天空的荣耀:新卫星将监测太阳和反射热量以确定气候影响

太阳活动周期和地球大气颗粒如何影响我们的气候尚不清楚,但美国宇航局的“荣耀”任务应该会提供一些答案


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科罗拉多州博尔德市的科学家表示,太阳预报显示未来一段时间太阳活动将趋于迟缓——这可能会对地球产生降温效应。更好地了解太阳活动过程及其对气候的影响,对于理解这种静止状态在多大程度上可以抵消化石燃料污染造成的全球变暖至关重要。

毫无疑问,自从太阳周期 23 在 2007 年结束以来,太阳一直处于低迷状态。(天文学家从 1755 年开始对太阳活动周期进行编号。)下一个周期峰值的上升速度比预期要慢,而且非常微弱,几乎没有太阳黑子。

通常,在每个 11 年太阳周期的顶峰(对于周期 24,应该在 2013 年左右发生),太阳表面会变得异常活跃,爆发成太阳黑子和耀斑的高潮。这些爆发会用高能带电太阳风轰击行星,从而引发地球上的各种影响,从壮观的极光到对通信网络的干扰,甚至在最坏的情况下,还会导致电网中破坏性的浪涌。

科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室 (LASP) 的太阳物理学家汤姆·伍兹预测,随着太阳向周期 24 的高峰推进,我们仍然会看到太阳活动增加,但“我认为你可以相当有信心地说,我们将迎来一个较低的峰值。”

在全球变暖怀疑论者中,全球降温的预测在太阳周期 23 和 24 之间意外停顿期间变得流行,并且尚未完全消退。但是,一个平静的太阳能在多大程度上冷却地球,尤其是在面对正在使地球变暖的污染时,仍然是不确定的。考虑到这个问题的全球重要性,太阳研究人员越来越渴望量化太阳的作用。

一颗名为 “荣耀”号 的地球轨道卫星——美国宇航局和 LASP 的一个项目——将在下周发射后解决这个难题的两个部分。

污染可能正在窃取太阳的力量
伍兹说,太阳活动周期迟缓往往会成群出现,每次三个或更多——当它们持续存在时,对地球的降温效应就会变得明显。17 世纪后期的蒙德极小期就是一个经常被引用的例子,当时太阳活动平静——正如太阳黑子稀少所记录的那样——与地球上较低的温度,特别是欧洲严寒的冬季相吻合。

道尔顿极小期是另一个太阳活动低迷时期,大约从 1790 年到 1830 年,当时天气记录保存得更好;欧洲的河流整个冬天都结冰——这种情况在今天闻所未闻。一般来说,人们认为太阳极小期会给欧洲和北美带来较凉爽的气候,并给格陵兰岛带来温暖。

但地球的反应可能与道尔顿极小期期间不同。那是因为现在等式中出现了一个新的变量:工业时代伴随而来的空气污染。

19 世纪末的格莱斯堡极小期可能预示着太阳引起的降温的未来。太阳活动平静,但“没有多少人认识到那是美国的一个寒冷时期,”伍兹说。“我们开始看到温室气体燃烧的其他影响。它在某种程度上被掩盖了。”

美国海军研究实验室空间科学部太阳-地球系统研究高级科学家朱迪思·林恩表示,温室气体对气候变化的影响远大于太阳的影响:尽管太阳变化可能会在几个世纪内将地球温度在全球范围内改变 0.1 至 0.2 摄氏度——在特定地区变化更大——但人为造成的全球变暖预计将在同一时间范围内将全球温度升高高达三到四摄氏度。

关注太阳
尽管如此,地球的大部分能量都来自太阳——因此,了解太阳在气候中的作用至关重要。

“荣耀”号是美国宇航局最近一次量化太阳作用的尝试。这颗 1.9 米长、525 公斤的卫星将于当地时间 2 月 23 日凌晨 2 点后不久从加利福尼亚州范登堡空军基地发射升空。它将被发射到极地轨道,任务期至少三年,在那里它将从上方监测到达大气层的太阳总能量以及可变地吸收和反射该能量的空气传播颗粒。

气溶胶包括盐、矿物粉尘、煤烟和烟雾,来源多种多样,例如汽车尾气、篝火、火山,甚至沙漠风和海浪。美国宇航局气候专家和“荣耀”号科学团队成员詹姆斯·汉森曾表示,与气溶胶气候影响相关的不确定性范围是温室气体的三到四倍。

雷神公司的气溶胶偏振传感器是一种安装在航天器面向地球一侧的仪器,它将观察气溶胶随时间推移在大气中的运动,尤其是在季节性尺度上。而“荣耀”号面向太阳的一侧将配备太阳总辐照度监测仪,该仪器将测量大气层上层太阳辐射的强度。

这些测量将延续来自美国宇航局、国家海洋和大气管理局 (NOAA) 以及欧洲仪器的32 年气候数据记录。LASP 的研究员格雷格·科普是辐照度监测仪的首席研究员。他说,现有数据已经帮助研究人员了解了太阳 11 年活动周期规模的变化,但为了捕捉更长期的趋势,观测必须继续进行。

四台太阳辐照度仪器已经在太空运行,包括 1995 年在绕太阳运行的 SOHO 航天器上发射的 VIRGO(用于太阳辐照度和重力振荡的变率),以及 2003 年发射到地球轨道并携带三台辐照度监测仪的 SORCE 卫星。然而,这些仪器中的三台早已超过其设计的任务寿命,并且正在老化。欧洲 PICARD 微型卫星任务(于 2010 年发射)和美国宇航局的“荣耀”号任务是新的太阳先锋。

科普说,为了充分理解太阳与气候之间的联系,“我们希望非常准确地测量进入地球的辐射能量量、太阳总辐照量以及离开地球的辐射能量量。两者之间的任何不平衡都可用于加热或冷却地球,从而导致气候变化。”

他说,外向测量的获取难度更大,尽管美国宇航局的 CLARREO 十年调查任务计划于 2018 年发射,但在朝着这个方向努力。

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