太陽黑子與地球環境響應研究*

陳沁怡 程 達 董樂天 張星瑜 何芝瑾 張心竹 趙聆羽 金 睿

指導教師：沈新榮1 楊益芳1

（1.江蘇省天一中學, 江蘇 無錫 214101; 2.美國Leman Manhatan Preparatory School, 美國 紐約 10000）

一、太陽黑子及觀測方法

1.太陽黑子概述

太陽黑子是發生在太陽光球層（大氣層的最里層）上的一種大氣活動，是太陽活動的重要標志。黑子是強磁場區，因溫度較低而顯得較暗，故得名。黑子很少單獨活動，常成群出現。其中，發育完全的黑子可分為本影（中間的暗核）和半影（周圍較淺的）兩部分。

黑子活躍時，太陽活動強烈，其發出的強烈電磁波進入地球大氣層后，會干擾電離層，從而影響無線電短波通訊；其發出的高能帶電粒子還會擾亂地球磁場，產生“地磁暴”現象；此外，水旱災害、地震等據信也與黑子等太陽活動存在某些關聯。

2.太陽黑子觀測方法

當前，對太陽黑子進行觀測的方法主要有目視描圖和照相觀測兩種。隨著技術的進步，描圖法現多用于科普觀測，而天文臺等科研機構多采用照相法。

(1) 目視描圖法

本課題組（江蘇省天一中學天文社）編寫了《太陽黑子觀測記錄紙》《太陽黑子觀測記錄表填寫指南》（見圖1）等文件，使用天文望遠鏡，對太陽黑子進行了投影觀測，并進行描圖記錄。具體描圖步驟如下：

圖1 《太陽黑子觀測記錄表填寫指南》等文件

①使用紫金山天文臺提供的電子天文歷表，查詢、換算并填寫日軸方位角P、日面中心緯度B0、日面中心經度L0。②根據查詢到的B0值，選用記錄紙，如查詢到的B0值為4.51°，則選用最接近的B0為±5的紙。③在晴朗的中午，使用望遠鏡（物鏡端加蓋巴德膜）觀測太陽，并使投影板的《太陽黑子觀測記錄紙》上呈現清晰的太陽像。④調整投影板位置，使日面大小與記錄紙上的太陽相符。⑤通過微調，使太陽黑子成像清晰，并沿記錄紙上的東西線移動。⑥開啟望遠鏡電跟并調好太陽速，使望遠鏡跟蹤日面移動。⑦描繪黑子時，先繪黑子的半影輪廓，再繪本影；先繪日面西邊的黑子，再繪東面的；先繪大黑子群，再繪小的。⑧繪圖結束后，仔細檢查，避免遺漏。⑨根據《太陽黑子觀測記錄表填寫指南》，將記錄紙上的其他內容填寫完整。其中，黑子數根據相對數計算公式計算：R=k（10g+f）。R是黑子相對數，g是黑子群數，f是黑子個數，k值為儀器與人差的換算因子，暫時取1。

(2) 照相觀測法

本課題組使用直焦攝影法（將相機機身與望遠鏡的目鏡端直接相連）對太陽黑子進行了照相觀測（見圖2）。具體步驟如下：

圖2 直焦攝影法拍攝太陽黑子

①在望遠鏡的物鏡端加蓋巴德膜，安裝并調試好望遠鏡。②將單反相機鏡頭與望遠鏡的目鏡卸下，將相機機身連接在望遠鏡的目鏡端，將望遠鏡充當相機的鏡頭。③根據觀測需要，取景構圖，并設置好快門、光圈、感光度等參數。④開始曝光，進行拍攝。⑤根據《太陽黑子觀測記錄表填寫指南》，填寫《太陽黑子觀測記錄紙》。

3.研究方法

本課題組利用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、中國氣象數據共享服務網、中國國家地震科學數據共享中心等提供的黑子、氣溫、降水與地震統計資料，對黑子的活動周期及其與地球氣象、地質災害間的相關性進行了對比研究。

二、太陽黑子活動周期

本課題組對美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的黑子資料進行了分析，并繪制成圖3（見圖3）。

從圖3可以發現，1700年至2009年的309年間，共出現黑子（太陽活動）峰年28個、谷年29個。計算可得，太陽活動的平均周期約為11年，這便是太陽黑子的施瓦貝周期。

進一步分析圖3，還能發現黑子除平均11年的短周期外，還可能存在一個平均約為80多年的“世紀周期”。這個周期被稱為格萊斯堡周期，它因沃爾夫岡·格萊斯堡而得名。上世紀下半葉，沃爾夫岡曾指出：11年周期中的峰年還存在約80多年的長周期變化，即每80多年，會有一個黑子數特別高的峰年出現。現在，人們一般把施瓦貝周期看做太陽活動現象頻數的變化規律，而把格萊斯堡周期看做太陽活動平均強度的變化規律。

圖3 黑子活動周期圖

三、黑子與氣候的相關性

1.黑子與降水量的相關性

本課題組使用中國氣象數據共享服務網提供的氣象數據，就江蘇省境內四個站點（徐州、贛榆、南京、東臺）的月均降水量數據進行了處理。將1951-2013年（各站點數據起始年度不同）四個站點月均降水量數據轉換為年均降水量數據，列入Excel表格并繪制成圖4（見圖4）。

圖4 年均降水量與黑子相關性圖

從圖4可以發現，黑子活動與四個站點的年均降水量變化總體呈現出一定的負相關性，即太陽活動峰年降水量偏少，太陽活動谷年降水量偏多。比如，1957年黑子數達190，為太陽活動峰年，贛榆與東臺兩地的年均降水量（單位：mm）僅805.00和798.50，處于低谷期；1968年太陽活動峰年時的黑子數達106，贛榆、東臺、徐州和南京的年均降水量分別為627.33，605.50，532.42，629.75，全部處于低谷期；2001年太陽活動峰年時的黑子數達111，贛榆、東臺、徐州和南京的年均降水量分別為584.25，747.17，637.58，614.42，再次同時位于低谷期。

一些學者認為，太陽活動極大時，向地球拋射出更多的太陽風，它們會削減地球對流層中的凝結核數量，從而導致水汽難以凝結成為較大的水滴，減少降水。所以太陽活動極大年常造成較小的年均降水量，反之，則會形成豐沛的雨水。

目前，學界對于大氣降水與太陽活動的相關性做了大量研究，普遍認為不同地區降水量的年際分布與太陽活動間存在相反的相關性，即有的地區正相關，有的地區則是負相關。如竺可禎先生曾指出，長江流域的降水與太陽活動有正相關關系，即太陽黑子（相對數R）多時，降水亦多；太陽黑子少時，降水亦少。

2.黑子與氣溫的相關性

本課題組對中國氣象數據共享服務網提供的江蘇省境內四個站點（徐州、贛榆、南京、東臺）的月均溫數據進行了處理。將1951-2013年（各站點數據起始年度不同）四個站點月均溫數據轉換為年均溫數據，列入Excel表格并繪制成圖5（見圖5）。

圖5 溫度變化圖

從圖5可以發現，1961、1978、1994、2007年前后為四站點年均溫的相對高峰年，從1957年至2012年間的55年中分布有4個峰年。這與美國杜克大學物理系的N.Scafetta1和B.J.West等人在2005年提出的氣候敏感度周期較為吻合。氣候敏感度周期認為：由于海洋對熱的惰性，使受到太陽變化影響的氣候敏感性產生更長周期的變化，并且減緩了變化的頻率。此外，熱惰性使得在氣候循環中的溫度變化大約滯后2.2年。

通過進一步觀察、分析1951年至今四個站點年均溫的整體變化趨勢，可以發現為波動上升態勢，這與全球變暖的大背景相符。根據俄羅斯一個科學小組的研究，總太陽輻射照度的變化能解釋20世紀后半葉全球溫度變化的69%，即太陽輻射變化在全球氣候變化中起主導作用。

當然，氣溫及氣候的變化受緯度位置、大氣環流、下墊面性質、洋流、大氣熱力作用、晝夜長短變化、地球繞日軌道變化及人類活動等諸多因素的影響，太陽活動如黑子的周期性變化等僅是影響氣溫變化的諸多因素中的一個。目前，學界在氣候變化問題上還存在著許多不同認識，尤其在氣候變化成因和影響上的學術爭論一直存在。

四、黑子與地震的相關性

本課題組使用中國國家地震科學數據共享中心提供的中國地震臺網華東、青藏、華中、東北、華北、華南及天山等七個子網的地震數據，就其中的江蘇臺、青海臺、湖南臺、遼寧臺、河北臺、廣東臺和新疆臺等七個臺站的地震數據進行了處理。將1980-2008年（各臺站數據起始年度不同）各個臺站地震數據列入Excel表格并繪制成圖表，以下為部分臺站的地震與黑子相關性圖（見圖6、圖7）：

圖6 遼寧臺地震與黑子相關性圖

圖7 江蘇臺地震與黑子相關性圖

從圖6和圖7中可以發現，無論青海臺記錄的青海、甘肅等地的地震數據，或江蘇臺記錄的江蘇、山東、安徽、河南、黃海等地的地震數據，都與黑子存在較為明顯的相關性：在太陽黑子的極大、極小及其附近年份以及太陽黑子周下降位相的年份，地震發生的頻率較高。這與1874年，皮依在研究安得列斯及墨西哥地震時提出的“黑子活動最多及最少時地震同樣是多的”相符；也與1963年以來，A.Д.瑟京斯基根據1904年以來7.5級以上地震資料，采用時序迭加法指出“全球最高的地震活動性發生在太陽黑子活動11年周期高值年及低值年附近”的結論是相符的。

岳慶祥等學者經過研究認為，太陽活動增強時，太陽對地球的粒子流輻射增多，引起大氣高層增溫和密度加大，導致大氣位能增大而角速度變小，致使地氣系統重心位移并破壞地球原有的平衡，最終影響地球自轉速度而引起地球內部應力變化和發生斷裂。同時，磁暴隨太陽活動增強而變得頻繁，地殼層感生電流加劇，造成地球內部升溫，破壞地球內部原有的平衡，導致應力重新分配而觸發地震。

太陽活動減弱時，磁暴活動減少，地電流減弱導致地球內部溫度降低，當高于居里點溫度的巖石冷卻至低于居里溫度時，就會產生自發的磁致伸縮效應，造成巖石體積形變，巖石中產生的附加應力會觸發地震。

五、反思及討論

受限于資料的時長，比如年均降水量、年均溫數據為1951年至今的、七個地震臺站的地震數據為1980年至今的等，課題組無法從更大的時間尺度上去觀察和分析上述地球環境要素與太陽活動間的相關性。

考慮到地球環境的綜合性與復雜性，各要素間的相互聯系與影響十分密切、普遍。太陽活動僅是影響地球環境發展變化的諸多因素中的一個，太陽活動周期也并一定與各要素的變化規律呈顯性一致的關系，這也給課題組的研究造成了很大的困擾。

為進一步研究太陽活動的影響，課題組將使用更為科學的觀測儀器、分析方法，來對具體的要素進行更深入的觀測與分析。課題組現已加入美國斯坦福大學“地球電離層突變監測”項目組，目前正在天一中學校內搭建SID監測儀，未來將與世界各地的同行共享數據庫信息，進行專門的太陽活動與地球電離層突變響應監測研究。

[1]鄭曉非,朱楠,曹陽.太陽黑子觀測方法與黑子峰年地球環境的響應[J].沈陽教育學院學報,2000,(12):101-105.

[2]N.Scafetta1,B.J.West.Phenomenological solar contribution to the 1900-2000 global surface warming[J].GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS,2006,33.

[3]岳慶祥.太陽黑子活動、磁暴與地震的關系[J].地震地磁觀測與研究,1992,(02):53-60.