书城科普读物地球的终结
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第17章 气候变迁

在所有关于磁暴、耀斑和日冕物质抛射(CME)如何破坏地球的讨论中,我们是否忽略了一些更为明显的影响?作为太阳系中无可争议的主要热源,太阳的能量输出看起来十分稳定。但已经得到证实的是,它其实是一个“善变”的恒星。太阳黑子以11年为盛衰周期;这是否会导致我们从太阳那里获取的能量发生变化?如果太阳光时多时少地照射地球,是否会引起地球上的气候变化和一场潜在的大范围物种灭绝?

一直以来,人们总是试图把地球上发生的事件与太阳的11年周期联系起来。股票市场,棒球得分,甚至个性品质(这个最不靠谱),都被认为与太阳黑子的数量有关。但问题是,如果从一个较长的周期看,很多说法看起来都是肤浅的。对于其中的一些内容,你不得不去伪存真,而这其实又很难。

科学家们对于太阳活动与地球上的气候变化是否有关联,已经争论了好多年。似乎有影响,但其中涉及的因素又比较微妙,难以确定(如果这些因素弄清楚了,也就没有什么可争的了)。然而,有些关联也确实很相称……而且太阳黑子在其中扮演了重要角色。不过,这个角色的定位可能会使你感到惊讶。

我们知道,太阳黑子是太阳表面黑色的、温度较低的斑点。那么,如果太阳黑子数量增多,我们从太阳那里得到的光和热是不是就会减少了呢?更多的黑子是否意味着更冷的天气呢?

其实,黑子只是与可见光比起来比较暗。太阳黑子周围明亮的区域被称为“太阳光斑”(在拉丁语中意指“小火把”);它们是由太阳表面的磁场和更深区域的高温气体经过错综复杂的连接形成的。光斑中的气体温度更高,因而也更明亮。平均来说,太阳黑子比太阳表面暗1%,而光斑要比太阳表面亮1~1.5%。这就表明当太阳被黑子覆盖,可见光的亮度实际上比黑子少的时候更高!

地球表面的热源主要是来自太阳发出的可见光。有研究表明,当太阳处于周期峰值时——即太阳黑子和光斑较为“盛行”时——整个太阳辐照增强大约。1%。这是一个很小但很重要的增加——它会导致全球气温上升大约。1~。2摄氏度(。2~。4华氏度)。反之亦然,当太阳黑子处于最小值时地球的平均温度将下降零点几度。

我们需要正视这种看起来相当小的影响。太阳周期引起的温度变化几乎不会改变地球上的任何东西。然而,地球表面升温只是由太阳引起的气候变化的一个方面。还有很多方面值得警惕。在很多情况下,对于气候的影响不是很大,不易察觉。

但如果其中两个或更多的变化叠加在一起,结果会如何呢?

那会很糟糕。我们只要回忆一下前面讲到的情景就能明白了。

几个世纪以前,在望远镜还没有发明的时候,人类就已经知道太阳黑子了。后来,望远镜的出现使得人们的视野大为改观。从17世纪早期,就持续不断地有人观测太阳黑子的大小和数量。

1887年,一位名叫古斯塔夫·施波雷尔(Gustav Sprer)的天文学家注意到,1645至1715年间,关于太阳黑子的记录显示:这段时间没有黑子出现。在这7年中,太阳的脸是非常干净的,没有任何“粉刺”和“痤疮”。19世纪晚期,蒙德(E。W。Maunder)归纳了施波雷尔的发现并将其出版,我们现在称这一黑子空白期为“蒙德极小期”(Maunder Minimum)。如果不是因为一个非常关键的现象,所有这些都要归于学术:1645~1715年同时也是一段西欧和北美平均温度明显较低的时期。英国的泰晤士河都结了冰(一般来说这种现象不会出现,即使是在冬天);阿尔卑斯山脉的冰川前移,毁掉了附近的村庄;荷兰的船队被冰封在停泊的港湾。这个时期被称为“小冰期”(Little Ice Age)。

人们很容易把“蒙德极小期”和“小冰期”直接联系起来,但我们必须谨慎。实际上,很少有什么结果只有一个诱因,特别是当这种结果具有戏剧性时。通常情况下,需要有相当多的事件共同作用才会出现气候变化这么大的结果。

研究表明,“小冰期”可能在“蒙德极小期”很早以前就开始了,它的出现甚至可以追溯到13世纪中叶。专门研究太阳与地球气候变迁的资深太阳物理学家卡斯帕·阿曼(Caspar Ammann)认为,“小冰期”并不是一个持续的过程,而是由“许多间歇的阶段”(第一个阶段始于中古的温暖期之后,大约在125~13年)组成。而且,导致气温下降的原因还有很多。

最明显的一个原因就是火山活动。在“小冰期”内,有明显的火山喷发痕迹,通过分析封存在极地冰层中的大气物质,可以推测在那个特殊的历史时期地球的大气层中到底发生了什么。有趣的是,在17世纪9年代,“小冰期”非常明显,特别是在西欧——这里曾有过站在树枝上的鸟被活活冻死的故事。恰恰就在这个时间段,人们发现,冰层中硫的含量出现了一个峰值,这表明大气中一定发生了什么高级别的活动。火山喷发出的烟尘和气体会反射太阳光,减弱到达地球表面的可见光。由于吸收的热量减少了,地球被“冷却”。

单靠这种作用,并不会引发“小冰期”这样剧烈的气候变化,但是和“蒙德极小期”的作用结合在一起,地球的平均气温就会显著地下降。

那么,如果这是一个全球性的影响,为什么西欧受到的冲击比其它地区要大呢?

研究表明,在这个游戏中,还有第三个参与者。这个问题有点复杂,需要用更多的笔墨来解释一下。

在太阳黑子最小值期间,太阳的活动较少。除了可见光减少,太阳光谱的种类也有所减少,其中就包括紫外线。这点很关键:紫外线有助于地球臭氧层的形成,它能把大气中的普通氧气(O2)转化为臭氧(O3)。如果紫外线减少,臭氧就会相应减少。而臭氧对于大气层上部平流层中气温的平衡是相当重要的。当平流层中臭氧丰富时,气温就较高(因为吸收了紫外线);如果臭氧较少,平流层的气温则会下降。

绝大部分(并非全部)臭氧产生在临近赤道的低纬度地区。那里获得的太阳光最多,紫外线也最充沛。而在夏季,整个半球都阳光普照,臭氧既可以在赤道形成,也可以在极点形成。在这种情况下,极点与赤道之间的平流层温差最小。

但在冬季,极点是一片黑暗。没有紫外线到达平流层,因此也不会形成臭氧。此时赤道和极点之间的臭氧层温差较大。

问题是,急流对温差非常敏感。在冬季,不同纬度的气温变化很大。这就导致了一个较强的急流,持续地绕地球循环。但在夏季,不同纬度的温差变小,急流随之变弱。它不再维持原有的循环,开始不规则地流动,漫散地进入更低的纬度。当这种情况出现时,急流就会把冷空气带到南部地区,较温暖的空气则流向更高的纬度。

在这个过程中,急流倾向于在某个区域涉入更深。西欧就是这样一个地区。

综合起来看,17世纪9年代的欧洲大概发生了这样的一幕:频繁的火山活动降低了全球气温,加之“蒙德极小期”的作用,气温大幅下降,但还可以忍受。然而,太阳活动频率的下降使得进入大气层的紫外线减少,臭氧产量降低,这就改变了急流的方向,把北极非常寒冷的空气带入西欧。

随后,人们就可以在泰晤士河上滑冰了。

按照阿曼的说法,“西欧的夏季并不会出现不正常的现象”。也就是说,所有导致寒冷气候集中凸显的要素只限于冬季,这种说法与上述一系列事件是相符合的。

总算是解释完了。正如我所说,这很复杂。不过所有要点都已阐明。反过来说,如果它很简单,对于太阳如何影响地球气候的争论也就不会有了。实际上,这些事件本身都已被清楚地证实,但关键是“量”的问题。在“蒙德极小期”,来自太阳的紫外线到底减少了多少?臭氧减少了多少?急流向南渗透了多远?火山到底喷发出了多少硫?每一个变量对气候的影响有多大是难以精确算出的,而改变任何一个变量都会有不同的结果。

需要说明的是:尽管太阳事件会影响我们的气候,但在11年的磁场/太阳黑子周期中,太阳的总输出的变化其实是很小的。对地球的影响肯定是有,但主要还是起到了推波助澜的作用。还有许多其它的方面——火山喷发、小行星撞击、人为的CO2和甲烷排放等等,都有可能利用地球气候的敏感性引发灾难。

尽管如此,这个问题还是属于区域性的特殊情况,全球环境的变化并不是很大。

当然,对于真正受到影响的人们来说,这些安慰显得很苍白。而且如果这个特别的区域又十分重要——或者本身就是一个具有全球影响的地区——那么结果就更糟糕了。打个比方说,如果美国,或者中国的冬季持续几十年超低温,就会引发饥荒和经济危机。战争会由此而起,而现代战争的摧毁力比一次简单的太阳活动要大得多。在宇宙中潜伏的危险爆发时,我们需要做的就是激发我们自身的潜力来应对。

一个更为实际的问题是:这种情况还会出现吗?是的,它会。可糟糕的是,我们很难准确地预测它们。长期研究太阳黑子的科学家指出,它们没有什么规律可循。也就是说,从长期来看,虽然可以勉强估计出太阳周期的下一个阶段,但这种周期并不是固有的和可预测的。

我们可能在几个周期后进入另一个“极小期”,也可能一千年甚或一万年内都不会发生。无论如何,对于这种事件,决不能掉以轻心。