近20年的研究已清楚表明，天气气候的形成和变化，尤其是气候变化并不仅仅是大气运动所产生的，它们是气候系统（包括大气、海洋、地圈和生物圈等）共同作用的结果。作为大气和海洋运动能量基本来源的太阳，无疑在大气等系统的运动和变化中有极其重要的作用。李崇银院士从气象学角度概括归纳了太阳活动与天气气候变化的关系。

　　本期嘉宾：中国解放军理工大学教授/中国科学院大气物理所研究员中国科学院院士李崇银

　　采访人：本报记者丁继武

　　天气和气候变化已是大家熟知的事实，近年来更加引起社会的普遍关注。近20年的研究表明，天气气候的形成和变化，尤其是气候变化并不仅仅是大气运动所产生的，它们是气候系统（包括大气、海洋、地圈和生物圈等）共同作用的结果。温室气体含量增加所引起的全球增暖尤为世人所关注，而太阳是大气和海洋运动的根本能量源，太阳活动如何影响天气气候变化也必然受到关注。

　　太阳同样也处于不停的运动和变化之中，地球上的某些天气气候变化又明显地反映出它们可能与太阳活动有一定的关系。但是，太阳活动通过什么途径影响天气气候变化？影响的具体物理过程及其机制又是什么？直到目前，还没有一个理论能够很好地说明。
天气气候变化与太阳活动的一些相关现象

　　太阳活动的重要现象是所谓太阳黑子，它有极明显的11年周期变化。目前研究表明，太阳黑子数与地球上天气气候变化之间确实存在着一定关系。例如，太阳黑子的全影和半影比率（Rs）与北半球地面气温异常在长时间的变化趋势上有正相关变化，Rs值大时，则北半球气温偏高。

　　太阳活动不仅与大范围的气候状况有关，还与一些局部地区的天气气候现象有一定关系。例如，英国大气闪电次数与太阳黑子数之间也有正相关关系，在太阳黑子多的年份，英国大气闪电也多；反之亦然。

　　在分析太阳活动与地球气候变化之间的关系时，人们还发现对分析资料的处理也是十分重要的。例如，每年某地区的地面气压同太阳辐射通量之间并没有明显的关系，但如果考虑了平流层的准两年振荡（QBO）特征，仅就QBO的西风位相年进行统计分析，太阳辐射量的变化同南北气压差的变化间有正相关关系，而同查尔斯顿的气温变化有负相关关系。

　　全球增暖及其影响是大家极为重视的问题，温室气体排放的增加被认为是祸首。但最近的一些研究表明，地球气温的变化同太阳活动也有一定的关系，太阳活动也可能是全球增暖的一种因素。
影响天气气候变化的几种可能途径

　　尽管尚未形成完整的理论，但根据多年来的观测和分析研究，可以将太阳活动对天气气候变化的影响归纳成三种可能途径：

　　太阳活动→地球大气电离程度→大气经圈环流→天气气候变化

　　一些观测研究已表明，在太阳黑子的高峰期，地球大气的电离程度比较强，尤其是在高纬度地区。这样，在电磁场的作用下，高纬度大气电离化的增强将导致高纬地区大气直接经圈环流的加强，经圈环流的加强使空气的南北交换加强，大气活动中心会明显增强，全球的降水量可能增多。

　　太阳活动所引起的大气电离程度的变化还必然引起高层大气中离子含量的改变，高离子含量的空气被带到对流层，从而还可能改变凝结核的数量，最后可能影响到云和降水过程。

　　太阳活动→紫外辐射→臭氧层→平流层热状况→天气气候

　　卫星观测表明，平流层上层的臭氧混合比与太阳辐射加热有明显的正相关关系，太阳辐射加热强，在2百帕高度处的臭氧混合比就高。这样，太阳活动（太阳黑子多）所引起的辐射量（尤其是紫外辐射）的增加将使得平流层的臭氧量及其分布发生变化，从而引起平流层热状况的变化。平流层热状况的变化必将引起平流层温度场的变化，平流层大气环流亦将发生变化，进而通过行星波的异常影响对流层大气环流的改变，最终引起天气气候的变化。因为行星波可以通过对流层顶而垂直传播。

　　太阳活动→地球磁场→地球自转速度→大气和海洋环流→天气气候

　　太阳活动引起地球磁场的变化，磁场的变化将引起地壳内部磁流体（溶浆）运动的改变。因为地球外核是以铁镍为主要成分的熔融态合金，其黏滞度近似于水，也可视为磁流体。地球磁场的变化将引起地球外核流动的改变，而外核流动的改变通过核幔耦合作用，包括电磁耦合、黏性耦合、热力耦合和地形耦合等过程，又将对地幔产生影响，然后又引起地球自转（日长）的变化。地球自转速度（日长）的变化，通过地球与大气和海洋的角动量交换将引起大气环流和海洋环流的变化，最终影响天气气候。

　　尚需重点研究解决的问题

　　以上从气象学的角度概括了太阳活动影响地球上天气气候的三种主要的可能途径。但是，如何确定上述途径的具体物理过程？以及是否还有其他途径？这些问题都值得深入研究。

　　在以上三种可能途径中，尚待研究解决的重点是：

　　关于通过大气电离程度影响天气气候。如果太阳活动影响电离层的问题已经基本清楚的话，那么大气电离程度或者电离层与对流层大气经圈环流的关系尚需研究确定或证实，其动力学机制也是尚待研究的重点，这些需要在空间科学家和气象学家的共同努力下解决。

　　关于通过热辐射影响天气气候。研究的一个重点是明确太阳活动与平流层臭氧量及平流层环流的关系；另一个重点是平流层环流的变化如何影响对流层环流。

　　关于通过磁场影响天气气候。太阳活动对地球磁场的影响已有相当研究，需要进一步着重研究的问题有两个：其一是地磁场影响地壳内部磁流体运动的观测事实和机制；其二是地壳内部磁流体运动影响地球自转（日长）的事实和机制。 （来源于2008年3月28日《中国气象报》作者：丁继武）

自从诞生以来已经走过了45亿多年的岁月，在这漫长的岁月中，地球经历了大大小小的危机，但好在这些危机最终都成为历史，地球也还在宇宙中继续运转着。

地球的演化在过去几十亿年中，几乎由内至外的在发生改变，早期地球在建立，海洋循环后就逐渐出现了生命。而在看不到的地方，也就是地底深处，这里同样也发生了许多改变，最明显的就是、地壳与核心的运动变化了。

这些变化使得陆地逐渐形成今天我们所熟知的样子，今天的科学家在对地球的研究发现中看到了以往我们所不熟悉的样貌。简单地说，地球的形成就是一个炙热核心在流动岩浆逐渐与海洋作用的冷却下，完全覆盖地表的一个过程。

而科学家最新的发现指出，地球的内核正在慢慢地冷却，同时地核的冷却速度远超过科学家们的预期。这个消息不禁让人为之震惊，难道地球要“凉”了？

不知道听到这个消息的你此刻是什么样的心情，可能会变得复杂起来，难道在未来，人类真的要在自己的家园走向灭亡吗？先别急着灰心，还请收起你悲悯的心情，接下来是解答问题的时候。

最开始，科学家并不是在研究地球核心到底冷不冷的这个问题上去解答的。他们想知道地球到底会不会变小，很奇怪对吧。美国宇航局兰利研究中心的一名物理学家在2022年1月初得到的一项研究结论。

他的研究发现地球每年会有大约8.27万吨的空气逃离大气层，考虑到其他因素，折算下来，实际会损失6万多吨的物质。所以他认为地球在逐渐变小。

地球上的一些火山活动也是一个主要的原因，火山爆发出来形成的大气在补充地球大气的同时，也会损失一部分物质。而地球几乎没有任何可以补充这些物质的方式，都是通过外界来进行补充，比如一些陨石、彗星带来的什么物质等。

本来这篇学术研究应该是吸引焦点的主要刊文，但同期的苏黎世理工大学很快就在这篇报道后发表了关于地球内部变冷的研究结果。

地球的演化过程可以看作是由内部深处释放的巨大热能驱动的，地球地核区域会向地表释放大量的热量，这种能量驱动着地幔对流和一些构造活动。而在这个活动中，热熔核与固态地幔矿物直接接触的核幔边界，在地核热能的传递过程中发挥了重要作用。

问题在于，整个地球的历史演化过程中，地球的这种形成过程，或者说散热过程，它的散热速度有多快，是否与地球的活跃时间有着密切的联系。为了解决这些疑问，科学家们对地核内部做了详细的研究调查。

实验中，科学家通过脉冲激光加热金刚石砧台，以模拟深部下地幔的高压高温状态，对单晶布氏岩的原位辐射热导率进行测量。单晶布氏岩和橄榄石类似，都是埋藏于地下600公里深处的高强度晶格体。

这种矿石有非常强的导热能力，如果对其进行高温加压可以得到它们的相关吸收光谱，经过多种实验样本的数据分析和对比后，室温和高温下有几乎无法区分的光谱。也就是说，无论温度是否会变化，这类矿石的导热效果都能够一样保持下去。

这证实了吸收系数在高温下几乎没有增加，也就是说下地幔底部的矿化物等钙钛矿等物质，要比之前科学家认为的导热率高1.5倍。地球在未来可能会进一步加速地幔的冷却。

过去科学家们认为地球的内部散热是很难传递的，同时地球内部还有各种放射性元素衰变，这也会释放出大量的热量。地球内部的导热还会在大陆、海洋这里得到减缓。

布氏岩的实验结果表明这类矿石的导热在地幔位置有着强力的散热效果，这种效果在热量缓缓传递出去前会在这里经过一个加速区。

这么一看，地球就像一个年轻人一般，开始走向衰老。与不同，地球的衰老和太阳有着本质区别。地球内核的形成根据现有的说法是来自于碰撞学说。

初期的太阳系在行星系统完成以前，地球是各种碎石、碎片的集合体，在的作用下，这些物体相互碰撞。碰撞带来的巨大能量形成了地球的内部核心，也正是这块核心给地球带来了动力。

核心不断运作的过程中使得内核中的各种放射性元素得到释放，能量的聚集让地球有了自身引力。逐渐在星系里稳定下来的地球，开始在内核的作用下形成地幔，地幔的运动一层一层地推进形成地壳。

整个循环状态就像是洋葱一样，地球在完成初步演变后，剩下被包裹的核心就成为了其动力的主要来源。但这个动力是有限的，因为地球并不像太阳一样，能够通过核聚变产生能量。地球的核心能量是来自于碰撞所剩下的，所以从本质上来说，这份能量有用尽的那一天，而且比太阳更快。

科学家对布氏岩这类矿物的导热速度完成分析后，之所以认定地球在冷却也是因为它的导热速度太快，超出了地球本身的散热过程。好在地球最外层还有海洋和陆地，以及大气层的保温作用，才不至于让地球变得像火星一样荒凉。

不过现在看来，地球的结局正在往这里走去。地核的形成不仅是地球有了自身引力那么简单，还有它的磁场。运动中的地核给地球带来了强大的磁场，这可以保护我们不受太阳风的影响。

看一看月球就知道，经受太阳风和各种辐射的侵害，月球上已经没有剩下太多东西，上面就连引力也比地球小得多。磁场在完全消失后，地球会受到太阳风的直接伤害，大气层消失、水分蒸发、温度骤变都会让这颗蓝色星球变得黯淡无光。

地核的运动还有一个作用就是陆地和海洋的变化，陆地可不是碰撞后冷却形成外壳那么简单。这里面还有地核的一份功劳，地核的运动在实时地影响着地幔的活动，下岩圈的活动让地幔逐渐形成新的外壳。

地幔的挤压使得这些外壳逐渐向上抬升，同时这也会影响陆地板块的活动变化，而非早期科学界所说的大陆漂移学说。海底火山的运动也是地核能量的一种释放，有了它，生命才在海洋底下孕育出来。

整个地球内核的冷却基本是不可逆的过程，为什么说是基本在于，地月的潮汐力在微弱的作用于地核内部。潮汐力对海洋的拉扯给其带来的能量会传递在内部的岩浆，岩浆的周期性运动也是潮汐力的体现。

这份能量可以减缓地球内核的能量散失不是那么快，不过从天体运动的整体上看，地月的潮汐力非常绵薄，起不到一种平衡的作用。对于地球的这个发现，其实我们并不用担心太多，毕竟这种冷却只是比预期快得多，也不是马上就会造成严重后果的事。

科学家对于地球内部的研究也不是最近才开始的，根据过往的记录分析显示，地球从诞生以来，整体温度也才下降了500摄氏度。这点热量散失对于地球来说根本算不上什么，只是它确实加速了这一进程。

但科学家目前还不清楚这种加速到底比过去快了多少，目前人类对于地底的研究还不及对海洋的研究。受限于科技水平，一些探测设备也无法进入地球内部，只能通过观察去推算地球的各种变化。

说完这件事之后，希望大家不会再对这个分析有着恐惧的看法，毕竟我们是看不到那一天的，未来人类也不会。至少展开一点想象力来讲，太阳在未来十亿年的变化会开始变得越来越热，这种过程会加热地球外表，可能还等不到地球的冷却，地球会在太阳膨胀化的炙烤下变成第二颗水星。

回过头来，那科学家又是怎样去推算地球内部的这种变化呢？这其中的研究主要在地震学中，地震作为地球运动的直接表现，就像一个人的精神状态一般，地震的频繁与否、震级大小、地震来源都是侧面研究地球的最佳方法。

通过地震表现，科学家们可以分析地球的动力学。要知道地球内核核心不完全是一个固体，内核和固体地幔没有一种刚性连接，所以科学家们一直认为内核的旋转速度可能要比地球稍快或者稍慢。

这种研究使地震学家在几十年的时间里总结出了内核的地震波特征的变化，并通过这项研究提出了各种关于检测这种“异常”旋转的方向。由于潮汐力对地球的自转有着减缓的影响，这也使得地球内核的运动在天体轨道中逐渐变大，周期更长，速度更慢。

另一个最主要的问题也是前面所提到的，由于科学家并不是足够清楚地球内核的具体形成方式，矿石在导热速率上的进程加快到底有多少也是其中导致的一个难题所在。

目前最常见的还是通过热力学去模拟一个地球内核的冷却过程，但受到地核-地幔边界的限制，整个模拟可以说是一种估算的成分在里面。这个边界被认为比上覆盖的地幔热出226~1526摄氏度，这里形成了一个热边界层。

该边界层被认为有类似地球表面的地形，由上覆盖地幔的固态部分对流支撑，这样的运动表现还体现在它阻止了内核的生长。科学家在对过去潮汐力和内核共振的数据中发现可它们的周期关系，大约是在2~3亿年。

这种边界可能会影响外核富含铁流体的运动方式，也是地球磁场形成的最终原因。综上所述，地核的研究整体还处于一个理论阶段，需要大量的实验数据进行支持，这次的发现将会给科学家带来新的实验支持。

地球作为我们赖以生存的家园，我们在短短百年的时间里就面临着环境破坏所带来的侵害。现在我们需要重新去认识思考，人类作为一种智慧生命，是否能够在这样一个有限的时间里去做出改变，答案却不得而知。对此，我们能做的只有去不断学习。

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