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气候变化的天文因素
发布日期:2012-06-05 16:18:03    点击次数:11236        

 

    全球气候变化是科学研究的一个重要课题。影响气候变化的因素很复杂,涉及到太阳辐射与太阳活动、地球的宇宙环境、大气环流、海洋环流与海、气耦合的变化以及地球自身的各种运动如火山爆发,自转变化等。 
 
   天气与气候 
   天气是指一天或几天短时期内某地或全球大气和地表(包括陆地和海洋)附近的温度、气压和湿度等状态。气候是指天气在一个较长时期的平均的天气变化情况。一个地方的气候指当地一年四季天气的平均状况,比如大家熟知北方气候寒冷,南方温暖,南北回归线之间的地区一年四季都很炎热。 
   天气变化有时很快,刚刚还是风和日丽,转眼问雷雨交加;昨天气候温暖宜人,今日却见冰雪树挂。天气变化如同气象舞台上演的“活报剧”,大气环流与海洋环流是主角,通过海、气耦合演出这一场场的精彩“气象活报剧”,而幕后的导演就是太阳。 
   我们知道每年四季的气温、雨量、季风、台风都有所不同,这是指年度的气候变化。长时间尺度如几万年,几百万年至几千万年的气候变化叫大气候变化。 
 
   全球气候变暖问题 
   大量气象资料表明,20世纪以来全球气候变暖,全球大气和地表的温度平均上升了约0.506℃。据专家预测,到2100年全球气温还将增加1至3.5℃。气温升高会引发一系列的问题,比如极地以及各地区冰川融化,海平面上升将吞噬部分陆地与岛屿;部分物种灭绝;旱涝变化剧烈,很多地区沙漠化加剧;大量的热带雨林和原始森林被毁,森林火灾频繁发生等。 
   影响气候变化的原因可分为人为因素和自然因素。人为因素包括工业化的发展,二氧化碳和硫化物的排放量增加,大量的汽车和建筑物形成的城市热岛效应等。自然因素主要是天文因素比如太阳辐射变化与太阳活动影响;行星摄动引起地球轨道运动和自转变化以及地球宇宙环境的变化。 
 
   地球的字宙环境对气候的影响 
   地球是太阳系的一颗行星,太阳带领太阳系的成员居住在距离银河系中心约8.5kpc,银道面以北8pc处的位置,以大约250km/s的速度绕银河系中心运动,2.3亿年绕行一周;同时地球跟随太阳还在银道面上、下士80pc范围内往返运动,约6700万年一个循环,从已发现的冰川活动的证据来看,距今6亿年以来,地球的气候曾发生过4次大冰川活动期,在大冰川时期,天气非常寒冷,部分物种灭绝,极地冰层增加,海水冷却收缩,导致全球海平面下降。这四次大冰期正是太阳带领地球及其他太阳系成员穿越银道面的期间。 
   我国是文明古国,有史记载的气候变化也是最长的,河南安阳的殷墟考古发掘出来数万片甲骨,其上记载着“今夕其雨获象”,即狩猎时下雨,捕获到了大象。考古还发现有如今灭绝了的哺乳动物貘和象及水牛等的化石,说明2500多年前,河南的气候比现在温暖湿润,我国科学家竺可侦从考古资料和历史记载中,系统地论证了中国5000年来气候变迁。他考察了历史时期异常严冬的分布规律:公元1111年,史书记载太湖全部冰封,冰上可以通车;太湖附近山上种植的柑橘全部冻死;当时杭州降雪频繁,直到暮春仍然不止。1153~1155年,苏州一段运河常结冰。看来12世纪初南宋时代的北京的气温比现在冷。为什么地球穿越银道面会出现大冰期呢?目前尚无圆满解释,一般认为,银道面是恒星、星际物质,尘埃星云的密集区,太阳系穿越银道面时太阳辐射被吸收的厉害,导致接收到的太阳辐射减少,引起地球上气候的大冰期。 
 
   地球轨道及自转变化对气候的影响 
   地球绕太阳公转运动中会受到其他大行星(主要是木星)的引力干扰使轨道参量变化,影响到气候,前南斯拉夫天文学家米兰可维奇论证了2万年的小冰期与地球公转轨道参量:偏心率、黄赤交角和近日点的关系。(1)地球轨道偏心率变化:地球轨道运动是椭圆的,在行星摄动下,轨道偏心率在0.0005~0.0607之间变化,周期约为9.5j万年。地球轨道偏心率变化,使地球接收太阳辐射的日照量变化,最大是士l%左右。当地球轨道偏心率大时,一年中在近日点附近接收的辐射量增加,北方的冬季变暖。在第四纪以后,冰期都是出现在地球轨道偏心率最小的时期;间冰期出现在偏心率最大的时期。(2)黄赤交角变化:地球自转轴的倾角变化引起的黄赤交角在22度~20度30’变化,变化的周期约为4.1万年。由于地球上南、北回归线和南北极圈的位置是由黄赤交角决定的,因而会影响到高纬地区的日照量改变。黄赤交角减小时,中、高纬度地区,尤其是高纬地区接收到辐射量会明显减少;黄赤交角增加时,纬度越高,接收辐射量增加越多。黄赤交角达到最大值时,在极地全年接收到的太阳辐射量可增加4.02%(3)近日点的进动:由于行星摄动,地球轨道的近日点有进动,平均周期约为2.17万年。现在北半球的冬季位于近日点附近,再过12750年,近日点将位于目前的远日点附近,北半球的冬季将位于远日点。这会引起南北两半球在不同季节日照量的变化,影响到全球气温的很大变化。目前,地球过近日点的时间是每年的1月3日或4日,过远日点的时间为每年的7月2日或3日。近日点进动的方向和地球公转方向一致。 
   地球自转受日、月引潮力的影响,会引发海洋潮汐摩擦,产生与地球自转角速度相反的力偶矩,这导致地球的自转有长期减慢效应,使日长单位以每百年0.002秒的速度增加。此外,由于海、气耦合与日、月引潮力的影响,地球自转除了长期减慢以外,还有年际、半年、季节性与短时标的周期变化,也会影响到全球气候的变化。 
 
   太阳辐射与太阳活动对气候的影响 
   太阳辐射是地球上光和热的主要来源,它的微小变化会给地球带来严重的影响。虽然说太阳的辐射总量是基本上稳定的,但是也有0.1%至0.2%的起伏变化,特别是在紫外和X射线波段有较大幅度的涨落,这会引起地球发生气候变化。1999年美国科学家雷特分析、研究太空资料,发现在11年太阳活动周内,太阳总辐射的变化量约为总辐射的0.1%左右,当太阳黑子活动处于极大值时,太阳总辐射量也最大。在这辐射变化量中,紫外线波段和较短波长的太阳辐射约占20%,它们在地球的对流层顶部就被吸收掉,而其余的80%的辐射对气候变化有重大影响,绝大部分在大气的对流层下部被吸收,加热了陆地和海洋,给植物光合作用提供能量,驱动气候变化。 
   据大量气象观测资料分析,雨量、温度、湖泊水位及河流洪水流量等都和太阳黑子活动的11年周期及22年磁周期有较显著的相关性。例如1957~1958年是太阳活动的峰年期,世界上许多地方气候异常,出现历史上罕见的洪水、干旱、酷暑、大雪等。2000~2001年也是太阳活动的峰年,这期间全球性气候也是反常,旱灾、涝灾在许多地区频繁发生。太阳活动的激烈程度影响到太阳辐射的强弱,特别是紫外射线、X射线的强弱,这直接影响到大气平流层中的臭氧层。臭氧层的作用如同地球的“太空服”吸收和挡住了99%的太阳紫外辐射,保护着地球上人类及其他生物的生命安全。太阳紫外辐射的变化使臭氧层的密度与分布变化,从而使大气环流发生变化,随之影响天气与气候。依据1997年“气候研究计划”卫星(ISCCP)获取的1983年7月~1990年12月期间的全球云量资料,发现全球云量与太阳活动时发射的宇宙射线(高能粒子流)有关,宇宙射线通量减少时,全球云量也减小。在11年的太阳活动周期内,云的覆盖度约有3%-4%的变化,这相当于0.8~1.7W/M2的辐射变化。这表明,入射地球的宇宙射线与云量有直接关系,最终影响到气候变化。 
 
   旱涝与太阳活动有关 
   当一个地区的季雨量或年雨量比平均雨量偏少或偏多达到几成时,便形成旱或涝现象。对大量的长时间的年雨量与太阳黑子相对数资料分析,说明两者之间有着复杂的关系,有些地区在太阳黑子多时雨量较多,有些地区则相反,也有些地区则关系不显著。从全球雨量分布的情况来看,太阳黑子相对数峰值年时,赤道带的雨量比较多,而这时期中纬度地区雨量偏少。 
   我国一些科学家研究了长江流域的旱涝灾害与太阳黑子活动周期的关系,指出黑子相对数极小年,长江流域出现涝情比较多,在黑子活动峰年时期,长江流域出现旱情比较多。李志安教授等研究了1900年以来,北京市的年雨量变化及气压的变化,指出近百年来北京市的平均年雨量为623mm;北京市年雨量变化与气压变化都存在着11年和22年的周期性,年雨量变化与太阳黑子相对数存在负相关的关系,即当太阳黑子相对数减少时北京市的年雨量往往比平均年雨量多,太阳黑子的丰年期雨量往往偏少,要注意防旱。这一关系可作为预报北京市年雨量的参考因素,总之,地球的气候变化,旱涝与太阳活动有着密切的联系。 
 
来源:《天文爱好者》
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