太陽黑子數目對小範圍─台灣地區─的氣候有影響嗎?

步驟一、 找出太陽黑子數目的多寡會使太陽產生哪些可外放的變化?

1.  簡介太陽黑子﹝Sunspots﹞

圖一、根據太陽黑子出現的緯度位置,逐年逐月所繪出的黑子緯度分布時間
      序列圖,此即著名的蝴蝶圖案
(Maunder's Butterfly diagram)

         太陽黑子附近的磁場結構示意圖。

2.  白斑 (Faculae):

3.  日珥(Prominences)

          圖二、 種常見的日珥結構崩潰之引發過程示意圖。

  1. 向上(向外)拉出去的磁力線,會將原來附著在日珥磁力線上的高密度低溫電漿,拋入行星際空間中,造成日冕物質噴發(Coronal Mass Ejection, CME),進一步造成行星際的磁雲(Magnetic Cloud)與激震波(Shock Wave)的形成。

  2. 順著下段磁力線向下彈打下來的的電漿流則會在太陽的光球層上造成太陽閃焰(Solar Flare) ,而輻射出各種短波輻射、高速的質子與電子。

步驟一【結論】:

  1. 黑子數目多時,太陽閃焰多,短波輻射增多,太陽風中的高速質子與電子也增多。

  2. 黑子數目多時,白斑、太陽閃焰增多,所以根據美國查普曼的研究表示:太陽活潑程度亦黑子相對數大小與太陽光總能量(太陽亮度)成比例。

  3. 黑子數目多時,行星際磁雲與激震波增多。

步驟二、 分析步驟一【結論】中那三項可對外影響的因子對地球氣候可能的影響。

  1. 由步驟一【結論】的 A 點,可知隨著黑子數目增多,藉由太陽閃焰所產生的短波輻射、高速質子與電子也會增多,這對地球氣候有何影響呢?

電離層
電漿密度的垂直分布圖

    太陽閃焰所釋出的 X-ray 及紫外光能量會在八分鐘內到達地球,並增加地球上空電離層(請參考上圖)的游離化現象,這將影響到短波通訊。此外閃焰所釋放出的高能質子及電子束,約在幾小時或幾天後,成為吹向地球的太陽風,它將影響地球磁場並產生強大的電流(約達106百萬瓦),流入近磁極的大氣層上空,使大氣層上空之原子受到激發產生極光(Auroras)(約在100 ~ 400 Km之高度),這些強大的電流也會影響地球磁場及產生磁爆。但是,上述的這些現象並不會影響到地球氣候。

2.  由步驟一【結論】B 點,可知隨著黑子數目增多,地球所受的日照
   量也會增多,這對地球氣候有何影響呢?

    太陽輻射的主要波長範圍大約是0.15 ~ 4μm,地面輻射和大氣輻射的主要波長範圍是3 ~ 120μm。因此氣象學上習慣把太陽輻射稱為短波輻射,而把地面及大氣的輻射稱為長波輻射。圖三為輻射波長之分布情形。

《大氣垂直分布圖》

    然而地球大氣層中的增溫層(熱氣層)(請參考上圖)會吸收來自太陽的X光以及γ射線,進行「光化游離」反應。圖四所示為大氣上界的太陽輻射能量曲線地球表面的典型太陽輻射能量分布曲線

    比較這兩條曲線,可以發現太陽輻射光譜穿過大氣後的主要變化為:

             1.  總輻射通量明顯減弱。

        2. 大氣對太陽輻射的吸收作用主要集中在紅外線區,而大氣對太
           陽輻射的散射作用則在可見光和紫外線區。

    大氣對太陽輻射的吸收帶,都位於太陽輻射光譜的兩端低「能量通量」區,而太陽輻射的主要能量則是集中在可見光區,因此大氣因吸收太陽輻射而增溫的作用是很小的,也就是說,太陽輻射並不是對流層大氣的直接熱源。

    太陽黑子活躍時,太陽閃焰增多,太陽輻射增強的部分都屬於極短的波段,如紫外線、X及α射線,因此所增加的能量不多。這些輻射一進入大氣時,立即被高層大氣( 大約一百公里高 )的氣體吸收,實際到達地面的輻射量不大,因此對地表氣候影響甚小。

    即使高層大氣結構有了變化,目前也無任何理論可以解釋高層大氣溫度的變化會影響到地表附近的氣候。例如,熱氣層的溫度可以由太陽黑子少時的 400 K ,暴增至太陽黑子多時的 1400 K 到 1800 K。不過這種變化只停留在高層大氣,80公里以下的高度就幾乎不隨黑子數週期(太陽的活動力週期)而變了。

    仔細分析,太陽輻射如果減少百分之一,地表平均溫度減少 1∼2℃。最近的衛星觀測資料顯示在過去十幾年之中,從太陽黑子數最少的一年(1985)到最多的年份(1980,1990),太陽輻射約增加 1.5wm~2 (相當於總輻射量的 0.1%)。依據此一估計,上述的微量輻射變化對地球溫度變化的影響應該小於 0.1℃。

3.  由步驟一【結論】C 點,可知隨著黑子數目增多,行星際磁雲與激
    震波也會增多,這對地球氣候有何影響呢?

    由於太陽黑子數目增加會導致太陽表面磁場擾動量的增大,許多日冕物質噴發,在日磁層中造成大量的磁雲,磁雲中旋轉的磁力線可阻擋外太空超新星爆炸所產生的宇宙射線 (Cosmic Ray)進入地球所在之日磁層內部。反之,隨著太陽黑子數目減少,日磁層中的磁雲量也隨之減少,於是來自外太空宇宙射線便得以長驅直入,進入地球的磁層、電離層、以及中性大氣中。

    若在純淨的空氣中,加上少量的塵埃與煙粒等吸濕性物質,當相對溼度為 100~120,有時甚至小於 100,就能產生凝結現象,這些吸濕性物質,就是水汽在其上開始凝結的核心,稱為凝結核。而這些帶電的宇宙射線是一種相當好的凝結核,因此黑子數少時很容易就形成了。

    雲層除了會吸收、散射太陽輻射外,還有強烈的反射作用,雲的反射能力決定於雲的厚薄。薄雲的反射率約為 10~20%,厚雲的反射率可達 90%,平均反射率為 50~55%。雲除了反射陽光,使得地面氣溫下降外,同時也造成降雨和雪,因此「太陽黑子」數目最少的那幾年,地球上平均溫度會下降,發生水災和大風雪的機會也同時增加。

    所以黑子數愈多的時期,愈缺乏凝結核,愈不下雨,並且天氣愈熱。反之黑子數愈少的時期,下雨機會愈大,天氣愈冷。

步驟二【結論】:

  1. 黑子數愈多的時期,地球上平均溫度增高;黑子數愈少的時期,地球上平均溫度降低。

  2. 黑子數愈多的時期,地球上平均雨量減少;黑子數愈少的時期,地球上平均雨量增加。

步驟三、 針對步驟二【結論】所述黑子數對地球氣候可能造成的二種影響,利用
        
民國 49~86 年內的黑子相對數統計圖,與同一時期台灣地區的溫 
     度、雨量紀錄做比較,看看台灣地區是否會受到影響?

A、台灣地區溫度的年平均值

S、太陽黑子相對數的年平均值

B、台灣地區雨量的年平均值

  1. 比較圖AS,可以發現太陽黑子相對數在相對極大(小)值時,同一時期的台灣地區溫度的年平均值並不是在相對極大(小)值。如民國 57年。

  2. 比較圖BS,可以發現太陽黑子相對數在相對極大(小)值時,同一時期的台灣地區雨量的年平均值並不是在相對極小(大)值。如民國 66年。

步驟三【結論】:

A.  同一時期的黑子相對數與台灣地區的溫度沒有明顯的關係。

B.  同一時期的黑子相對數與台灣地區的雨量沒有明顯的關係。

【檢討】:

    如果太陽黑子數目對台灣地區氣候的其他部分(溫度、雨量除外)有明顯影響,則本篇報告可能有的缺失如下:

A.  在步驟一【黑子數目的多寡會使太陽產生哪些可外放的變化】的部分,
    仍有其他黑子數可對外影響的因素未被分析出來,以至於這些未知因素
    對地球氣候的影響無從得知。

B. 在步驟二【分析在步驟一找出的黑子數可對外影響的因子,對地球氣候
   可能的影響】的部分,仍有黑子數對於氣候的其他部分的影響未被分析
   出來。

 

【資料來源】:
1. 空軍清泉崗基地氣候資料統計
2. 參考書:
   A. 天氣與氣候學:陳正改著,國立編譯館主編,明文書局印行,1995。
   B. 海洋氣象學:毆錫祺、陳正改,國立編譯館出版,1991。
3. 參考網站:
   A. 台北市立天文科學教育館
   B. 國立中央大學太空科學研究所
   C. 地球科學教室
   D. 天文學概論:我們的太陽
   E. 太陽表面的活動

請多多指教