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第九章 影响气候系统的外强迫作用 龚道溢 第一节 太阳活动 一、什么是太阳活动 从结构上看，太阳从内向外分为核反应区、辐射区及对流区三个层。核反应区只占太阳中心到0.25个半径处，体积仅占太阳的1.6%，温度达1500万K，中心压力3300亿个大气压，质量占太阳总质量的50％。自0.25到0.8个半径处为辐射区，在这个区内通过对光子的吸收和再发射，可以进行能量的传递，把核反应区能量向外输送。辐射区外是对流区，厚度约14万km，这一层中自内向外温度从70万K下降到6600K。由于温度、压力和密度的垂直梯度都很大，所以在对流层中物质的上下对流运动十分强烈。太阳的最外层部分是可见的太阳大气，也可以分为三层，即光球、色球和日冕。通常人们看到的是太阳大气的最底层光球。光球大约厚500km，虽然只占太阳半径的万分之4.7，但太阳光能几乎全部来自光球。太阳光谱也是在光球内形成的。色球位于光球之上，平时不易观测到，过去只是在日全食，才可以看到日轮边缘有一层玫瑰红的绚丽色彩，色球的名称也由此而来。色球层约2000km，在这层里温度是随离开日面距离的增加而升高的，底层约4560K，在高层则急剧上升到10万K以上。太阳大气的最外层为日冕层，厚度至少有几个太阳半径大，这层物质极其稀薄但温度却很高，可达100万K。 太阳活动是太阳上各种物理活动的总称。目前观测到的各种太阳活动都是仅仅限于最外层的太阳大气区，太阳内部的活动及内外层的关系都还有待更深入的研究。这些太阳活动主要包括以下以下方式。 太阳黑子，即太阳广球上的暗黑斑点，是一种涡旋，这是至今观测最多及记载最为久远的一种太阳活动。当光球表面为6050K时，黑子中部的本影部分大约为4240K，四周半影部分为6050K。由于温度相对比周围的广球低，所以看起来是太阳表面的一个黑点。最小的黑子直径才1000km，大的可达20万km以上。黑子的寿命与其大小有关，小的黑子几小时就会消失，大的可以存在几天到几十天。黑子是成群出现的，一个黑子群少则几个到十几个黑子，多的达几十甚至上百个黑子。但每个黑子群中总有两个是主要的，阳面西部(从地球上正视的右侧)的黑子称为前导黑子，东部的称为后随黑子，一般前导黑子稍大。 光斑与谱斑，光斑是出现在日面边缘的大块明亮组织，比光球温度高100到300K。光斑平均长5万km，宽5千到1万km，它的变化与太阳黑子有密切关系，但平均寿命比黑子长3倍。观测表明太阳黑子多时光斑也多，光斑增加造成的太阳辐射增加，可以抵销掉黑子增加造成的辐射减少。因此，太阳活动强时，太阳辐射也增加。谱斑是用单色广观测到的色球上大块增亮的区域。光斑向上延伸到色球就是谱斑，谱斑向下发展就是光斑。谱斑也同黑子有密切关系。 耀斑，也称色球爆发。这是出现在色球－日冕过度区中的一种不稳定过程，表现为阳面上突然出现的迅速发展的亮斑。可以在短时间内释放出大量的能量、粒子和电磁辐射。耀斑的寿命不长，一般在几分钟到几十分钟之间，面积越大寿命越长。耀斑是太阳活动中最激烈的现象。耀斑也同黑子有密切关系。在太阳活动的11年高峰，耀斑活动也比较频繁，数目增多。 日珥，出现在太阳边缘，因为与太阳光球相比，日珥的总光度很小，所以由肉眼观测的机会不多，只有在日全食时才能见到。一般每次日珥喷发过程约持续几十分钟。 射电辐射，太阳的辐射包括米波、厘米波及毫米波段。米波主要来自日冕内层，厘米波产生于色球的低层，毫米波产生于光球。太阳的爆发射电多发生在太阳活动激烈的时候，这时的太阳射电强度可猛增几百万倍。 二、太阳常数 “万物生长靠太阳”，从能量学角度来说，太阳辐射是地球气候系统的唯一能源。因为，人类活动如燃烧煤、石油、天然气等所产生的热能与此相比，几乎是微不足道的。来到地球大气上界的太阳辐射强度为1.97cal/cm2·min，或者现代多采用新的单位1372w/m2，称为辐照度。来到大气上界的太阳辐照度是否常定不变这是一个老问题，也是一个有过激烈争议的问题。早在公元1837年布依列特(Pouillet)就提出来“太阳常数”的概念。他认为到达大气上界的太阳辐射是常定不变的。为什么说到达大气上界，是因为大气对太阳辐射有消弱。而这个消弱依赖于大气的厚度及大气浑浊度。早晨及傍晚太阳高度较低，由于阳光是斜着穿过大气，因此太阳辐射在到达地面之前受到的消弱就较大。当大气中水汽及云较多，或者因受到污染大气中悬浮颗粒物增多均会大大减少达到地面的太阳辐射。所以，讨论太阳辐射的强度，一般以达到大气上界为标准。 但是，太阳常数是否真的是常数呢？这个争论已经持续了一百多年。在太阳常数这个名词出现的第二年，就有人提出了反对，认为不是常数。然而，很遗憾，由于没有足够精确的观测，始终无法准确的回答这个问题。不同的作者以及不同时间所得到的结果在1.94到1.99cal/