小冰期的成因：地磁层漏能效应和地磁层空洞漏能效应

                                                                   杨学祥

关键提示

       地球磁场和太阳风暴

       最强烈的太阳风暴源于太阳黑子活动的峰年期，黑子的实质是剧烈活动的呈紧密缠绕状态太阳环向磁场，像拉紧的皮筋，易被扯断，扯断之后太阳大气中的能量会释放出来，形成耀斑，向太阳系空间发射出大量高速高能粒子和带电粒子的混合体等，形成强烈的太阳风，我们习惯称它为“太阳风暴”。这些被抛射出的粒子会到达地球，但地球本身有一个强大的磁场，于是这些粒子流会撞击地球磁场和大气层，形成一个形状像一头开口的口袋一样的地球磁层。绝大部分太阳高能粒子被阻挡在地球磁层之外，仅有少数太阳高能粒子穿透地球磁层，沿着地球磁力线进入地球内部。地球磁场的磁力线从南极流向北极，在两极地区形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降，一般进入地球的两极地区，两极的高层大气，受到轰击后会发出光芒，形成极光。地球磁场实际上是对太阳风（暴）起到了一个屏蔽、抵御和保护地球的作用。

       地球磁场是地球的重要物理场之一,展布的空间很大，包围地球，像保护伞一样保护着地球上的生物免受宇宙辐射的伤害，其中就包括把绝大部分“太阳风”粒子阻挡在地球之外，成为地球的重要环境因素之一，对人类的生存和发展起着至关重要的作用。

       我们一方面要观察、研究太阳风暴本身，一方面要考虑地球磁场和大气的防护能力，两者综合起来才能把影响考虑周全。尤其是我们的磁场，因为它不但被我们关注的少，而且我们“盾”也并不让人乐观，有研究发现，我们的地球磁场正在变弱。

       科学家的近期研究表明，地球磁场正在迅速减弱。在过去的160年里，磁场强度令人吃惊地下降了10%。

       太阳风暴发生过程中来自太阳的带电粒子很容易迸入极区产生电离作用，发生极光，当然也会引起磁暴和电离层暴，在地磁场中的运动会产生强大的感应电流，其结果可能导致该地区电网变压器的铜线快速加热并被融化，电流失去控制，严重损坏该地区的电力系统、通讯线路，如果地球磁场强度减弱，捕获能力就会减弱，那么发生电离的范围就会扩大，电网等被损害的范围可能会随之加大。地磁变化应该成为我们研究这次太阳风暴影响的重要的考虑因素，加以重视。

       计算机模型的计算结果也表明，如果两个磁极的强度继续减弱，则来自太阳的粒子流便可能使高达40%的地球高纬度臭氧被破坏，每次的破坏时间将长达数月至一年之久，这也为南北极海冰融化提供了合理的解释。

     “臭氧洞漏能效应”和“地磁层漏能效应”

       到达地球的太阳辐射能大约有2%被平流层的臭氧吸收，7%被电离层吸收。当黑子活动高峰发生太阳风暴时，会大量破坏南极臭氧，随之产生“臭氧洞漏能效应”和“地磁层漏能效应”，使被臭氧层阻隔的2%太阳能由平流层进入对流层，导致南极平流层变冷对流层变暖。收缩的平流层自转变快，膨胀的对流层自转变慢，这是赤道高空风产生的一个原因。拉马德雷现象就是太平洋上空高速气流方向转换的现象，拉马德雷暖位相增强厄尔尼诺事件，拉马德雷冷位相增强拉尼娜事件，从而影响大气环流和全球气候变化。两极臭氧洞的“臭氧洞漏能效应”和“地磁层漏能效应”使太阳能量进入两极，北极和南极大陆边缘的海冰大量融化，打开南美洲德雷克海峡的海冰开关，减弱秘鲁寒流，进一步增强厄尔尼诺现象。与此同时，增高的海洋表面温度使更多氯元素从海洋进入大气，使臭氧洞进一步扩大，从而进一步影响气候、增加灾害性天气发生的几率。地球历史表明，强地磁场对应地球的寒冷气候，如第四纪冰期；弱地磁场对应高温气候，如中生代的温暖期。地磁场减弱也是全球变暖的原因之一：地磁场减弱导致更多太阳能量进入地球。

       太阳磁场除了能够调制进入大气的高能粒子流外,可以通过某种磁电耦合机制影响地球系统。太阳风磁场和地磁暴的相关性是明显的,也可以引起高层大气磁活动和环形电流的相应变化。据研究，太阳活动与旱涝灾害、厄尔尼诺事件、世界流感的发生密切相关，其发生规律有待于进一步研究。有专家认为，太阳风的高能粒子流从两极进入地球，是形成地震的能量之一，极光是其在大气中的表现。磁暴是地震学家预测地震和灾害的手段。

       种种迹象和研究表明，地球磁场是地球变化的重要因素，我们必须加强这方面的研究，把它加入到引起自然变化因素中去。近年来全球地震、干旱、洪水、高温等极端气候的出现，不能排除和地磁减弱的关联。如果在今后若干年内，这些灾害气候频率和强度有增加趋势的话，并且地表测得宇宙射线辐射剂量同步增大，则可以确认这种关联。

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-363907.html

       太阳黑子延长极小期与小冰期的对应性

从15至17世纪的200余年内，世界上强震很多，其它自然灾害也很集中，这也正是蒙德极小值期。与之对应的中国华北第六地震活动期，延续了200多年，其间发生了4次8级地震，7次7级地震，其后的平静期延续了85年，未发生任何大于6级的地震[15]。这个时期太阳活动处于极小值，人们往往把它当作小冰期气候产生的原因。实际上，单凭太阳辐射能量变化不足以解释气候的巨大波动。Eddy等人估计，气候响应与正常发生的变化相比是很小的——太阳常数的变化至多使地球表面的温度受到零点几度的扰动，问题的关键是能够激发低层大气发生变化的机制。

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-521283.html

太阳黑子活动和火山活动导致小冰期

历史学家称从1550年到1750年这一全球气温持续异常的时期为小冰期。目前学界提出了两个原因进行解释。一个是被称为蒙德极小期的太阳黑子活动导致；还有一个是菲律宾、印尼、新几内亚到日本的火山大量喷发导致（见表1-2）。

太阳黑子说认为太阳能量的释放和太阳黑子有关，较少的太阳黑子活动意味着太阳光照射强度的下降。太阳黑子的活动有周期性，这跟地球气温形成了关联。

其次则认为气温下降跟火山大爆发有关，火山将二氧化硫气体喷射到高层大气之中。二氧化硫与蒸汽形成了微小的硫酸液帝，将太阳光反射回去。1642年菲律宾大火山的爆发接着就有三年低温。

表1 太阳活动、火山喷发、强潮汐和低温期的对应关系

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-972713.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-976487.html 

图1 400年太阳黑子观测：太阳黑子超长极小期和极大期

https://www.zhihu.com/question/32111558/answer/54892864

  太阳黑子有约200年的变化周期，通常称之为延长极小期。从公元850年起，我们可以确定的太阳黑子延长极小期就有7次之多，它们分别是：

      太阳黑子超长极小期

   奥特极小期（Oort minimum）（1010-1080）

   麦蒂威密讷极小期（Medieval Minor Minimum）（1150-1200）

          沃尔夫极小期 （Wolf Minimum） （1270-1350）

          斯玻勒极小期 （Sprer Minimum）(1430–1520)

          蒙德极小期  （Maunder Minimum）（1620-1710）

          道尔顿极小期（Dalton Minimum）(1787–1843)

   道尔顿次极小期（Dalton Minimum2）(1875–1940)

图2 太阳活动周期低值与小冰期对应

       美国卫星发现地球磁场出现巨大空洞

　　2008年12月18日 09:31  大洋网-广州日报报道的新发现

　　科学家们一直在密切关注地球磁场，因为它是保护地球不受宇宙空间恶劣气候影响的重要屏障。地球磁场就跟一座通风良好的老房子一样，有时会被来自太阳的猛烈的带电粒子穿透，从而导致耀眼的极光出现，或者令卫星和地面通讯系统受到干扰。(本报综合报道)

　　本报综合报道 美国科学家16日发布报告称，近年来的卫星观测显示，保护地球的地球磁场受到了迄今为止来自太阳的最强烈能量冲击，一度出现一个空洞。这一现象是去年夏天由美国航空航天局(NASA)所发射的“西弥斯”卫星系统发现的。

　　地磁层空洞的出现必然导致太阳高能射线进入，形成地磁层空洞漏能效应。           

           综合结论

       地球接收太阳能量的大幅度变化，主要表现在太阳黑子和高能粒子的数量：太阳黑子延长极小期时期几乎没有太阳黑子，除此之外，地磁强度比现在增加10%，也就是拒收10%太阳高能粒子；反之，现在地磁强度减弱10%，进入两极的太阳高能粒子增加10%，再叠加臭氧洞漏能效应、地磁层漏能效应、地磁层空洞漏能效应，其最大特征是，变暖首先从两极冰盖融化开始，符合现今变暖现实。

       在两极，地磁层漏能漏斗长久存在，即使没发生空洞，太阳高能粒子也源源不断沿着磁力线向两极集中。这是被我们长期忽略的能量交换。

相关报道

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　　2008年12月18日 09:31  大洋网-广州日报报道的新发现

　　科学家们一直在密切关注地球磁场，因为它是保护地球不受宇宙空间恶劣气候影响的重要屏障。地球磁场就跟一座通风良好的老房子一样，有时会被来自太阳的猛烈的带电粒子穿透，从而导致耀眼的极光出现，或者令卫星和地面通讯系统受到干扰。(本报综合报道)

　　本报综合报道 美国科学家16日发布报告称，近年来的卫星观测显示，保护地球的地球磁场受到了迄今为止来自太阳的最强烈能量冲击，一度出现一个空洞。这一现象是去年夏天由美国航空航天局(NASA)所发射的“西弥斯”卫星系统发现的。

　　空洞持续一小时

　　迄今最严重撕裂

　　“西弥斯”(Themis)是由NASA研发的卫星系统，共由5颗小卫星组成。“西弥斯”的观测显示，地球磁场偶尔会出现两个裂缝，从而令太阳风穿透地球的高层大气层长驱直入。扰动太阳风对地球的影响很大，当它抵达地球时，往往引起很大的磁暴与强烈的极光，同时也产生电离层骚扰。

　　去年夏天，“西弥斯”观测发现，地球磁场出现了一个空洞——在地球磁气圈的最外缘，侵入的太阳粒子层厚达至少6400公里，这是迄今为止人类所发现的对地球的保护圈——地球磁场的最大限度的撕裂。跟踪“西弥斯”卫星系统的加州大学伯克利分校科学家马里特·奥伊罗塞特说。

　　不过，奥伊罗塞特指出，太阳粒子对地球磁场的这种入侵是暂时的，像去年观测到的现象只持续了一个小时。

http://mil.news.sina.com.cn/s/2008-12-18/0931535458.html

      2007年夏天美国卫星发现地球磁场出现巨大空洞，证实了地磁层漏能效应的真实存在。

科学家发现地球磁屏蔽有裂缝，宇宙射线直接冲进来，穿透大气层

2022-10-06 10:19:46　来源: 大道朝天 广东  

由于地球周围存在一个巨大的磁场，它能保护我们免受严酷的太阳风和宇宙辐射，使得地球适宜生命的生存。

然而，最近科学家发现地球的磁屏蔽中出现裂缝，这使银河宇宙射线直接泄漏到地球大气中层，并在北半球造成巨大的地磁暴。

位于印度的GRAPES-3介子望远镜探测到宇宙射线水平的一个尖峰，这表明地球的磁屏蔽可能已被损坏。虽然这次射线爆发是记录于2015年6月、但直到最近才刚刚发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上，这项研究首次揭示了高强度宇宙射线活动的程度。

在2015年6月22日的两个小时里，来自一团巨型快速移动等离子体的粒子穿透地球大气层。这些粒子是源自于太阳表面，它们以高达每小时250万公里的速度撞击我们地球的大气层。

这种高速撞击导致地球的磁层（又称磁气圈，这个区域包含地球磁场）从地球半径的11倍收缩至4倍。地球磁层中的带电粒子通常会偏转太阳风（带电粒子流），否则太阳风会把有害的紫外辐射带到地球表面。

在高空飞行的飞行员其癌症的发生率更高，而紫外辐射被认为是主要元凶（也是导致皮肤在阳光下晒黑的原因）。

太阳风也引发了严重的磁暴，造成无线电信号减弱，并在地球北部的许多国家引发了壮观的北极光。GRAPES-3介子望远镜的研究人员进行分析表明，在短时间内，地球的磁层开裂，使一些低能量的银河宇宙射线直接穿透大气层。

根据这项研究，宇宙射线的爆发表明“地球磁屏蔽的短暂弱化”。科学家表示，如果地球磁层出现大裂缝，那由此引发的超级磁暴可能会致使地球上的现代技术基础设施瘫痪。而这样的事件还有可能会再次发生，所以还需进一步的研究来更好地理解地球磁层。

https://www.163.com/dy/article/HIP71GFM0553BFNZ.html