太空天氣與地球天氣-從太陽黑子談到2010-2011年之間不一樣的寒冷冰凍季節
太空天氣與地球天氣-從太陽黑子談到2010-2011年之間不一樣的寒冷冰凍季節
趙孔儒
2011年3月
自1977年以來香港最寒冷的1月
受頻密的冬季季候風補充影響，2011年1月平均氣溫為13.7度，較正常低2.4度，是香港自1977年以來最寒冷的1月份。
寒冷冰凍的天氣嚴重影響農作物的收成
2011年初，全球多個地區出現異常天氣。中國、日本和韓國出現異常寒冷冰凍天氣，低溫均破紀錄。此外，俄羅斯乾旱、加拿大和澳洲有洪水。這些天氣災害引致農作物減產，導致小麥價格上漲。這使人們聯想起以下的事情。
太陽黑子與地球氣候
在1801年，英國科學家威廉 · 赫歇爾﹙William Herschel﹚分析了太陽黑子數量（從1650至1800年的觀察）的變化及其影響，根據他的觀察，黑子稀少時雨量變少；正因如此，太陽黑子間接支配倫敦小麥的價格。因此，他試圖把每年的太陽黑子數量與穀物價格聯繫在一起，提出太陽上可見黑子的數量和小麥價格之間出現「反相關」﹙或「負相關」﹚性關係；即在太陽黑子少或沒有期間，小麥失收產量少，價格上漲；而在太陽活動活躍期間，穀物豐收且價格低廉。他相信太陽黑子週期和地球氣候之間可能存在因果關係。這個推測與英國農產量在1798年至1804年太陽黑子數上升期間的改善相符。不過，後來一些熟悉股市的經濟學家跟進他的研究，發現長期的結果顯示這個反相關性影響並非經常出現。
2010年初雷丁大學﹙University of Reading﹚的研究結果
邁克 · 洛克伍德﹙Mike Lockwood﹚，是英國雷丁大學﹙University of Reading﹚的太空環境物理學教授。邁克 · 洛克伍德和他的研究小組比較了過去太陽活動的活躍水平，與英格蘭中部過去351年的溫度記錄。這些數據追溯到「蒙德極小期﹙Maunder Minimum﹚」 ﹙參閱第5段﹚的開始。
邁克 · 洛克伍德認為太陽活動似乎可以調控阻塞事件。當太陽活動不活躍時，阻塞事件更穩定。在2009-2010年之間的冬季，一個持久阻塞而又扭曲的高空西風急流形態導致歐洲天氣長期冰凍。「阻塞事件」對地球氣候的可能影響已經在
「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」裡解釋過。
太陽黑子極少的「蒙德極小期﹙Maunder Minimum﹚」
在1645年至1715年的這段期間，太陽活動極不活躍，太陽黑子長期只有很少或甚至沒有出現，常被稱為「蒙德極小期﹙Maunder Minimum﹚」﹙圖1﹚。在幾乎重叠的一個相近時期，歐洲經歷了一連串嚴寒的冬季，稱為「小冰河時期」或「小冰期」。「小冰期」大約發生在從公元前 1550年（或可能早在1300年）至1850年之間一段期間。在此期間，在北半球尤其是在歐洲，天氣普遍比現時寒冷，氣溫較低，高山冰川的範圍在世界很多地區蔓延擴展；不僅高山，一些低海拔地區甚至也終年積雪或被冰雪封鎖。
圖1 蒙德極小期﹙Maunder Minimum﹚與在1610年至2009年期間的每年太陽黑子平均數。（圖像來源：NASA）
冷空氣的源頭與南進
地球南北兩極每年都有連續半年時間不見太陽的冷卻期，在極區附近積存大量冷空氣。圖2顯示在2011年1月20日的 500百帕斯卡高空天氣圖，被阻塞的高空西風急流變得異常和極其扭曲的形態，引導大量極寒冷空氣從地球北極移向南面，在鄰近地區造成十分寒冷的天氣；受大陸性氣流影響，北方地區，北風凜冽，寒冷乾燥；當寒冷氣流遇到南方的潮濕空氣時，南方一些地區天氣可能變得大雪紛飛，天寒地凍。
圖2 2011年1月的阻塞事件
在太陽的第24個週期，地球暖化的趨勢會否減弱緩慢下來？
美國國家航空暨太空總署﹙NASA﹚一個在2001年的電腦氣候模型，再次証明了存在已久的理論，即從 15世紀到18世紀，太陽活動低或靜止，是可能曾經改變了北半球的大氣環流，並在幾個地區，包括北美和歐洲，引發了「小冰河時期」。
邁克 · 洛克伍德也表示，過去超過 9000年的數據表明，太陽活動上升往往很慢，由低﹙沉寂﹚到高﹙活躍﹚期間需要超過300年；但太陽活動下降往往會很快，由高到低期間僅需要略多於 100年。目前的太陽活動下降是從1985年開始﹙圖1﹚，現時大約是返回「蒙德極小期」的半路中途。
圖3 1885–2008年香港天文台總部錄得的年平均氣溫（1940至1946年間因二次大戰沒有數據）
在過去120年，太陽黑子數的前半期比後半期低（圖1），香港天氣的前半期比後半期較冷（圖3）。大約在20世紀70年代，香港的氣溫與太陽黑子數也存在著「正相關」關係（圖1和圖3）。雖然圖1和圖3顯示了香港氣溫與太陽黑子數的某種程度「正相關」關係，但是溫室效應現在仍然是被理解為氣候變暖趨勢的一個重要因素。
近幾年，因離剛剛過去的2008年太陽活動極小期不遠，太陽黑子的數量很少，世界各地異常寒冷的冬天也時有所聞。目前第24個太陽活動週期的太陽黑子數量，已經比當初預期的少。而且比較圖1和圖4 ， NASA新近預測太陽黑子數量將會遠低於之前幾個太陽活動週期的太陽黑子數量。若果這種情況持續下去，地球暖化的趨勢在太陽的第24個週期期間，會否減弱緩慢下來呢？要提供更完整和令人信服的答案，後續太陽黑子的觀測和更多研究是極其重要的。
必需指出，上面討論的異常寒冷的冬天是指北半球部份地區的情况；地球整體而言仍然是呈暖化的趨勢，2010年更是百多年來有儀器量度温度之後的最暖的一年。
圖4 2011年2月預測在太陽第24個活動週期的太陽黑子數目（圖像來源：NASA）
參考資料：
[1] 「自1977年以來最寒冷的1月」，新增項目 ( 2011年2月1日)，香港天文台。
[2] 「山東動員338萬人抗旱」，文匯報，2011年1月10日。
[3] 「對沖基金加注炒高小麥」，文匯報，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] 「中日韓低溫破紀錄」，明報，2011年1月18日。
[7] 「中國經歷近23年來最冷冬天 平均氣溫為-4.7oC」，中國新聞網， 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」。
[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] 「香港氣候變化」。
[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年以來最寒冷的1月」，新增項目 ( 2011年2月1日)，香港天文台。
[2] 「山東動員338萬人抗旱」，文匯報，2011年1月10日。
[3] 「對沖基金加注炒高小麥」，文匯報，2011年2月15日。
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[15] "NASA Research Finds 2010 Tied for Warmest Year on Record", Research News of 12 January 2011, Goddard Institute for Space Studies, NASA.