太陽光在太陽活動週期期間的光譜變化對地球氣候的可能影響
太陽光在太陽活動週期期間的光譜變化對地球氣候的可能影響
趙孔儒
2010年12月
直覺和研究結果之間的差異
憑直覺，大多數人會認為，在太陽活動活躍期（如太陽活動極大期），太陽輻射會釋放著更多的光和熱，使地球升溫暖化；在太陽活動減少時，太陽輸出的總能量會減少，則會使地球降溫冷卻下來。然而，倫敦帝國學院的大氣物理學家喬安娜 · 黑格（Joanna Haigh）和她的同事最近最卻發現，太陽輻射影響地球表面氣候的方式恰巧相反，至少在2008年的太陽活動極小期（圖1）之前幾年（2004-2007年，在太陽黑子第23 個週期）的太陽活動衰退時期是這樣的。研究結果刊登在2010年10月出版的《自然》（Nature）期刊上。
圖1 2010年11月預測在太陽活動第24個週期的太陽黑子數目（圖像來源：NASA）
太陽的光譜變化
他們發現，在這幾年紫外線輻射量遠小於預期，而到達地球的可見光則增加。雖然太陽活動是在下降階段，使地球表面溫暖的可見光卻增加了。
光譜的變化似乎已經改變了大氣層內的臭氧分佈。他們指出在2004-2007年期間，在海拔約45公里高空以下的平流層（也叫同溫層）臭氧濃度減少了，而在此高度之上的大氣臭氧濃度則增加。
黑格還描述了一種關於臭氧作用的理解︰臭氧對太陽紫外輻射變化的反應，會調節太陽光的「輻射強迫」。臭氧增加可以減少達到對流層頂的太陽紫外線輻射通量，及增加在平流層的紅外線輻射通量。實際影響是淨向下的太陽輻射通量有小量增加。
圖2 臭氧通常在平流層中部﹙或較低部分﹚附近最為濃密。
什麼是「輻射強迫」？
「輻射強迫」是指由於影響氣候變化的外部驅動強度改變﹝例如︰二氧化碳濃度及太陽輻射輸出等變化﹞，令在對流層頂的垂直光輻照度或太陽輻射通量的淨變化（向下減向上的能量傳遞）。若「輻射強迫」是正數時，進入的能量比逸出的更多，表示地球表面和低層大氣變暖；而「輻射強迫」是負數時，逸出的能量比進入的更多，表示地球表面和低層大氣變冷。
在「政府間氣候變化專門委員會」（IPCC）的報告裡，「輻射強迫」被進一步定義為相對於自從1750年（工業化之前的年代）的變化。它通常是以全球的年平均值計算。
除了「輻射強迫」外，「臭氧反應」對氣候的可能效應是什麼？
臭氧不單吸收紫外線而化成熱能，它的溫室氣體特性亦使它吸收從地球表面射往太空的紅外線。臭氧愈多，平流層愈暖；臭氧愈少，平流層（圖2）便變冷。平流層的變化，或有可能間接向下影響到對流層大氣環流的改變，導致產生氣候轉變。
可能產生的天氣異常效果
黑格的發現已引起其他科學家的注意，并引發討論。如果太陽活動和與臭氧有關的「輻射強迫」對地球升溫和降溫的影響可以不同步，對流層和平流層調節地球氣候的過程將會是怎樣進行的？另一位科學家（奎恩 · 施梅爾 Quirin Schiermeier）在回應黑格的發現時，重復申述一些氣象學家的一個信念，那就是在太陽活動處於低潮的階段，「阻塞事件」可能會更頻繁地發生。
圖3 在2008年1月22日的500百帕斯卡高空天氣圖上，由一個阻塞高壓和一個切斷低壓組成的一個阻塞天氣系統，出現在北亞的西邊。與此同時，一道深而且大的西風槽（內藏有一個低壓中心）出現在北亞的東部地區。
什麼是「阻塞事件」？
圖3是一個典型「阻塞事件」的情況，顯示了一個由一個阻塞高壓（在極區側）和一個切斷低壓組成的「阻塞系統」。該阻塞高壓附近的高度場形態類似希臘字母Ω（歐米茄）的形狀。切斷低壓是一個完全脫離了高空西風氣流的封閉形冷心低壓。
一個阻塞系統是一個緩慢移動或幾乎停留不動的大型天氣系統。在它前面（東面）的高空西風氣流，因為被阻塞系統扭曲了，形成一個形狀顯著起伏的波動氣流或深槽。受這種幾乎停留不動的大型天氣系統和相關深槽支配下的不同地區，地區性的乾燥、下雨、降雪或寒冷天氣可以持續多天。此外，一個阻塞系統的崩潰也會讓大量極寒冷空氣獲得釋放南下。若「阻塞事件」和「阻塞系統」崩潰頻密地出現，發生例如雪災和非常寒冷等地區性極端天氣的可能性將會增加。
因此，「阻塞事件」是對流層上部不尋常的高空（例如︰在500百帕斯卡高空）西風急流形態，可以導致寒潮和反常的天氣。由於太陽活動是大約每11年週期循環的，所以對氣候應該不會有長遠的影響。對了解和量化自然氣候的波動，黑格的研究結果也許可以提供一些線索。
儘管全球平均氣溫上升，異常凍冷的天氣事件仍有出現
紫外線通量在太陽活動衰退期下降得比預期多，加上在海拔約45公里高空以下的平流層，臭氧減少可能令對流層頂以上的部分平流層（圖2）氣溫下降，會否因此意味著平流層和對流層之間隨後會出現相互作用，引發高空急流異常，導致「阻塞形勢」使極地冷空氣持續南下（圖3），造成地面出現地區性極端天氣呢？
最近幾年正是太陽黑子的極小時期，太陽活動處於低潮，一些地區在全球平均氣溫上升的趨勢下，冬季仍有異常凍冷天氣出現，例如於2008年初，發生在中國華南地區的雪災及香港四十年來歷時最長的寒潮（圖4）。由於2008年是太陽活動極小期的一年，與這一年年初的異常凍冷的天氣事件，是否有一些關聯或是否巧合呢？發生在2007年底至2008年中的拉尼娜事件，是否也可能是這一段寒冷天氣事件的另外一個原因呢？... 要更好地了解和解答這些問題，科學家需有更多資料以便進行進一步的研究。
圖4 在2008年初持續很久的寒潮期間，一個強大而持久的高壓系統影響東亞大部分地區。其中心曾於2008年1月22日出現在蒙古附近。
參考資料：
[1] "An influence of solar spectral variations on radiative forcing of climate", by Haigh, J. D., Winning, A. R., Toumi, R. & Harder, J. W., Nature, Vol.467, No.7316, pp.696-699, 7 October 2010.
[2] "Declining solar activity linked to recent warming", by Quirin Schiermeier, published online on 6 October 2010, Nature.
[3] 2008 年華南雪災與香港的寒冷天氣回顧。
[4] 四十年來歷時最長的寒潮，新聞公報 ( 2008年02月13日)，香港天文台。
[5] 2008年初華南沿岸地區持續寒冷的天氣分析和預報技巧 - 唐宇煇、李月嬋 & 陳世倜，香港天文台，2009年第23屆粵港澳氣象科技研討會。
[6] "Glossary", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[7] "Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[8] "El Nino and La Nina", Hong Kong Observatory.
[9] "List of El Nino & La Nina years", NOAA La Nina Page, National Oceanic and Atmospheric Administration.
[10] "Solar Cycle Prediction (Updated 2010/11/03)", Space Weather Prediction Center, NASA.
[11] "Layers of the Atmosphere - Standardized Temperature Profile", National Weather Service, NOAA.
[12] "Earth's ozone layer appears to be on the road to recovery", NASA Science, NASA.
[13] "The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI)", NOAA Earth System Research Laboratory.
[1] "An influence of solar spectral variations on radiative forcing of climate", by Haigh, J. D., Winning, A. R., Toumi, R. & Harder, J. W., Nature, Vol.467, No.7316, pp.696-699, 7 October 2010.
[2] "Declining solar activity linked to recent warming", by Quirin Schiermeier, published online on 6 October 2010, Nature.
[3] 2008 年華南雪災與香港的寒冷天氣回顧。
[4] 四十年來歷時最長的寒潮，新聞公報 ( 2008年02月13日)，香港天文台。
[5] 2008年初華南沿岸地區持續寒冷的天氣分析和預報技巧 - 唐宇煇、李月嬋 & 陳世倜，香港天文台，2009年第23屆粵港澳氣象科技研討會。
[6] "Glossary", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[7] "Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[8] "El Nino and La Nina", Hong Kong Observatory.
[9] "List of El Nino & La Nina years", NOAA La Nina Page, National Oceanic and Atmospheric Administration.
[10] "Solar Cycle Prediction (Updated 2010/11/03)", Space Weather Prediction Center, NASA.
[11] "Layers of the Atmosphere - Standardized Temperature Profile", National Weather Service, NOAA.
[12] "Earth's ozone layer appears to be on the road to recovery", NASA Science, NASA.
[13] "The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI)", NOAA Earth System Research Laboratory.