太陽活動（Solar variation）與全球暖化（global warming）（1）─太陽黑子 (Sunspots) 與歷史紀錄

太陽活動（Solar variation）與全球暖化（global warming）（1）─太陽黑子 (Sunspots) 與歷史紀錄
美國Stony Brook University王瑜君物理學博士/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 太陽活動的紀錄裡面出現哪些變化？

2. 為什麼太陽活動最近又是爭辯的焦點？

太陽活動（Solar variation）
太陽活動是太陽發射出的太陽輻射在總量上的變化。太陽輻射有週期性的變化，主要是11年的太陽週期（或稱太陽黑子週期）（圖2），但是其中還非週期的波動。在最近的數十年中，太陽活動可經由人造衛星直接觀測到；自此之前，則必須藉由一些前期的現象來作預測。近年來，氣候變遷的問題引起氣候專家對太陽活動的注意，太陽活動對地球的影響被稱為「太陽驅動力」（solar forcing）。 到底太陽活動在地球上造成的影響對全球暖化扮演了什麼角色？主流意見認為影響不大，但是專家之間尚無定說，仍然是爭辯中的議題。

圖1：太陽結構的圖解： 1. 核心 （Core）2. 輻射層 （Radiative zone）3. 對流層（Convective zone） 4. 光球 （Photosphere）5. 色球 （Chromosphere） 6. 日冕 （Corona） 7. 黑子 （Sunspot） 8. 米粒（Granules） 9. 日珥 （Prominence） （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Sun）

圖2：過去30年來以衛星觀測的太陽活動11年週期。太陽照度（Solar irradiance）是抵達地球陽光的總量。單位是瓦/平方米（W/m2）。 （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_variation）

太陽黑子 (Sunspots) 與歷史紀錄
太陽黑子（圖3）是太陽光球上出現的暫時現象，因強烈的磁性活動抑制了對流活動，在光球表面形成溫度比較低的區域。雖然它們的溫度仍然大約有3000-4500K ，但是與周圍5,780K的物質對比之下，使它們看起像是黑點。黑子在太陽表面橫越移動時，會膨脹和收縮，直徑可以達到80,000公里，因此在地球上不用望遠鏡也可以直接看見 。

圖3：2004年6月22日在德國波昂拍攝到的太陽黑子。 （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Sunspot）

所以人類對太陽活動最早的的紀錄，就是觀測太陽黑子的變化。太陽黑子的第一次紀錄大約是在西元前800年前的中國。目前留下來最老的描繪紀錄約在西元1128年。1610年起，天文學家開始用望遠鏡紀錄黑子和它們的運動。17與18世紀之中，由於黑子的數目偏低（現在知道那是處於蒙德極小期），研究上沒有重大進展。雖然黑子的物理性質要等到20世紀才能揭曉，但是19世紀之前，已經有足夠的數值紀錄可以推斷黑子活動的週期性（圖4）。

圖4：過去400 年來太陽黑子數目的紀錄。歷史上出現2個黑子數量異常稀少（也就是太陽活動非常低）的階段，蒙德極小期（Maunder Minimum, 大約1645-1715年）和道爾頓極小期（Dalton Minimum，大約1790-1830年）。 （圖片來源： http://en.wikipedia.org/wiki/Sunspot）

從過去400年對太陽黑子的觀測紀錄中（圖4），歷史上曾出現2個黑子數量異常稀少（也就是太陽活動非常低）的階段，蒙德極小期（Maunder Minimum, 大約1645-1715年）和道爾頓極小期（Dalton Minimum，大約1790-1830年）。這2個極小期與小冰期（Little Ice Age，約1550-1850）中的最寒冷年代（約1650， 1770，和1850）吻合。 小冰期間，歐洲和北美洲，或許包括世界上大部分的地區，都處於嚴寒的冬季。全球範圍頻繁出現饑荒，這也是明朝末年饑荒連年，農民叛亂疊起的原因之一。至於黑子活動量的降低和寒冷的冬天之間是否有關聯，仍然沒有定說，還是持續爭辯中的議題。

參考資料：
1. Duffy, Santer and Wigley, “Solar variability does not explain late-20th-century warming” Physics Today, January, 2009, pp 48-49.
2. 英文維基百科： Solar variation（http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_variation#Sunspots）
3. 英文維基百科： global warming（http://en.wikipedia.org/wiki/Global_warming#Solar_variation）