邹城一中 天文爱好者 系列之 2012到底会发生什么_ [06]太阳系的变化(二)_-_百年历史.doc

邹城一中 天文爱好者 系列之 2012到底会发生什么06太阳系的变化(二) - 百年历史 2012到底会发生什么系列06II、太阳系的变化(二) - 百年历史前言2012年是玛雅历法中第五个太阳纪(周期)的终结，在前四个太阳纪结束时，地球都曾发生毁灭性的灾难。这是考古学上的结论，争议不少。在前面几篇文章地球的变化、太阳系的变化-星际气候、太阳的变化、银河系的变化中，我们了解到：地球在发生巨大变化，太阳系其它行星也不例外，就是太阳本身也在经历前所未有的变化。这一切是否是指向2012的征兆？这一切是否意味着世界末日的到来？唐太宗说“以古为镜，可以知兴替”；司马光说“鉴前世之兴衰，考当今之得失”；培根说“读史使人明智，数学使人周密，科学使人深刻”。本篇文章就从百年历史的科学数据中，探讨一下各种变化的趋势，也算是对前几篇文章的补充和总结，并就几个热点问题进行讨论。阅读本文之前，建议先读前几篇文章以了解相关背景知识。目录1、太阳1.1 太阳活动1.2 太阳磁场2、地球2.1 地球磁场2.2 地球气温 2.3 冰川融化2.4 地震2.5 火山2.6 龙卷风2.7 干旱与洪水2.8 自然灾害3、太阳系3.1 太阳的变化3.2 地球的变化3.3 太阳系其它行星的变化4、分析与讨论正文1、太阳1.1 太阳活动太阳活动主要是太阳风、太阳耀斑、太阳黑子、日冕物质抛射(CME)，其中耀斑和CME是目前在太阳系中最大的“爆炸”，对地球的影响也最大。一般来讲，耀斑和CME等太阳活动，基本上都与太阳黑子有关，因此通常用太阳黑子数目的多少作为太阳活动强弱的标志。黑子数的周期性变化就叫做黑子周期(Sunspot Cycle)，约11年(小周期)。1750-2010年的月均太阳黑子数(Monthly Averaged Sunspot Numbers)图(来源: NASA) 01显示了太阳活动的11年小周期(黑子周期)。黑子数最多的一次是1958年(S19)某月，超过250个，但地球未受到特别的影响。影响最大的一次是1859年(S10)9月，爆发了2个超级太阳耀斑，造成了历史上最大的磁暴卡林顿事件(Carrington Event)，使全球电报系统失控，但该月黑子数仅100个左右。可见，对地球的重大影响并不取决于黑子数，关键因素是：有无巨大太阳耀斑的发生。2007年本应是太阳活动谷(Solar minimum)的结束时间，但2008-2009年太阳活动依然处于低谷，创造了太空时代的记录：低黑子数、弱太阳风、低太阳辐射，超过2年没有明显的太阳耀斑。使得对第24个太阳周期(Cycle 24)的预测也被迫延后，太阳活动峰(Solar maximum)预计2013年到来02。1.2 太阳磁场太阳磁场遍及太阳系，因此又被称为星际磁场(Interplanetary Magnetic Field, IMF)。IMF延伸至星际空间时，呈现一个波浪状结构，这种波动被称为磁波。IMF是一个弱场，在地球附近的磁场强度在1-37 nT范围内变化，平均值约6 nT 03。太阳磁场有个逆转周期(Solar Magnetic Reversal Cycle)，也叫黑尔周期(Hale Cycle)，约22年(大周期)，逆转时太阳黑子的极性也跟着做相应反转。太阳系行星按自然的全音阶比例，从太阳的位置依次隔开的，与太阳磁波关联得非常好。1882-2008年的星际磁场强度图(来源: UC-Berkeley) 04显示了太阳磁场的周期性变化。通常认为IMF有一个4 nT的底限，IMF的磁场强度不会低于它。2000-2010年的星际磁场强度(即图中Ap)图(来源: NOAA) 05显示，2005年IMF开始下滑持续低走，到2009年12月，IMF强度竟下降到了1 nT，这是有记录以来从未曾发生过的。2010年起，IMF回升到正常水平。2、地球2.1 地球磁场地球磁场作为地球的防护罩，阻挡着来自太阳源源不断的粒子的轰击，使带电的太阳粒子(离子和电子)偏移。1900-2000年的地球磁场强度(即图中dipole moment)图(来源: BGS-英国地质调查局)06显示，整个20世纪地球磁场持续减弱。1900-2008年英国Lerwick、Eskdalemuir和Greenwich-Abinger-Hartland天文台的磁偏角变化率(the rate of change of NMP declination)曲线图(来源: BGS-英国地质调查局) 07显示，在长期变化中有几次趋势变化，特别是在1925年、1969年、1978年 和1992年。这些突然的变化被称为抽搐(jerks)或脉动(impulses)，目前原因不明，当然也无法预测。但可发现一个趋势：1970年之后，地磁抽搐发生的频率加快。1955-2000年的北磁极移动变化(average change in motion of the North Magnetic Pole)图08显示，1970年左右开始，北磁极移动速度在加快，速度由9 公里/年增加到了41公里/年。以目前的速度和方向，约在50年内就会移动到西伯利亚(Siberia)。2.2 地球气温 1850-2005年的全球平均气温(global mean temperature)图(来源：IPCC, 2007) 09显示，近几十年来的变暖速率迅速增加，这意味这全球变暖在加速。2.3 冰川融化1953-2009年北极海冰面积(Arctic Sear Ice Extent)图(来源：NSIDC-美国国家冰雪数据中心) 09显示，自从1979年后，北极冰川面积正迅速减少。1970年至今的山脉冰川融化速度图10显示，世界各地的山脉冰川融化得非常快。到2020年，非洲乞力马扎罗山顶的冰雪很可能完全消失；到2030年，北美国家冰川公园的冰川将完全消失；未来几十年，欧洲阿尔卑斯山地区将失去所有主要冰川；过去30年里，亚洲喜马拉雅山绝大多数冰川都在快速退化和变薄；1948-1990年，南美布罗吉冰川长度缩减40-50% 11。2.4 地震1997年是标准化的、校准过的地震仪普遍部署的100周年。1898年，仅有9个地震台站(seismograph stations)能够探测、定位和测量在全球任何地方的7.0级以上地震。到1931年，全世界有350个地震台站在运行，能定位和测量全球6.5级以上地震。到了20世纪50年代，地震仪系统可以定位全球所有6.0级以上地震。今天，超过4000个地震台站，在定位和测量着每年超过10,000起的5.0级以下地震。Tsapanos目录(Catalog)是最广泛的地震目录之一，“完整”的地震目录被认为是：7.0级以上的从1898年开始；6.5级以上的从1930年开始；6.0级以上的从1952年开始12。1900-1997年的全球7.0级以上地震频率(Global Earthquake Frequency)图12显示，20世纪，7.0级以上地震发生频率大致保持不变。1900-1997年7.0级以上的地震事件总计1960次，平均每年20次。在这20次中，8.0级以上地震平均每年1次，7.9-7.0级地震平均每年19次。1990-2009年的全球7.0级以上地震强度分布(Global Earthquakes with Frequency, Intensity & Compression Zones) 图13中非常直观地显示出，1997年后7.0级以上地震发生频率明显增多。1973-2007年的全球日均地震次数(Daily World Earthquake Average)图14显示，近30年来6级以上和4级以上地震发生频率均大幅增加。2007年与1973年相比，6级以上地震频率增加了1倍，达到平均约2天就发生一次的水平；4级以上地震频率几乎增加了4倍。1973-2006年的年度全球地震总数(Total Number of Earthquake Worldwide)图15显示，近30年来全球地震次数、频率增加迅速。1973-1989年，地震次数增加1倍；1973-1998年，地震次数增加4倍；1973-2005年，地震次数增加6倍。1973-2007年的年度地震能量(Annual earthquake energy)图16显示，近30年来地震释放的能量也呈快速增加趋势。2.5 火山1840-2008年的火山活动天数(Volcanic Activity Days)图17显示，火山爆发指数(VEI)在1级(相当于6.6级地震)以上的火山活动天数持续上升。2.6 龙卷风以绝对数量计算，美国的龙卷风居世界首位，平均每年超过1000次；加拿大居第二位，每年在100次左右，两国加起来占据了世界龙卷风的绝大多数18。其它经历较频繁龙卷风的地区包括北欧、西亚、孟加拉、日本、澳大利亚、新西兰、中国沿海、南非和阿根廷。1916-2009年的美国龙卷风频率(U.S. Tornado Frequency)图(来源：UNL-University of NebraskaLincoln) 19显示，1953年以来，美国龙卷风次数在迅速增加。注：美国国家龙卷风数据集是在1953年建立的，之前的数据有漏报。近期报告的龙卷风数量的增加，部分也是由于公众和媒体报告意识增强。2.7 干旱与洪水1900-2007年的世界干旱和洪水事件数量(Number of Drought & Flood Events)图(来源：EM-DAT) 20显示，虽然每年事件数量都有很大变化，但洪水和干旱事件总的趋势是越来越多，不管是次数还是频率，都增长迅猛，尤其自20世纪70年代以来。2.8 自然灾害1900-2004年的自然灾害(Natural Disaster)图(来源：EM-DAT) 21显示，20世纪70年代以来，地质灾害持续上升，水文气象灾害呈指数增长趋势。3、太阳系注：本部分数据除本文提及的之外，均引自前几篇文章，这里不再给出索引。3.1 太阳的变化1859年(S10)，爆发了两个超级太阳耀斑，引发了历史上最大的磁暴卡林顿事件(Carrington Event)，使全球电报系统失控。1972年(S20)，爆发的一个巨大的太阳耀斑，引起的磁暴使美国伊利诺斯州长途电话瘫痪。1989年(S22)，爆发的一个类似的太阳耀斑，引起的磁暴使加拿大魁北克电力传输中断，并使该省600万人民被迫在黑暗中度过了9个小时；极光诱导的电流脉冲甚至融化了美国新泽西州的变压器。2007年，本来预计会达到11年太阳活动周期的谷底，但这个周期末期延长了15个月以上。2008-2009年，太阳沉睡，创造了太空时代的记录：低黑子数、弱太阳风、低太阳辐射，超过2年没有明显的太阳耀斑。2009年，太阳磁场强度下降到了1 nT 注：通常认为不会小于4 nT，这是1845年有记录以来从未曾发生过的。2013年(S24)，NASA预测太阳活动会达第24个太阳周期高峰，爆发的太阳耀斑可能会以前所未有的程度影响地球。3.2 地球的变化1900-2000年，地球磁场持续减弱，至今，这种减弱趋势已超过250年。1904-2001年，北磁极(NMP)朝西伯利亚方向移动了惊人的1100公里。1970年之后，北磁极移动速度加快，现在的速度超过40公里/年；以目前速度和方向，预计2050年移到西伯利亚。1970年之后，英国天文台的地磁抽搐(geomagnetic Jerks)频率加快。1970-2005年，阿拉斯加的冬季平均气温上升5度，夏季平均气温上升10度，年均气温升高达7度，为全球之最。1979-2009年，北极冰川面积迅速减少，预计至2020年北极夏季的冰川将完全消失。1970年至今，世界各地山脉冰川融化很快，预计至2020年乞力马扎罗山顶的冰雪将完全消失。1900-1997年，7.0级以上地震发生频率大致保持不变。但1997-2009年，7.0级以上地震发生频率明显增多。1973年以来， 6级以上和4级以上地震发生频率均大幅增加。1973年以来，全球地震总数及频率都在迅速增加。1973年以来，地震释放的能量也呈快速增加趋势。1840-2008年，火山爆发指数(VEI)在1级(相当于6.6级地震)以上的火山活动天数持续上升。1953-2009年，美国龙卷风发生次数在迅速增加。20世纪70年代以来，洪水和干旱事件越来越多，不管是次数还是频率，都增长迅猛20世纪70年代以来，地质灾害持续上升，水文气象灾害呈指数增长趋势。3.3 太阳系其它行星的变化2008-2009年，水星的磁层和磁场迅速地改变，展现出了一个完全不同的磁层。1975-2001年，金星夜间的大气光辉增加了2500%。1975-1997年，火星迅速出现了云层和臭氧。火星在全球变暖，南极冰帽正在融化，高达50%的冰层地貌受到侵蚀。1973-1996年，木卫一电离层的高度增加了1000%，1979-1998年表面温度增加了200%；木卫三也亮了200%，而且大气密度增加了1000%；木卫二变得更亮了。木星在全球变暖，而且有了等离子环，这在1974年前是没有的。1981-1993年，土星等离子环密度增加了1000%；1980-1996年间，土星赤道云层旋转速度减少了惊人的58.2%。1986-1996年，天王星在短短10年内就出现了明亮的云，非常显著。1996-2002年，海王星近红外亮度增加了40%。1989-2002年，冥王星大气压上升了300%，冥王星也在全球变暖。4、分析与讨论20世纪70年代，似乎是个标志性时间，此后，地球在地质方面、水文气象方面均发生了巨大变化，反映了地球内部活动及大气活动在加剧。同一时期内，太阳系其它行星也在经历巨大变化，变化比地球更强烈。这一切是不是太阳造成的呢？不是。因为，1970-2010年的40年内，太阳至少经历了2个完整的小(黑子周期)和1个完整的大周期(磁场逆转周期)，周期性变化怎么能引起行星的单向变化呢？就是太阳本身也在发生前所未有的异常变化：本该2007年结束的第23个太阳活动周期延长了15个月以上。2008-2009年，太阳沉睡，创造了太空时代的记录：低黑子数、弱太阳风、低太阳辐射，超过2年没有明显的太阳耀斑。2009年，太阳磁场强度跌破了底限，达到了创纪录的最低值。一定有更深刻的变化在发生，只是目前还不清楚。是太阳系遇到了什么，还是银河系在作调整？不知道。下面就一些热点问题进行一些讨论。(1) 气候变暖是人类活动造成的吗？答：不止地球，太阳系其它行星也在全球变暖，例如：火星、木星、冥王星，因而全球变暖是一种星际气候变化(详见太阳系的变化-星际气候)。在没搞清楚星际气候变化的原因之前，就将地球变暖归因于人类活动，你觉得可信吗？另外，气候门事件就已经从侧面告诉了我们答案。(2) 2012年地球磁场会逆转吗？答：现在的北磁极移动速度约41公里/年，以目前的速度和方向，约在5