主题：【系列】太阳黑子，行星和地球气候（0）引子 -- PBS
我写完《地球是唯一的太阳系行星正在经历着气候变化？》之后，本来直接打算写地球气候变化的系列，随着材料准备过程中，我觉得太阳和太阳系行星部分还没有完全写完，有必要写完这部分后才能写地球温度变化是最后如此如何完成的。
太阳是整个太阳系行星温度变化的唯一热能贡献者，太阳上的一切活动我们都必须加以考虑才能使我们对地球上的气候变化有所解释。而太阳上的活动除了太阳的辐射热之外，还有太阳磁场活动以及最有名的太阳黑子活动。
我们已经讨论了太阳辐射热，这个系列里我将讨论太阳的黑子活动其周期变化以及黑子带来的地球气候变化。
本帖一共被 6 帖 引用 (帖内工具实现)
太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本，最明显的活动现象。一般认为，太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，温度大约为4500K（热力学温标单位，就温差而言，1K等于1℃）。因为比太阳的光球层表面温度要低，所以看上去像一些深暗色的斑点。太阳黑子很少单独活动。黑子经常成对或成群出现，其中由两个主要的黑子组成的居多。位于西面的叫做“前导黑子”，位于东面的叫做“后随黑子”。
今天（2010年3月7日），太阳表面平静，只有南北半球各一个孤零零的太阳黑子在冒泡，非常罕见的非成对成堆现象（我们将讨论这个特殊现象）。
黑子像是一个浅盘，中间下凹。
1840年代德國的一位業餘天文學家發現了太陽黑子10─11年的周期變化規律。通過長期的觀測，人們還發現太陽黑子在日面上的活動隨時間變化的緯度分佈也有規律性。一開始，幾乎所有的黑子都分佈在±30°的緯度內，太陽活動劇烈時，它往往出現在±15°處 ，並逐步向低緯度區移動 ，在±8°處消失。在上一個周期的黑子還沒有完全消失時，下一個周期的黑子又出現在±30°緯度附近。如果以黑子的緯度為縱坐標，以時間為橫坐標，繪出的黑子分布圖很像蝴蝶，因而稱作蝴蝶圖或芒德圖。
美国天文学家巴布柯克 1961年提出的较差自转—磁场增强—磁力线束上浮的学说,60年代后期，美国太阳物理学家莱顿对巴布柯克学说作了修改，使其更加完善，因而该学说常被称为巴布柯克—莱顿学说:
(1)不管是太阳具有原始磁场还是带电物质在太阳内部运动产生磁场，或者什么其他方式产生磁场，对于解释太阳黑子周来说，在太阳黑子周开始之前肯定有一种磁场，这种磁场不应很快被衰减或消失掉，而应有利于形成太阳黑子磁场。这个学说认为，在太阳黑子周开始之前，在太阳的相对浅的层内有南北方向的磁场存在，磁感线沿着太阳经度线的走向把太阳南北极区连接起来。同时，磁感线在太阳的一个极区穿出，经过太阳体外的空间从另外一个极区再穿人太阳，形成一条条无头无尾的圈状结构.
(2)在磁感线存在的这层太阳物质有很高的导电性而且不停地运动着。这种条件下的磁感线不能随意运动，只能跟着物质一起运动，物质也不能横穿磁感线，就好像磁感线与物质彼此“冻结”在一起一样。这时，如果因运动而使磁感线像牛皮筋一样被拉长，磁场强度也就被加强。从实际的观测已知太阳表层有较差自转运动，赤道区转动最快，纬度越高的区域转动越慢。因此，太阳的较差的自转运动不但会携带着磁感线一起运动，而且会把磁感线从南北方向拉向赤道方向，时间越长，磁感线缠绕着太阳的次数越多，磁感线也就拉得越长，相应地区的磁场也就越强，至此，磁感线仍在太阳光球之下，但磁场强度随纬度的增加变得更强。
3)物理学的研究告诉我们，导电的流体在磁场中会受到一种浮力，磁场强的区域比磁场弱的区域受到的浮力大。太阳的较差自转使高纬区域比低纬区域有更强的磁场，然而与磁场“冻结”在一起的物质还会受其他杂乱运动的影响，使磁感线在某些局部区域更密或更稀，导致了同一纬度的同一束磁感线也不是完全均匀的，而是某些处有更强的磁场，受到更大的浮力。当浮力大于重力时，该处的磁感线就会随同物质上升，穿过光球，浮出光球表面，这时虽然穿出光球的磁感线并未断开，这束磁感线留在光球表面的“双足”却成了我们观测到的黑子。
沿着这束磁感线巡视，它穿出光球的地方的黑子具有 N磁极性，穿入处的黑子磁极性为S，自然形成了偶极黑子群。黑子群从高纬到低纬先后出现的次序，也解释了“蝴蝶图”的形成，以及偶极群中先导黑子的纬度比后随黑子的纬度低和南北半球偶极群黑子极性分布相反的规律.
(4)太阳黑子周开始时，浮出的磁感线段在高纬而且数量少，随着黑子周的推进浮出的黑子越来越多，达到一个极大期，然后是黑子数的减少。在黑子周的前半周里。高纬度的偶极群的后随部分逐渐向极区扩散，因其与所在半球的极区的磁极性相反，不断与极区磁场中和而使极区磁场减小。 在黑子周达到极大时，极区磁场被全部中和掉，接着开始了极区的极性反转.
下面请大家看个动画描述太阳黑子形成过程。
1859年9月1日，两位英国的天文学家分别用高倍望远镜观察太阳。他们同时在一大群形态复杂的黑子群附近，看到了一大片明亮的闪光发射出耀眼的光芒。这片光掠过黑子群，亮度缓慢减弱，直至消失。这就是太阳上最为强烈的活动现象——耀斑。
耀斑的显著特征是辐射的品种繁多，不仅有可见光，还有射电波、紫外线、红外线、x射线和伽玛射线。耀斑向外辐射出的大量紫外线、x射线等，到达地球之后，就会严重干扰电离层对电波的吸收和反射作用，使得部分或全部短波无线电波被吸收掉，短波衰弱甚至完全中断。
动画：太阳表面耀斑的形成。
太阳活动造成的太阳磁场变化和耀斑辐射对地球磁场和地球周边空间必然会造成某些影响。
本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)
解释完太阳黑子的起源后，在让我们来看看太阳黑子的11年周期现象。
太阳黑子的数量并不是固定的，它会随着时间的变化而上下波动，每11年会达到一个最高点，这11年的时间就被称之为一个太阳黑子周期。天文学家对黑子活动从1755年开始标号统计，规定太阳黑子的平均活动周期为11.2年。黑子最少的年份为一个周期的开始年，称作“太阳活动极小年”，黑子最多的年份则称做“太阳黑子活动极大年”。
目前我们正在进入第24太阳黑子周期，这个周期的起始于2009年12月。
为什么太阳黑子活动准确地以11年左右的时间为周期波动，人们曾试图用各种方式去解释，目前比较令人信服的解释是太阳系行星的运动，尤其是木星这个太阳系老二的运动导致了太阳黑子最大最小的周期变化。
现在我们来看看太阳系：
太阳占整个太阳系的99.8%的质量，次于太阳质量的行星就是木星了，其他3个外行星土星，海王星，天王星也是大块头。而近地行星水火金地就是小喽罗了。
如果仔细观察各个的公转周期，我们立刻可以注意到木星的公转周期是11.86年，非常接近太阳黑子活动平均周期11.2年。是否是木星的对太阳的万有引力导致的潮汐力造成太阳黑子的周期变化？答案是非常可能的：
木星公转轨道是个椭圆，其近日点和远日点距太阳分别为4.95和5.458日地距离，人们比较观察数据发现木星在近日点时太阳黑子数量最低而在远日点时太阳黑子数量最大：
这个木星公转周期同太阳黑子变化周期的吻合度还是相当高的。
有人注意到太阳黑子周期的平均11年同木星的公转周期11.86年还是有差别，所以把老三土星也拉进来平均：与木星、土星会合的共同作用[木星公转周期约11.86年；木星、土星会合周期约为19.86年，所以（11.86+19.86÷2）÷2≈10.9年].
由于木星、土星会合的11年周期居主导地位，其核心在于木星、土星会合，而其每次会合都会在黄道面上平均向前推进约240度，所以使22年太阳黑子周期表现出了所谓的迁移规律。若依此理论则可准确的预测太阳黑子活动第24、25、26、27周高峰期分别会出现在2014年、2025年、2036年、2047年等，各位河友在有生之年肯定会看到这些周期。
现在看来老二单独还不能完全精确地控制老大的某些行为，还要老三插一脚。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)
万物生长靠太阳，太阳的光和热孕育着地球的一切生物和生命。如果有巨大的物体遮挡太阳，地球得不到太阳的照射，那么，不用一年，地球上绝大多数生物都会遭遇灭顶之灾。如果太阳不妥打“喷嚏”，地球就会患上“重感冒”。因此，太阳活动有微少变化，都会影响地球气候乃至生物的安危。天文学家通过长期观察，了解到太阳黑子是太阳表面运动变化最明显的标志。
天文学家认为，太阳黑子活动较小时，太阳表面的光斑和耀斑爆发也相应减少，从而使太阳亮度降低和辐射能量减弱，这就使得地球上得到太阳的光和热也相应减少。还有，太阳黑子活动低微时，会导致更多的宇宙线撞击地球，从而促进大量云层的形成，使太阳的辐射能量减少到达地球表面。太阳辐射能量的变化，都会影响地球大气环流，从而引起地球极端气候的发生。（有关宇宙线同地球气候变化的问题我们以后会大谈特谈，大家等着）。
我们来看看中国近60年的气候史：
新中国成立60多年来，气象学家认为我国部分地区经历了四次最寒冷的严冬，而这四次严冬恰好发生在太阳黑子低谷年。这四次严冬发生在1954年、1976年、2008年和2009年。
1954年是太阳黑子低谷年，全年太阳黑子相对数只有4.4。1954年12月上旬至1955年1月中旬，我国有22个省、市出现影响范围广，寒潮强度大，持续时间长的低温冰雪气候。广东北部结冰严重，甚至出现-7.3摄氏度的极端低温。广州从1954年12月31日至1955年1月12日，连续13天的日平均气温只有7.5摄氏度，最低日平均气温只有5.3摄氏度（1月11日）。
大家还应该要记住1954年的长江大洪水。
1976年12月下旬至1977年1月中旬，我国有13个省、市发生了罕见的强寒潮低温冰雪天气。1976年12月26日至1977年1月15日，广州出现了有气象观测纪录以来连续21天日平均气温低于10摄氏度的冬季气候。而1976年也是太阳黑子低谷年，全年太阳黑子相对数只有12.6。
1976年的记忆是唐山大地震和开国元勋们的离去。
2008年1月中旬至2月上旬，我国有20个省、市出现罕见的低温冰雪天气，气象灾害明显。广州从1月25日至2月13日，连续20天出现候平均气温低于10摄氏度的冬季气候。而2008年也是太阳黑子低谷年，全年太阳黑子相对数只有2.9。
2008年是四川大地震。
2009年11月至2010年2月，我国乃至亚洲、欧洲和北美洲等不少地区，遭遇罕见的强寒潮和暴风雪的袭击，甚至有些湖面海面大面积结冰，媒体报道世界各地的异常气候引起的气象灾害最频繁。而2009年也是太阳黑子低谷年，全年太阳黑子相对数只有3.8。
2009年和2010年的情况还在发展之中。
有关太阳黑子低谷年和北半球出现严冬的天气，还可以举出不少事例证明两者有颇高的相关性。有人说，太阳黑子低谷年未必每次都会发生严冬。天文学家认为，要发生严冬的极端灾害天气，要具备多种因素。如果多种可能因素重叠并发生“共振”时，就会出现大范围的罕见严冬。但如果只具备一种可能因素，就会孤掌难鸣。比如1965年，1987年，1999年也是太阳黑子低谷，就没有出现严寒气候。
现在问题是2008年，2009年的严寒，这次太阳低谷延续时间特别长，为百年罕见：近几年太阳黑子相对数，2007年为7.5，2008年为2.9，2009年为3.8，百年罕见。其次是这次太阳黑子周期特别长，远远超过了常态周期的11年，这也是当代人从未经历过这么长的太阳黑子周期。由于近几年来太阳黑子出现百年罕见的衰微现象，而且持续时间长，从量变到质变。因而，太阳黑子稀少走向极端，地球异常气候也跟着走向极端。
我们在前面已经讲到太阳黑子最低期一般就只1年，而从2007年开始太阳黑子在低值区域持续了三年，这是百年来太阳黑子观察中罕见的。
这不是违反了我们观察到的11年周期普遍规律？这个反常是可解释的吗？
事有反常即为妖。
那么，在人类多年的详细记载太阳黑子活动的记录中，是否出现过这样的太阳黑子极低值？持续时间是多少？是否也造成严酷的寒冬？其经济社会政治后果是什么？
这个系列的后两集将讨论这些问题。
本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)
上面我们讲到子2007年开始太阳黑子最低值是百年来罕见，要是回溯历史，这是个偶发事件吗？回答是否定的。
1843年，德国天文学家斯玻勒（1822至1895年）从整理大量太阳黑子的资料中发现，从1645年至1715年这七十年间，太阳黑子不显著，太阳黑子活动长时间进入衰微状态。1894年，英国天文学家蒙德（1851至1928年）旧事重提，称这70年为“太阳黑子延长极小期”（注意：不是极小年），后人称这段时期为“蒙德极小期”。这70年，欧洲以及地球部分地区，气候十分寒冷。欧洲冬季经常遭遇暴风雪袭击，冰川扩大了，年平均气温下降了1摄氏度以上，全球年平均气温也下降了0.2摄氏度以上。气候学家称这段寒冷气候为“小冰期”。可见，地球部分地区的“小冰期”与太阳黑子长期稀少十分吻合。
除了蒙德极小期那么还有其它类似太阳黑子极小期吗？ 应该有，黑子极小期不是小概率事件。
从公元850年起，我们可以确定的太阳黑子延长极小期就有四次之多，它们分别是：
沃尔夫极小期 （Wolf minimum） （1270-1350）
斯玻勒极小期 （Sprer Minimum）(1430–1520)
蒙德极小期 （Maunder Minimum）（1620-1710）
道尔顿极小期（Dalton Minimum (1787–1843)
[IMGA]
同时看看历史事件：
元朝的崩溃和维京人退出北美是在斯玻勒极小期，宋朝的崩溃是在沃尔夫极小期，而明朝的崩溃是在蒙德极小期。清朝在经过道尔顿极小期的鸦片战争中被英国击败，而拿破仑则在俄罗斯的冰天雪地中损失惨重（1812）。
太阳活动在下面这段历史上和那个著名的二氧化碳暖化曲棍球棒曲线是不是很相似？
上述四个太阳黑子极小期整整覆盖了1350年-1850年这个时间，人们称这段时间为小冰期（Little Ice Age)。
自从1850年后的150年，太阳黑子活动进入活跃期，造成地球气温上升。人类恰好也在这时开始了工业革命，大量使用化石燃料和发现温室气体使得人们把这段时间的气温上升归结到大气中二氧化碳浓度的上升而完全没想到如何解释以前500年历史上的低温气候的原因和更以前的暖化的原因。
在近年全球暖化宣传狂热的浪潮下，2007年开始的太阳黑子极小化和北半球严寒气候频繁爆发，使人有当头一棒的感觉，也迫使科学家重新考虑地球气候变化的真正起因和因对措施。越来越多的公众开始关心除了暖化气体之外能够影响地球气候的因子了。
我将在后续文章中，试图从宏观和微观的分析中解释太阳黑子延长极小期现象。
本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)
或者按照铁手的最新主意，单独开贴，虽然我不大喜欢。
太阳辐射的数据可以下载的，比如这里：外链出处
下面是一组数据：
另外下面这个论断是没有根据的：
任何一个严肃的气候模型，都不会忽略太阳辐射变化的影响。任何一个认真的归因研究，都不会忽略自然因素的影响。实际上对于工业化以前的气候变化所进行的归因研究，认定的就是自然因素影响，即使是工业化以后的大多数时间的气候变化，在20世纪后半期之前，仍然可能是自然因素占主导地位。
树立一个并不存在的错误的靶子进行抨击，不合适的。
天文学家通过木星和土星的引力潮解释了太阳黑子11年活动周期现象，如果再用同样的引力原理满足太阳黑子延长极小期现象就有很大的困难了。于是他们从太阳系的另外一些已有的参数中寻找可能的线索并希望从中找出规律来解释这个现象。
天文学家最后把眼光放在太阳系的角动量这个目标上来了。
我们知道太阳本身占有整个太阳系的质量的98.3%,但是太阳的角动量只占整个太阳系的角动量的0.5%，4个类地行星占了0.2%。而4个气体行星的角动量占整个太阳系角动量的99%，木星就占了60%，土星占了25%。
由于质量和角动量如此不匹配，太阳系质量中心和角动量中心是不重合的，这两个中心在以某种周期做相对运动，并以每178年的周期频率回到原先的相对起始位置（不必是绝对位置，而是两个中心的绝对差距点， Theodor Landscheidt）。
那么我们可以检验一下这个角动量变化周期是否能同太阳黑子延长极小期现象同步，在何种条件下角动量的变化可以起作用。
还是先从木星和土星开始：木星和土星有两个位置可以造成最大和最小的角动量变化：A.对冲和B.
加上海王星和天王星，我们选下列两个位置（简便起见）：在前面两种位置上，我们让二王星始终呆在一块,A.和木星站在一边或B.同木星/土星对立:
已故的天文学家Carl Smith在通过大量数据处理后得出这样一个结论：当海王星天王星同木星在一边和土星形成对冲，而角动量中心和质量中心的差距在以“下降驼峰曲线”的形式减小的时候，太阳黑子延长极小期现象就可能发生（如果这个发生距离上次事件又达到178年的话）。
这里绿色箭头代表了木星/海/天（王星）在同一边与土星对冲。
1975年左右这个对冲也发生过，由于“下降驼峰曲线”不显著，所以极小期不成立。
从这个判断来看，2010年左右是一个很好的候选处，所以给个Landscheidt minimum来命名下一个太阳黑子延长极小期。为了纪念已故的Carl Smith，我觉得这个极小期命名为Landscheidt/Smith minimum会更好些。
从历史上看，前4次太阳黑子延长极小期都符合木/天/海 + 土这样的组合：
在过去的800年中，我们观察到以间隔178年为周期，太阳黑子延长极小期会发生，其行星系特点是木星同土星对冲而天王星海王星站在木星一边合伙干扰这个对冲。这个干扰造成角动量不规则变动。
我们总结一下从公元995年到公元2985年已经发生过的和将要发生的太阳黑子延长极小期：
有的天文学家觉得Carl Smith的方法有些使用上的困难，比如如何判断“驼峰曲线”；他的坐标系并没有完全反映了角动量变化的细节，有待于进一步完善。我下一篇将要谈这个问题。
Carl Smith阐明了天王星海王星的干扰调节作用，使得原先木星土星导致的太阳黑子11年周期与178年的太阳黑子延长极小期得到合理的宏观解释，这是一个重要发现。
令人惋惜的是这位科学家再也无法观察验证自己推导出来的即将出现的（或已经出现的）天文现象了。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)
http://www.ccthere.com/thread/2762400
变暖报告的那些温度增长曲线，在接下来几年，可能会完全成为笑话。
人类活动应该比不过太阳的周期，很合理。
至少到今天为止全球变暖还没破产。今年冬天的全球异常还在预计之内。
如果你比较一下太阳系内各行星的质量差别，就可以知道要想骚扰太阳这样的大块头，UFO，二氧化碳之类的玩意是太小儿科了。
比如说地球很大了吧，但同木星土星比就是小个子了：
可是木星同太阳比，又是个侏儒而已:
木星土星虽然小，玩玩黑子的实力还是有的，地球只有被黑子玩的份。
目前今年太湖只是局部结冰，渤海一半结冰。
从1840年以来的二氧化碳浓度增长曲线如果在这次黑子极小期中出现逆转才是真正惊天动地的消息。
上面说过Carl Smith的方法有些使用上的困难，有人认为拿原来的太阳系角动量中心轨迹图来分析还是更直截了当些。
这里就给个太阳系角动量中心轨迹图的样本，其覆盖了从1985-2040年的太阳系角动量中心轨迹的变化。
这个图的黄色圆盘就是太阳质量的范围，中心点就是太阳系质量中心，最外围的红圈就是角动量中心活动最大可到之处。角动量中心以不同冪次阶的渐近螺旋线围绕着质量中心运动。看上去相当杂乱无章，这个样本第一眼看就觉得是个8字形特征。
由于我们知道木星土星对冲或会合的时间，如2011年角动量中心接近质量中心时土木二星正在对冲，我们如果不知道哼哈二王的位置（或两位并不是以完美的合伙位置出现），我们将无法判断极小期是否来临。
在这种情况下，试图将历史上所有极小期是的角动量中心轨迹分布同非极小期的分布做一个比较，看看能不能看出一些线索来：
这里我们看出那些最小期都有某种8字形态轨迹图，不管是直立或横躺的；而那些在正常年份，角动量中心轨迹表现为三叶草形态。
是不是三叶草形态对太阳的干扰比较小或比较平衡从而造成黑子形成稳定？而8字形态干扰大？
据说拌饺子馅，保持往那个方向拌有讲究，一会左旋一会右旋地拌，对我来说无所谓，但也许奶奶姥姥会有意见的。太阳黑子的形成是否也比较挑剔呢？
这是一个在微观上值得考虑的一个问题。
我在这里提出这个问题是因为我观察到在今后两个太阳最小期时段，“下降驼峰曲线”特征在逐渐消失，而历史上另外一个太阳黑子延长极小期，奥特极小期（Oort minimum）发生时并没有显示这个“下降驼峰曲线”特征。
下一篇让我们从宏观转到微观上去看太阳黑子延长极小期。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)
不是09年12月。
