作者:郑入瑞 王承睿 来源:科学时报 发布时间:2010-12-31 8:57:38
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【科学时报】专家探讨欧洲暴雪成因
 
近日,2010年美国秋季地球物理年会(AGU Fall Meeting)在旧金山举行,作为地球物理领域规模最大的会议,年会吸引了来自世界各地的1.6万多名科学家参与。
 
年会结束后,一些英国科学家因暴雪被困英国伦敦希思罗机场,欧洲北部多国因暴雪及严寒低温,交通严重受阻,多个机场取消数百架航班。航空业的无奈,民众的抱怨,一切都在漫天飘舞的雪花面前无处着力。
 
当科学家们为当前地球空间物理领域的问题津津乐道时,一场接一场的暴雪正在欧洲各地肆虐。飘飘荡荡的雪花带给欧洲的,不是更多欣喜,而是担忧。
 
日前,英国Reading大学日地空间物理学家Mike Lockwood领导的团队研究发现,低太阳活动时期与高层大气中风的变化关系密切,从而使欧洲北部的冬天异常寒冷。
 
据Nature报道,该项研究的论文发表在《环境研究简报》(Environmental Research Letters)上。论文分析了英格兰中部地区350年来的气温记录数据,并将其与太阳黑子的天文观测作了对比。Mike Lockwood团队发现,在考虑全球气候变化的前提下,欧洲冬季的温度在太阳活动低年比平均值低0.5℃。
 
在2010年美国秋季地球物理年会上,北京大学地球与空间科学学院教授、长江学者宗秋刚担任了“磁层空间环境对太阳风瞬变事件的响应”分会主席。他在就Mike Lockwood研究团队的论文接受《科学时报》记者独家采访时评论说:“该研究非常前沿,空间界对这个观点还是比较认可的,特别是欧洲空间界。”
 
宗秋刚认为,空间界普遍认为太阳活动对气温变化确有影响,但不知到底是怎么影响的。Mike Lockwood发现两者之间有联系,但究竟是怎么联系的,目前科学界也没有一个准确的答案。
 
低太阳活动使冬季气温下降
 
据17世纪下半叶的历史记录资料显示,欧洲冬季温度与太阳活动之间可能存在联系。在一段大约50年的时期中,欧洲经历了多个寒冷的冬季,而此时太阳黑子较少(尽管它仍然保持以11年为周期循环的黑子高年和低年),太阳活动降到了100年以来的最低值。正是受此启发,Mike Lockwood与他的同事开始研究太阳活动与冬季气温是否存在较强的相关性。
 
Mike Lockwood团队使用了来自英格兰中部的温度记录数据。它提供了上溯至1659年的英格兰中部地区数个监测站的每月温度数据,这是世界上最长时间的气温仪器记录。然而,整个北半球的温度数据是从1850年开始的,为了将分析范围扩展到1659年,他们使用了一系列不同的代替方法,例如树木的年轮、石笋中的同位素浓度、沉积物厚度、湖泊的高度以及文献记录等。同时,Mike Lockwood团队排除了被广泛接受的人为排放二氧化碳含量增加引起过去整个世纪以来北半球变暖的可能性。
 
“2009年的冬季是350年来温度第18低的,尽管当时全球温度是第五高的。”Mike Lockwood在接受Nature采访时指出。
 
为了确立在同一时间段内太阳活动的变化规律,Mike Lockwood小组计算了总的由太阳风携带的磁流变化。据Mike Lockwood介绍,此变化可以通过计算地球磁场的波动得到,其结果可以追溯至1868年。与此同时,他们使用了一个将太阳的磁流水平同黑子数联系起来的模型,将数据结果扩展到1659年,而太阳黑子的观测数据可以早至1600年。
 
“之所以不直接使用太阳黑子数据,是因为它在不同的极小年之间变化很小,从而不能提供一个有意义的长时间变化趋势。”Mike Lockwood说。
 
通过比较英国的气温变化与太阳活动的波动,研究人员发现了一个很强的相关性:在低太阳活动时期,冬季的气温平均有0.5摄氏度的下降。
 
“进一步的数据分析使研究小组得出结论:存在这一相关性的统计可能性大于95%。”Mike Lockwood表示。
 
针对为什么只选取英国数据作为样本的问题,Mike Lockwood认为,英国的气温是整个欧洲气温的代表,选取英国作为样本具有科学性。
 
欧洲受急流“迫害”
 
事实上,究竟是什么原因使太阳活动的变化改变冬季温度,并且为何这一效应只限于欧洲,而不是作用于整个地球,科学界一直没有得出准确结论。
 
对此,Mike Lockwood认为,是一种被称为“急流”(jet stream)的气流在起作用,它由西向东横越大西洋。急流可以将自己紧紧地固定并一直封锁住大洋,阻止温暖的海风到达欧洲,使冰冷的极风取代它的位置。太阳磁活动变化使太阳紫外辐射量变化,从而作用于平流层的温度与风的模式,就像其他最近的研究所提到的一样,向下作用于对流层——大气层的底层。
 
“该模式与地球平流层(地球表面上空约20~50公里)中的紫外线效应相联系。来自太阳的紫外线被平流层中的臭氧所吸收,保护了地球的表面同时加热平流层。”Mike Lockwood说,“这一效应在光照最强的热带地区最为显著,同时温度梯度产生了一个全球性的上层大气风场,包括了南北半球的急流。”
 
“相对简单的模型表明,赤道平流层加热,可以略微推动急流。”Mike Lockwood解释说,同样,平流层的冷却就像在太阳活动低年那样,允许急流向赤道偏移。
 
“这一效应似乎会使北方的急流挡住海洋性暖空气从大西洋到达欧洲,从而对欧洲气候产生一个复杂的效应。相应地,它打开了从俄罗斯到北极的东北向风的通道。”Mike Lockwood表示。
 
不过,Mike Lockwood提醒,太阳活动水平低并非一定会使冬天寒冷。他指出,英格兰最低的气温纪录是1684年,但同时第二年是第三温暖年,尽管这一年太阳活动程度依然很低。
 
“尽管1947年是一个寒冷的冬天,相应的太阳活动很强,但是结果表明,当太阳活动水平低时会有更多的寒冬,而太阳活动高时会有更多暖冬。”Mike Lockwood说。
 
据Mike Lockwood预测,在未来的数年中,欧洲的冬季会比最近几十年更加寒冷。
 
“我们从过去的树木年轮和冰核中的宇宙射线同位素中计算了太阳活动强度,结果表明我们有8%的可能在未来50年中经历另一个太阳活动水平低时期,英格兰中部的地区温度将降低半摄氏度。”Mike Lockwood强调。
 
事实上,宗秋刚告诉记者,类似的研究中国科学家也越来越关注了,不过科学仪器和数据积累上瓶颈还较大。
 
“目前,我们的理论分析水平走在世界前列,但仪器制作、系统集成方面还比较落后,这也在一定程度上阻碍了相关研究的发展。”宗秋刚如是说。
 
研究仅针对欧洲的现象
 
尽管全球正在变暖,但欧洲很可能在未来很多年中经历寒冷的冬天。
 
针对Mike Lockwood团队的研究,华盛顿美国海军研究实验室的日地空间物理学家Judith Lean在接受Nature采访时认为,部分的浮动可能是由于这篇文章中没有考虑到的一些因素引起的。例如,她指出该文中没有考虑到火山喷发的影响,尽管它们会影响到欧洲的天气。
 
尽管如此,Judith Lean直言,Mike Lockwood团队的研究仍是一项良好的研究,它指出了全球气候的复杂动态是如何受到太阳活动“扭转”的。
 
“即使最近的太阳黑子平静期延长成为另一个蒙德尔极小期,它的影响仍然是区域性的,且不会抵消全球变暖的效应。”Mike Lockwood强调,“这是一个只针对欧洲的现象。”
 
不过,Mike Lockwood坚信,欧洲仍然有可能遇到更多寒冷的冬天。“太阳活动在过去的数十年间已经变得异常活跃,现在正减弱到一个平均甚至是较低的活动水平”。
 
但Mike Lockwood认为,确定长时间变化最好的方式,并不是简单地计算黑子数。相反,他认为,研究驱动耀斑和黑子,并使紫外线强度增加的太阳磁场是更好的方法。
 
“在每一个太阳黑子极小年,太阳表面几乎没有黑子,这给人以这样的印象:太阳每11年重复地回归一个相同的低活动状态。而太阳磁场表明事实上并不是这样,太阳在不同的极小年中的发射显示了明显的变化。”Mike Lockwood表示。
 
然而,Judith Lean对此持反对意见:“我不认为现在太阳辐照比任何以往的黑子极小年更低。太阳已经开始一个新的活动周期。”不过,“所有正在进行的研究都是有益的”。
 
对于研究的各种意见,Mike Lockwood一再强调,这一研究不能告诉我们任何关于全球气温变化的结果。
 
“以往的研究有一种趋势,那就是将局地效应当做是否与全球变暖一致的证据。”Mike Lockwood指出,“但我们的工作指出了局地和季节性的变化显示了太阳的影响,而不是全球平均数据的变化趋势。”
 
对此,宗秋刚认为,英国科学家之所以能够得出如此前沿的结论,是因为他们350多年连续有效的观察,有足够多的数据。然而,要想把这个研究推向全球,就需要世界各地的数据支持,但显然,要想得到非洲的数据是非常困难的。
 
《科学时报》 (2010-12-31 A1 要闻)
 
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