太阳黑子与地球环境响应研究*

2015-03-19陈沁怡董乐天张星瑜何芝瑾张心竹赵聆羽

地理教学 2015年16期

关键词：太阳黑子太阳活动黑子

陈沁怡程达董乐天张星瑜何芝瑾张心竹赵聆羽金睿

指导教师：沈新荣1 杨益芳1

（1.江苏省天一中学, 江苏无锡 214101; 2.美国Leman Manhatan Preparatory School, 美国纽约 10000）

一、太阳黑子及观测方法

1.太阳黑子概述

太阳黑子是发生在太阳光球层（大气层的最里层）上的一种大气活动，是太阳活动的重要标志。黑子是强磁场区，因温度较低而显得较暗，故得名。黑子很少单独活动，常成群出现。其中，发育完全的黑子可分为本影（中间的暗核）和半影（周围较浅的）两部分。

黑子活跃时，太阳活动强烈，其发出的强烈电磁波进入地球大气层后，会干扰电离层，从而影响无线电短波通讯；其发出的高能带电粒子还会扰乱地球磁场，产生“地磁暴”现象；此外，水旱灾害、地震等据信也与黑子等太阳活动存在某些关联。

2.太阳黑子观测方法

当前，对太阳黑子进行观测的方法主要有目视描图和照相观测两种。随着技术的进步，描图法现多用于科普观测，而天文台等科研机构多采用照相法。

(1) 目视描图法

本课题组（江苏省天一中学天文社）编写了《太阳黑子观测记录纸》《太阳黑子观测记录表填写指南》（见图1）等文件，使用天文望远镜，对太阳黑子进行了投影观测，并进行描图记录。具体描图步骤如下：

图1 《太阳黑子观测记录表填写指南》等文件

①使用紫金山天文台提供的电子天文历表，查询、换算并填写日轴方位角P、日面中心纬度B0、日面中心经度L0。②根据查询到的B0值，选用记录纸，如查询到的B0值为4.51°，则选用最接近的B0为±5的纸。③在晴朗的中午，使用望远镜（物镜端加盖巴德膜）观测太阳，并使投影板的《太阳黑子观测记录纸》上呈现清晰的太阳像。④调整投影板位置，使日面大小与记录纸上的太阳相符。⑤通过微调，使太阳黑子成像清晰，并沿记录纸上的东西线移动。⑥开启望远镜电跟并调好太阳速，使望远镜跟踪日面移动。⑦描绘黑子时，先绘黑子的半影轮廓，再绘本影；先绘日面西边的黑子，再绘东面的；先绘大黑子群，再绘小的。⑧绘图结束后，仔细检查，避免遗漏。⑨根据《太阳黑子观测记录表填写指南》，将记录纸上的其他内容填写完整。其中，黑子数根据相对数计算公式计算：R=k（10g+f）。R是黑子相对数，g是黑子群数，f是黑子个数，k值为仪器与人差的换算因子，暂时取1。

(2) 照相观测法

本课题组使用直焦摄影法（将相机机身与望远镜的目镜端直接相连）对太阳黑子进行了照相观测（见图2）。具体步骤如下：

图2 直焦摄影法拍摄太阳黑子

①在望远镜的物镜端加盖巴德膜，安装并调试好望远镜。②将单反相机镜头与望远镜的目镜卸下，将相机机身连接在望远镜的目镜端，将望远镜充当相机的镜头。③根据观测需要，取景构图，并设置好快门、光圈、感光度等参数。④开始曝光，进行拍摄。⑤根据《太阳黑子观测记录表填写指南》，填写《太阳黑子观测记录纸》。

3.研究方法

本课题组利用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）、中国气象数据共享服务网、中国国家地震科学数据共享中心等提供的黑子、气温、降水与地震统计资料，对黑子的活动周期及其与地球气象、地质灾害间的相关性进行了对比研究。

二、太阳黑子活动周期

本课题组对美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的黑子资料进行了分析，并绘制成图3（见图3）。

从图3可以发现，1700年至2009年的309年间，共出现黑子（太阳活动）峰年28个、谷年29个。计算可得，太阳活动的平均周期约为11年，这便是太阳黑子的施瓦贝周期。

进一步分析图3，还能发现黑子除平均11年的短周期外，还可能存在一个平均约为80多年的“世纪周期”。这个周期被称为格莱斯堡周期，它因沃尔夫冈·格莱斯堡而得名。上世纪下半叶，沃尔夫冈曾指出：11年周期中的峰年还存在约80多年的长周期变化，即每80多年，会有一个黑子数特别高的峰年出现。现在，人们一般把施瓦贝周期看做太阳活动现象频数的变化规律，而把格莱斯堡周期看做太阳活动平均强度的变化规律。

图3 黑子活动周期图

三、黑子与气候的相关性

1.黑子与降水量的相关性

本课题组使用中国气象数据共享服务网提供的气象数据，就江苏省境内四个站点（徐州、赣榆、南京、东台）的月均降水量数据进行了处理。将1951-2013年（各站点数据起始年度不同）四个站点月均降水量数据转换为年均降水量数据，列入Excel表格并绘制成图4（见图4）。

图4 年均降水量与黑子相关性图

从图4可以发现，黑子活动与四个站点的年均降水量变化总体呈现出一定的负相关性，即太阳活动峰年降水量偏少，太阳活动谷年降水量偏多。比如，1957年黑子数达190，为太阳活动峰年，赣榆与东台两地的年均降水量（单位：mm）仅805.00和798.50，处于低谷期；1968年太阳活动峰年时的黑子数达106，赣榆、东台、徐州和南京的年均降水量分别为627.33，605.50，532.42，629.75，全部处于低谷期；2001年太阳活动峰年时的黑子数达111，赣榆、东台、徐州和南京的年均降水量分别为584.25，747.17，637.58，614.42，再次同时位于低谷期。

一些学者认为，太阳活动极大时，向地球抛射出更多的太阳风，它们会削减地球对流层中的凝结核数量，从而导致水汽难以凝结成为较大的水滴，减少降水。所以太阳活动极大年常造成较小的年均降水量，反之，则会形成丰沛的雨水。

目前，学界对于大气降水与太阳活动的相关性做了大量研究，普遍认为不同地区降水量的年际分布与太阳活动间存在相反的相关性，即有的地区正相关，有的地区则是负相关。如竺可祯先生曾指出，长江流域的降水与太阳活动有正相关关系，即太阳黑子（相对数R）多时，降水亦多；太阳黑子少时，降水亦少。

2.黑子与气温的相关性

本课题组对中国气象数据共享服务网提供的江苏省境内四个站点（徐州、赣榆、南京、东台）的月均温数据进行了处理。将1951-2013年（各站点数据起始年度不同）四个站点月均温数据转换为年均温数据，列入Excel表格并绘制成图5（见图5）。

图5 温度变化图

从图5可以发现，1961、1978、1994、2007年前后为四站点年均温的相对高峰年，从1957年至2012年间的55年中分布有4个峰年。这与美国杜克大学物理系的N.Scafetta1和B.J.West等人在2005年提出的气候敏感度周期较为吻合。气候敏感度周期认为：由于海洋对热的惰性，使受到太阳变化影响的气候敏感性产生更长周期的变化，并且减缓了变化的频率。此外，热惰性使得在气候循环中的温度变化大约滞后2.2年。

通过进一步观察、分析1951年至今四个站点年均温的整体变化趋势，可以发现为波动上升态势，这与全球变暖的大背景相符。根据俄罗斯一个科学小组的研究，总太阳辐射照度的变化能解释20世纪后半叶全球温度变化的69%，即太阳辐射变化在全球气候变化中起主导作用。

当然，气温及气候的变化受纬度位置、大气环流、下垫面性质、洋流、大气热力作用、昼夜长短变化、地球绕日轨道变化及人类活动等诸多因素的影响，太阳活动如黑子的周期性变化等仅是影响气温变化的诸多因素中的一个。目前，学界在气候变化问题上还存在着许多不同认识，尤其在气候变化成因和影响上的学术争论一直存在。

四、黑子与地震的相关性

本课题组使用中国国家地震科学数据共享中心提供的中国地震台网华东、青藏、华中、东北、华北、华南及天山等七个子网的地震数据，就其中的江苏台、青海台、湖南台、辽宁台、河北台、广东台和新疆台等七个台站的地震数据进行了处理。将1980-2008年（各台站数据起始年度不同）各个台站地震数据列入Excel表格并绘制成图表，以下为部分台站的地震与黑子相关性图（见图6、图7）：

图6 辽宁台地震与黑子相关性图

图7 江苏台地震与黑子相关性图

从图6和图7中可以发现，无论青海台记录的青海、甘肃等地的地震数据，或江苏台记录的江苏、山东、安徽、河南、黄海等地的地震数据，都与黑子存在较为明显的相关性：在太阳黑子的极大、极小及其附近年份以及太阳黑子周下降位相的年份，地震发生的频率较高。这与1874年，皮依在研究安得列斯及墨西哥地震时提出的“黑子活动最多及最少时地震同样是多的”相符；也与1963年以来，A.Д.瑟京斯基根据1904年以来7.5级以上地震资料，采用时序迭加法指出“全球最高的地震活动性发生在太阳黑子活动11年周期高值年及低值年附近”的结论是相符的。

岳庆祥等学者经过研究认为，太阳活动增强时，太阳对地球的粒子流辐射增多，引起大气高层增温和密度加大，导致大气位能增大而角速度变小，致使地气系统重心位移并破坏地球原有的平衡，最终影响地球自转速度而引起地球内部应力变化和发生断裂。同时，磁暴随太阳活动增强而变得频繁，地壳层感生电流加剧，造成地球内部升温，破坏地球内部原有的平衡，导致应力重新分配而触发地震。

太阳活动减弱时，磁暴活动减少，地电流减弱导致地球内部温度降低，当高于居里点温度的岩石冷却至低于居里温度时，就会产生自发的磁致伸缩效应，造成岩石体积形变，岩石中产生的附加应力会触发地震。