1977年以来香港最寒冷的1月
受频密的冬季季候风补充影响，2011年1月平均气温为13.7度，较正常低2.4度，是香港自1977年以来最寒冷的1月份。
寒冷冰冻的天气严重影响农作物的收成
2011年初，全球多个地区出现异常天气。中国、日本和韩国出现异常寒冷冰冻天气，低温均破纪录。此外，俄罗斯干旱、加拿大和澳洲有洪水。这些天气灾害引致农作物减产，导致小麦价格上涨。这使人们联想起以下的事情。
太阳黑子与地球气候
在1801年，英国科学家威廉 · 赫歇尔﹙William Herschel﹚分析了太阳黑子数量（从1650至1800年的观察）的变化及其影响，根据他的观察，黑子稀少时雨量变少；正因如此，太阳黑子间接支配伦敦小麦的价格。因此，他试图把每年的太阳黑子数量与谷物价格联系在一起，提出太阳上可见黑子的数量和小麦价格之间出现「反相关」﹙或「负相关」﹚性关系；即在太阳黑子少或没有期间，小麦失收产量少，价格上涨；而在太阳活动活跃期间，谷物丰收且价格低廉。他相信太阳黑子周期和地球气候之间可能存在因果关系。这个推测与英国农产量在1798年至1804年太阳黑子数上升期间的改善相符。不过，后来一些熟悉股市的经济学家跟进他的研究，发现长期的结果显示这个反相关性影响并非经常出现。
2010年初雷丁大学﹙University of Reading﹚的研究结果
迈克 · 洛克伍德﹙Mike Lockwood﹚，是英国雷丁大学﹙University of Reading﹚的太空环境物理学教授。迈克 · 洛克伍德和他的研究小组比较了过去太阳活动的活跃水平，与英格兰中部过去351年的温度记录。这些数据追溯到「蒙德极小期﹙Maunder Minimum﹚」 ﹙参阅第5段﹚的开始。
迈克 · 洛克伍德认为太阳活动似乎可以调控阻塞事件。当太阳活动不活跃时，阻塞事件更稳定。在2009-2010年之间的冬季，一个持久阻塞而又扭曲的高空西风急流形态导致欧洲天气长期冰冻。「阻塞事件」对地球气候的可能影响已经在
「太阳光在太阳活动周期期间的光谱变化对地球气候的可能影响」里解释过。
太阳黑子极少的「蒙德极小期﹙Maunder Minimum﹚」
在1645年至1715年的这段期间，太阳活动极不活跃，太阳黑子长期只有很少或甚至没有出现，常被称为「蒙德极小期﹙Maunder Minimum﹚」﹙图1﹚。在几乎重叠的一个相近时期，欧洲经历了一连串严寒的冬季，称为「小冰河时期」或「小冰期」。「小冰期」大约发生在从公元前 1550年（或可能早在1300年）至1850年之间一段期间。在此期间，在北半球尤其是在欧洲，天气普遍比现时寒冷，气温较低，高山冰川的范围在世界很多地区蔓延扩展；不仅高山，一些低海拔地区甚至也终年积雪或被冰雪封锁。
图1 蒙德极小期﹙Maunder Minimum﹚与在1610年至2009年期间的每年太阳黑子平均数。（图像来源：NASA）
冷空气的源头与南进
地球南北两极每年都有连续半年时间不见太阳的冷却期，在极区附近积存大量冷空气。图2显示在2011年1月20日的 500百帕斯卡高空天气图，被阻塞的高空西风急流变得异常和极其扭曲的形态，引导大量极寒冷空气从地球北极移向南面，在邻近地区造成十分寒冷的天气；受大陆性气流影响，北方地区，北风凛冽，寒冷干燥；当寒冷气流遇到南方的潮湿空气时，南方一些地区天气可能变得大雪纷飞，天寒地冻。
图2 2011年1月的阻塞事件
在太阳的第24个周期，地球暖化的趋势会否减弱缓慢下来？
美国国家航空暨太空总署﹙NASA﹚一个在2001年的电脑气候模型，再次证明了存在已久的理论，即从 15世纪到18世纪，太阳活动低或静止，是可能曾经改变了北半球的大气环流，并在几个地区，包括北美和欧洲，引发了「小冰河时期」。
迈克 · 洛克伍德也表示，过去超过 9000年的数据表明，太阳活动上升往往很慢，由低﹙沉寂﹚到高﹙活跃﹚期间需要超过300年；但太阳活动下降往往会很快，由高到低期间仅需要略多于 100年。目前的太阳活动下降是从1985年开始﹙图1﹚，现时大约是返回「蒙德极小期」的半路中途。
图3 1885–2008年香港天文台总部录得的年平均气温（1940至1946年间因二次大战没有数据）
在过去120年，太阳黑子数的前半期比后半期低（图1），香港天气的前半期比后半期较冷（图3）。大约在20世纪70年代，香港的气温与太阳黑子数也存在著「正相关」关系（图1和图3）。虽然图1和图3显示了香港气温与太阳黑子数的某种程度「正相关」关系，但是温室效应现在仍然是被理解为气候变暖趋势的一个重要因素。
近几年，因离刚刚过去的2008年太阳活动极小期不远，太阳黑子的数量很少，世界各地异常寒冷的冬天也时有所闻。目前第24个太阳活动周期的太阳黑子数量，已经比当初预期的少。而且比较图1和图4 ， NASA新近预测太阳黑子数量将会远低于之前几个太阳活动周期的太阳黑子数量。若果这种情况持续下去，地球暖化的趋势在太阳的第24个周期期间，会否减弱缓慢下来呢？要提供更完整和令人信服的答案，后续太阳黑子的观测和更多研究是极其重要的。
必需指出，上面讨论的异常寒冷的冬天是指北半球部份地区的情况；地球整体而言仍然是呈暖化的趋势，2010年更是百多年来有仪器量度温度之后的最暖的一年。
图4 2011年2月预测在太阳第24个活动周期的太阳黑子数目（图像来源：NASA）
参考资料：
[1] 「自1977年以来最寒冷的1月」，新增项目 ( 2011年2月1日)，香港天文台。
[2] 「山东动员338万人抗旱」，文汇报，2011年1月10日。
[3] 「对冲基金加注炒高小麦」，文汇报，2011年2月15日。
[4] "Encyclopedia of Planetary Sciences", by James H. Shirley and Rhodes Whitmore Fairbridge, Springer.
[5] "Sun, Weather, and Climate", by John R. Herman and Richard A. Goldberg, Scientific and Technical Information Branch, National Aeronautics and. Space Administration, 1978.
[6] 「中日韩低温破纪录」，明报，2011年1月18日。
[7] 「中国经历近23年来最冷冬天 平均气温为-4.7oC」，中国新闻网， 2011年03月01日。
[8] "Low solar activity link to cold UK winters", Reading in the News (BBC News, 14 April 2010), University of Reading.
[9] 「太阳光在太阳活动周期期间的光谱变化对地球气候的可能影响」。
[10] "Glossary", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[11] "Glossary of Meteorology", American Meteorological Society.
[12] "Solar Cycle Prediction (Updated 2011/02/03)", Space Weather Prediction Center, NASA.
[13] "Solar Physics - Solar Cycle Prediction (Updated 2011/02/03)",Marshall Space Flight Center, NASA.
[14] 「香港气候变化」。
[15] "NASA Research Finds 2010 Tied for Warmest Year on Record", Research News of 12 January 2011, Goddard Institute for Space Studies, NASA.
[1] 「自1977年以来最寒冷的1月」，新增项目 ( 2011年2月1日)，香港天文台。
[2] 「山东动员338万人抗旱」，文汇报，2011年1月10日。
[3] 「对冲基金加注炒高小麦」，文汇报，2011年2月15日。
[4] "Encyclopedia of Planetary Sciences", by James H. Shirley and Rhodes Whitmore Fairbridge, Springer.
[5] "Sun, Weather, and Climate", by John R. Herman and Richard A. Goldberg, Scientific and Technical Information Branch, National Aeronautics and. Space Administration, 1978.
[6] 「中日韩低温破纪录」，明报，2011年1月18日。
[7] 「中国经历近23年来最冷冬天 平均气温为-4.7oC」，中国新闻网， 2011年03月01日。
[8] "Low solar activity link to cold UK winters", Reading in the News (BBC News, 14 April 2010), University of Reading.
[9] 「太阳光在太阳活动周期期间的光谱变化对地球气候的可能影响」。
[10] "Glossary", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[11] "Glossary of Meteorology", American Meteorological Society.
[12] "Solar Cycle Prediction (Updated 2011/02/03)", Space Weather Prediction Center, NASA.
[13] "Solar Physics - Solar Cycle Prediction (Updated 2011/02/03)",Marshall Space Flight Center, NASA.
[14] 「香港气候变化」。
[15] "NASA Research Finds 2010 Tied for Warmest Year on Record", Research News of 12 January 2011, Goddard Institute for Space Studies, NASA.