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橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？11 土地变化及其他
太阳对地球的重要性不用多说，太阳是影响地球气候气象活动的最重要因素。在地球表面的能量平衡里面，太阳实际上是唯一一个外部能量来源，没有了太阳的辐射，什么地面反照、云的反照、温室效应等等就都没有了意义。而太阳辐射的变化，自然就是影响地球表面平衡的一个最重要的因素。要研究1750年以来地表能量平衡的变化情况，自然就需要了解这期间太阳辐射的变化情况。
太阳是影响气候的最重要的因素
现代对太阳的观测已经比较充分。观测太阳辐射变化最方便的地方是在太空，这样，就需要人造卫星来对太阳到达地球的辐射进行直接测量。从1978年以来，人们就开始用人造卫星直接对太阳辐射变化进行观察，这当然是最直接的第一手数据。现在有四个独立的对太阳辐射进行直接观测的卫星系统，这些数据汇总在一起，成为太阳辐射变化数据库的一部分，给人们的研究提供了很大方便。这四个系统中，运行时间最长的是1984年开始运行的地球辐射收支卫星ERBS，然后是1996年开始的在太阳和太阳风探测器SOHO上进行的辐射和重力震荡的观测实验VIRGO，1999年开始运行的空洞变化辐射监测卫星ACRIMSAT，以及2003年开始运行的在太阳辐射和气候试验SORCE里面的全日辐射监测计划TIM。不过有了详实数据不等于就有了准确数据，测量本身需要校准，对仪器的漂移等等都需要进行一定的处理，这些处理的方法的差异就会对最终结果导致一些细微区别，不同卫星的数据也会有差别。下图里面展示了1980-2005年太阳辐射的两个分析结果，数据使用的是月平均值，显示的是变化的百分比。可以看到这段时间的观察，覆盖了两个太阳周期，2005年差不多处在即将达到第三个周期低谷的位置上。这里面，有一组数据比另一组数据在第二个周期的时候高了0.04%，这被认为很可能是来自仪器的偏差，而不是太阳辐射的实际变化，但是具体原因仍然未知。之所以有这个选择，是因为另一组并没有明显升高的数据与其他观测结果更符合。按照这个数据，基本上可以讲，最近的这两个太阳周期内，太阳辐射并没有很明显的变化。有人给出了一个辐射周期最小值有0.01%的增高的分析结果，不过数据误差达到了+-0.026%，也就是说，这个有可能存在的略微增高，不确定性还非常大。因此，从这些数据来讲太阳辐射从1980年以来在增强还是非常缺乏依据的。可以认为这两个周期内，太阳辐射的长期趋势不明显。或者说，这两个周期的时间相比较，地球平均气温的变化，与太阳辐射变化的关系不大。
1978年以来太阳辐射的月平均变化。两个颜色的数据来自两个不同的卫星体系
太阳周期就是那个明显的11年周期。每11年，太阳的辐射就从高到低再到高的走上一圈。伴随这个周期的，是太阳黑子和太阳光斑的周期性活动频率，但是具体的变化机理目前还不清楚。太阳辐射也有一个很广泛的频率范围，在这个11年周期里面，不同波长的辐射的变化也是有一些区别的。这方面的监测也已经有了，比如200到300纳米的紫外线，周期内变化1.3%，315到400纳米范围，变化达到0.2%，而400到700纳米的可见光范围，变化为0.08%，700到1000纳米的近红外区，周期内变化0.04%，1000纳米到1600纳米范围，周期内变化仅有0.025%。不同波段的能量分配也是不同的，对于地球温产生重要影响的主要是波长高于300纳米的可见光和红外辐射。由于太阳辐射的能量主要集中在400到500纳米之间，虽然紫外区的变化比例很大，但是能量的绝对值变化很小。综合这些因素，太阳周期内太阳辐射能量的变化幅度被定为是0.08%。
太阳的光谱。黄色为大气层顶部的光谱，红色为抵达地面的光谱。
光谱覆盖了三个波段，从左到右为紫外、可见光、红外
但是人类对太阳的精确观测也只有这三十年，这之前的数据就需要通过其他方法来重建。因为这个报告研究的是1750年工业化以后地球能量收支的变化情况，那么，就需要对这两百多年前的太阳辐射进行估算。太阳辐射的变化会影响到地球地磁的变化，以及一些宇宙同位素的量，通过重建地磁的变化情况，分析在冰芯、树木年轮里面的宇宙同位素的测定，就可能重建太阳辐射的变化历史。但是这个重建的理论目前仍然不完善。在2001年发布TAR的时候，使用的是1990年代的重建方法。这些方法假定太阳的辐射在已知的11年周期的基础上，还有一个长周期的变化因素。这个假定的依据有三个，一个是对其他类太阳的恒星的观测结果，认为太阳现在处于辐射变化比较大的状态，一个是对地磁的长周期变化的观察，最后一个是依据从宇宙射线同位素得到的太阳模型。根据这个理论，在1645年至1715年的蒙德尔极小值，比目前的太阳周期极小值的太阳辐射低了0.15%到0.3%。按照这些方法估算的1750年以来的太阳辐射强迫，最高的数值达到了0.68W/m2，其他几个研究也在0.3W/m2左右。TAR综合了1990年代的几个研究，最终给出的太阳的辐射强迫是0.3+-0.2W/m2，不过同时指出了这方面的认知水平还很低，对太阳辐射度的历史重建还没有可信的方法。2000年代初，对上述三个依据都有了新的认识。首先是判定太阳现在处于辐射变化较大状态的宇宙射线同位素依据没有得到重复，研究降低了这个论断的可靠性，然后发现地磁变化的长周期，实际上来源于仪器本身的漂移，经过修正以后，这个长周期规律也变得依据不足，至少变化幅度小了很多，再有，人们发现宇宙射线同位素、地磁等与太阳辐射的关系，可能不是简单的线性关系。这样，1990年代研究太阳辐射变化的三个基本依据都出现了问题，1990年代的研究结果也就不能使用。
树木的年轮对很多气候资料的重建都非常重要
2002年，有研究发现太阳的磁通量变化与辐射变化的关系，从而导致了2005年对历史上太阳辐射的重新估算。这个新的理论仍然使用地磁和宇宙同位素C14以及Be10的丰度数据，但是根据太阳开放磁通量的变化的模型，对从1713年到1996年26个太阳周期的太阳磁通量进行重建，进而重建了18世纪初期以来的太阳辐射变化。这项新研究的结果，是大大降低了这段时间内太阳辐射度的变化范围，所估计的17世纪蒙德尔极小值与目前太阳周期极小值的太阳辐射差别，仅为0.04%，仅是1990年代估计的数值的三分之一到七分之一。对于更古老的，1610年以前太阳能辐射度数据的重建显示在12世纪时候的中世纪极大值与目前的周期极大值基本相当。不过这方面的了解仍然有欠缺，在AR4整理的时候，研究人员正在试图建立太阳磁通量变化导致的太阳风的变化，继而影响宇宙同位素的变化，以及后续的一系列物理化学反应的模型。这方面的初步研究结果，指出了最近的70年以来，太阳的活动水平明显高于过去的8000年以来的太阳活动水平，有显著的增强。不过在扣除了化石燃料对C14的影响之后，这个结论有了修正，发现最近70年以来的太阳活动的确仍然在增强，太阳活动水平的确是历史上的高水平，但是并不是特别的高。
两个2000年代初期的太阳辐射变化的研究结果。可以看到最近70年太阳辐射的增强，周期波动幅度增大
太阳辐射基本上在1365-1366W/m2附近变化，按照上面的说法，从蒙德尔极小值到现在的周期极小值升高了0.04%，实际增加的辐射就是0.5 W/m2。这个单位不是我们在考虑辐射强迫的时候使用的单位，而是单位截面积上太阳的辐射。由于辐射强迫考虑的面积是对流层顶的表面积，所以把太阳辐射转换成辐射强迫，需要把数值除以4，因为球体的表面积正好是截面积的4倍。这样，从蒙德尔极小值到现在的太阳周期极小值之间的辐射强迫，就是0.1W/m2。由于11年周期的幅度变化也有不同，最近这个幅度也有增加趋势，所以总的太阳辐射能量增加要高于极小值的增加数值。重建结果是从1750年到现在太阳辐射总量增加了0.05%，相当于+0.12W/m2的辐射强迫，这个数值比TAR时候的估计大幅度降低。有研究专门探讨了这个增加的上限和下限。对上限的估计是0.12%的变化，相当于+0.30W/m2的辐射强迫，对低限的估计为0.026%的变化，相当于+0.06W/m2的辐射强迫。这样，就有了AR4中采纳的太阳辐射强迫范围，+0.12[+0.06~+0.30]W/m2。对于认识水平，AR4认为认识水平虽然比TAR的时候有所提高，但是仍然处于较低的水平。
影响云的因素实在太多了
太阳辐射还有一个间接影响。大气宇宙射线离子和太阳周期有关系，而这个大气宇宙射线离子会影响全球平均的低层云覆盖，具体的作用可能是改变云凝结核的分布，以及云滴数和浓度等的分布，进而对云的反照产生影响。这方面，人们刚发现这里面的可能关系，详细情况和机理都仍然缺乏了解，另外这个问题本身还有争议，更无法定量研究。太阳辐射里面的紫外部分，因为基本上被平流层的臭氧层吸收而不计入辐射强迫，但是这部分的能量变化幅度最大，实际上贡献了整个太阳能辐射能量变化的15%。这部分会对平流层的臭氧产生影响，能导致全球臭氧浓度2-3%的变化。对这个问题认识也非常初步，还无法定量研究。
臭氧层吸收了绝大多数300nm一下波长的太阳辐射，保护大地的生物
总结一下，AR4中使用了当时最新的研究结果，认为1750年以来，太阳的辐射强迫仅为+0.12[+0.06~+0.30]W/m2，这个数值远远小于前面提到的人类活动造成的辐射强迫+1.6[+0.6~+2.4] W/m2。换句话说，AR4认为太阳在这段时间内的辐射变化，小于人类活动造成的影响。不过需要注意，AR4认为这个问题的认识虽然有了进步，但是水平仍然较低。
1100年来的气候辐射强迫重建。
上面第二个为太阳辐射的重建，第一个为火山影响，第三个为其他因素影响，即人类因素影响。
下图为北半球陆地平均温度重建
太阳辐射如此重要，但是这方面的研究水平却很低，这自然就给这个数值的估算留下了很大的争论空间。如果有研究认为太阳的辐射强迫很大，高于人类的影响，那么，太阳辐射变化自然就会成为气候变化的最重要原因。这里面，应该能看到不同的意见的。这些估算的方法是否合理，恐怕就不是我们这些外行能评价的了。实际上，大自然对气候的影响里面，太阳辐射是唯一一个会导致增温效果的。另外一个影响气候的原因，火山爆发，产生的影响正好相反。下一节讲火山的影响。
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🙂没错 快乐是什么 字514 2010-01-22 00:43:08
🙂我记得这个丑闻去年就有了 橡树村 字20 2010-01-22 00:45:15
🙂印度人的原因? 快乐是什么 字178 2010-01-22 00:49:42
🙂【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？12 太阳辐射
🙂结论就是: 2 月色溶溶 字599 2010-01-21 05:35:26
🙂这个态度对的 3 橡树村 字578 2010-01-21 06:37:09
🙂中子星的磁场怎么来的? suqier 字29 2010-01-22 20:10:21
🙂中子是有磁距的。中子不是基本粒子，是由带电的夸克组成的 none空空 字30 2010-01-23 12:32:17