陳沁怡 程 達(dá) 董樂天 張星瑜 何芝瑾 張心竹 趙聆羽 金 睿

指導(dǎo)教師：沈新榮1 楊益芳1

（1.江蘇省天一中學(xué), 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(fā)生在太陽光球?qū)樱ù髿鈱拥淖罾飳樱┥系囊环N大氣活動(dòng)，是太陽活動(dòng)的重要標(biāo)志。黑子是強(qiáng)磁場區(qū)，因溫度較低而顯得較暗，故得名。黑子很少單獨(dú)活動(dòng)，常成群出現(xiàn)。其中，發(fā)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(shí)，太陽活動(dòng)強(qiáng)烈，其發(fā)出的強(qiáng)烈電磁波進(jìn)入地球大氣層后，會(huì)干擾電離層，從而影響無線電短波通訊；其發(fā)出的高能帶電粒子還會(huì)擾亂地球磁場，產(chǎn)生“地磁暴”現(xiàn)象；此外，水旱災(zāi)害、地震等據(jù)信也與黑子等太陽活動(dòng)存在某些關(guān)聯(lián)。

2.太陽黑子觀測方法

當(dāng)前，對太陽黑子進(jìn)行觀測的方法主要有目視描圖和照相觀測兩種。隨著技術(shù)的進(jìn)步，描圖法現(xiàn)多用于科普觀測，而天文臺(tái)等科研機(jī)構(gòu)多采用照相法。

(1) 目視描圖法

本課題組（江蘇省天一中學(xué)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(yuǎn)鏡，對太陽黑子進(jìn)行了投影觀測，并進(jìn)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(tái)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(jīng)度L0。②根據(jù)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(yuǎn)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(xiàn)清晰的太陽像。④調(diào)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(diào)，使太陽黑子成像清晰，并沿記錄紙上的東西線移動(dòng)。⑥開啟望遠(yuǎn)鏡電跟并調(diào)好太陽速，使望遠(yuǎn)鏡跟蹤日面移動(dòng)。⑦描繪黑子時(shí)，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(jié)束后，仔細(xì)檢查，避免遺漏。⑨根據(jù)《太陽黑子觀測記錄表填寫指南》，將記錄紙上的其他內(nèi)容填寫完整。其中，黑子數(shù)根據(jù)相對數(shù)計(jì)算公式計(jì)算：R=k（10g+f）。R是黑子相對數(shù)，g是黑子群數(shù)，f是黑子個(gè)數(shù)，k值為儀器與人差的換算因子，暫時(shí)取1。

(2) 照相觀測法

本課題組使用直焦攝影法（將相機(jī)機(jī)身與望遠(yuǎn)鏡的目鏡端直接相連）對太陽黑子進(jìn)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(yuǎn)鏡的物鏡端加蓋巴德膜，安裝并調(diào)試好望遠(yuǎn)鏡。②將單反相機(jī)鏡頭與望遠(yuǎn)鏡的目鏡卸下，將相機(jī)機(jī)身連接在望遠(yuǎn)鏡的目鏡端，將望遠(yuǎn)鏡充當(dāng)相機(jī)的鏡頭。③根據(jù)觀測需要，取景構(gòu)圖，并設(shè)置好快門、光圈、感光度等參數(shù)。④開始曝光，進(jìn)行拍攝。⑤根據(jù)《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(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)、中國國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心等提供的黑子、氣溫、降水與地震統(tǒng)計(jì)資料，對黑子的活動(dòng)周期及其與地球氣象、地質(zhì)災(zāi)害間的相關(guān)性進(jìn)行了對比研究。

二、太陽黑子活動(dòng)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(jìn)行了分析，并繪制成圖3（見圖3）。

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

進(jìn)一步分析圖3，還能發(fā)現(xiàn)黑子除平均11年的短周期外，還可能存在一個(gè)平均約為80多年的“世紀(jì)周期”。這個(gè)周期被稱為格萊斯堡周期，它因沃爾夫?qū)じ袢R斯堡而得名。上世紀(jì)下半葉，沃爾夫?qū)赋觯?1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(huì)有一個(gè)黑子數(shù)特別高的峰年出現(xiàn)?，F(xiàn)在，人們一般把施瓦貝周期看做太陽活動(dòng)現(xiàn)象頻數(shù)的變化規(guī)律，而把格萊斯堡周期看做太陽活動(dòng)平均強(qiáng)度的變化規(guī)律。

圖3 黑子活動(dòng)周期圖

三、黑子與氣候的相關(guān)性

1.黑子與降水量的相關(guān)性

本課題組使用中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的氣象數(shù)據(jù)，就江蘇省境內(nèi)四個(gè)站點(diǎn)（徐州、贛榆、南京、東臺(tái)）的月均降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。將1951-2013年（各站點(diǎn)數(shù)據(jù)起始年度不同）四個(gè)站點(diǎn)月均降水量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為年均降水量數(shù)據(jù)，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(guān)性圖

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，黑子活動(dòng)與四個(gè)站點(diǎn)的年均降水量變化總體呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)性，即太陽活動(dòng)峰年降水量偏少，太陽活動(dòng)谷年降水量偏多。比如，1957年黑子數(shù)達(dá)190，為太陽活動(dòng)峰年，贛榆與東臺(tái)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(dòng)峰年時(shí)的黑子數(shù)達(dá)106，贛榆、東臺(tái)、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(dòng)峰年時(shí)的黑子數(shù)達(dá)111，贛榆、東臺(tái)、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(shí)位于低谷期。

一些學(xué)者認(rèn)為，太陽活動(dòng)極大時(shí)，向地球拋射出更多的太陽風(fēng)，它們會(huì)削減地球?qū)α鲗又械哪Y(jié)核數(shù)量，從而導(dǎo)致水汽難以凝結(jié)成為較大的水滴，減少降水。所以太陽活動(dòng)極大年常造成較小的年均降水量，反之，則會(huì)形成豐沛的雨水。

目前，學(xué)界對于大氣降水與太陽活動(dòng)的相關(guān)性做了大量研究，普遍認(rèn)為不同地區(qū)降水量的年際分布與太陽活動(dòng)間存在相反的相關(guān)性，即有的地區(qū)正相關(guān)，有的地區(qū)則是負(fù)相關(guān)。如竺可禎先生曾指出，長江流域的降水與太陽活動(dòng)有正相關(guān)關(guān)系，即太陽黑子（相對數(shù)R）多時(shí)，降水亦多；太陽黑子少時(shí)，降水亦少。

2.黑子與氣溫的相關(guān)性

本課題組對中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的江蘇省境內(nèi)四個(gè)站點(diǎn)（徐州、贛榆、南京、東臺(tái)）的月均溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了處理。將1951-2013年（各站點(diǎn)數(shù)據(jù)起始年度不同）四個(gè)站點(diǎn)月均溫?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為年均溫?cái)?shù)據(jù)，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(fā)現(xiàn)，1961、1978、1994、2007年前后為四站點(diǎn)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(gè)峰年。這與美國杜克大學(xué)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(rèn)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(chǎn)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(huán)中的溫度變化大約滯后2.2年。

通過進(jìn)一步觀察、分析1951年至今四個(gè)站點(diǎn)年均溫的整體變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)為波動(dòng)上升態(tài)勢，這與全球變暖的大背景相符。根據(jù)俄羅斯一個(gè)科學(xué)小組的研究，總太陽輻射照度的變化能解釋20世紀(jì)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(dǎo)作用。

當(dāng)然，氣溫及氣候的變化受緯度位置、大氣環(huán)流、下墊面性質(zhì)、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(dòng)等諸多因素的影響，太陽活動(dòng)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(gè)。目前，學(xué)界在氣候變化問題上還存在著許多不同認(rèn)識(shí)，尤其在氣候變化成因和影響上的學(xué)術(shù)爭論一直存在。

四、黑子與地震的相關(guān)性

本課題組使用中國國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心提供的中國地震臺(tái)網(wǎng)華東、青藏、華中、東北、華北、華南及天山等七個(gè)子網(wǎng)的地震數(shù)據(jù)，就其中的江蘇臺(tái)、青海臺(tái)、湖南臺(tái)、遼寧臺(tái)、河北臺(tái)、廣東臺(tái)和新疆臺(tái)等七個(gè)臺(tái)站的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。將1980-2008年（各臺(tái)站數(shù)據(jù)起始年度不同）各個(gè)臺(tái)站地震數(shù)據(jù)列入Excel表格并繪制成圖表，以下為部分臺(tái)站的地震與黑子相關(guān)性圖（見圖6、圖7）：

圖6 遼寧臺(tái)地震與黑子相關(guān)性圖

圖7 江蘇臺(tái)地震與黑子相關(guān)性圖

從圖6和圖7中可以發(fā)現(xiàn)，無論青海臺(tái)記錄的青海、甘肅等地的地震數(shù)據(jù)，或江蘇臺(tái)記錄的江蘇、山東、安徽、河南、黃海等地的地震數(shù)據(jù)，都與黑子存在較為明顯的相關(guān)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(fā)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(shí)提出的“黑子活動(dòng)最多及最少時(shí)地震同樣是多的”相符；也與1963年以來，A.Д.瑟京斯基根據(jù)1904年以來7.5級(jí)以上地震資料，采用時(shí)序迭加法指出“全球最高的地震活動(dòng)性發(fā)生在太陽黑子活動(dòng)11年周期高值年及低值年附近”的結(jié)論是相符的。

岳慶祥等學(xué)者經(jīng)過研究認(rèn)為，太陽活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，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(dǎo)致大氣位能增大而角速度變小，致使地氣系統(tǒng)重心位移并破壞地球原有的平衡，最終影響地球自轉(zhuǎn)速度而引起地球內(nèi)部應(yīng)力變化和發(fā)生斷裂。同時(shí)，磁暴隨太陽活動(dòng)增強(qiáng)而變得頻繁，地殼層感生電流加劇，造成地球內(nèi)部升溫，破壞地球內(nèi)部原有的平衡，導(dǎo)致應(yīng)力重新分配而觸發(fā)地震。

太陽活動(dòng)減弱時(shí)，磁暴活動(dòng)減少，地電流減弱導(dǎo)致地球內(nèi)部溫度降低，當(dāng)高于居里點(diǎn)溫度的巖石冷卻至低于居里溫度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自發(fā)的磁致伸縮效應(yīng)，造成巖石體積形變，巖石中產(chǎn)生的附加應(yīng)力會(huì)觸發(fā)地震。

五、反思及討論

受限于資料的時(shí)長，比如年均降水量、年均溫?cái)?shù)據(jù)為1951年至今的、七個(gè)地震臺(tái)站的地震數(shù)據(jù)為1980年至今的等，課題組無法從更大的時(shí)間尺度上去觀察和分析上述地球環(huán)境要素與太陽活動(dòng)間的相關(guān)性。

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

為進(jìn)一步研究太陽活動(dòng)的影響，課題組將使用更為科學(xué)的觀測儀器、分析方法，來對具體的要素進(jìn)行更深入的觀測與分析。課題組現(xiàn)已加入美國斯坦福大學(xué)“地球電離層突變監(jiān)測”項(xiàng)目組，目前正在天一中學(xué)校內(nèi)搭建SID監(jiān)測儀，未來將與世界各地的同行共享數(shù)據(jù)庫信息，進(jìn)行專門的太陽活動(dòng)與地球電離層突變響應(yīng)監(jiān)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(huán)境的響應(yīng)[J].沈陽教育學(xué)院學(xué)報(bào),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(dòng)、磁暴與地震的關(guān)系[J].地震地磁觀測與研究,1992,(02):53-60.