别再甩锅给太阳了：0.1%的变化怎么可能引起1.5℃升温？

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在全球变暖的讨论中，一些声音将气候的变化归因于太阳活动。这些观点在网络、部分媒体甚至某些科学讨论中时有出现，显得颇有说服力。然而，深入探究后不难发现，太阳活动与目前的全球变暖之间并没有太大关系。

首先确定一下，太阳自身确实有一些变化规律，但是以下变化并不属于太阳自身的变化，例如在地球上看到的一天之内太阳高度角和辐照度的变化、太阳辐照度的年循环，这些和太阳有关，不过是由地球自转和公转导致的。另外日食、日环食、日偏食这些也不属于太阳自身的变化。

那太阳自身有什么变化呢，主要表现在3个尺度上。1）太阳的11年周期；2）太阳黑子的长期变化；3）太阳的超长期变亮。下面我们逐一来剖析。

太阳的11年周期变化以太阳黑子数为标志，在太阳周期的极大年，太阳黑子数量众多，覆盖面积较大；而在极小年，太阳黑子则相对较少。与之相对的，太阳总辐照度（TSI）在太阳周期的极大年最大，在极小年最小。

很多人可能会疑惑：太阳黑子区域的温度不是比其他地方低吗？那为什么太阳辐射出来的能量反而会更大呢？这是因为太阳11年周期主要是由太阳磁场扰动造成的：太阳黑子在磁环穿透太阳光球层的地方形成，但由于磁场抑制了太阳的正常对流活动，所以黑子区域比太阳表面平均温度低约1500°C，所以看起来是黑的。然而，太阳黑子是和光斑一起出现的，光斑通常是围绕太阳黑子的明亮区域。这些区域的磁场降低了光球层上方的气体密度，使得透过的光线强度更大。由于光斑的面积比黑子更大，这导致当太阳黑子数量多时，总太阳辐照度实际上比它们少时更大。

关于太阳11年周期的形成机理，目前还有不同的观点，尽管有研究认为，每隔约11年，金星、地球和木星会在太阳的同一侧排成一列，从而形成对太阳最强的引力，这样的排列方式出现的周期与太阳黑子的周期相对应(Abreu et al., 2012)。然而更可能的机理可能与太阳磁场的内动力过程有关(Yeates et al., 2008; Hazra and Nandy, 2016)，这超出了本文的讨论范围，我们暂且不讨论。

根据对太阳观测的卫星数据，例如TSIS-1(Total and spectral Solar Irradiance Sensor-1，2017年12月发射,运行至今)、SORCE（Solar Radiation and Climate Experiment，2003-2020）等卫星，在地球大气层顶部测量的太阳辐射量会随着太阳黑子的变化而波动。在太阳活动极大年，TSI的年均值可能达到约1363 W/m²，而在极小年，TSI的年均值约为 1361 W/m² 左右，差值约为2W/m²。根据最新的TSIS-1数值，2019年太阳黑子数最少，TSI数值为1361.6 W/m²，今年是太阳活动最大值时期，这个数值约为1362.5-1363 W/m²,，大家可以估算一下，这个变化幅度大概占平均值的百分比是多少。总结目前从1978年至今的观测数据，从太阳活动第21个周期到第24个周期，太阳总辐照度的变化范围约为0.1%左右。大气层顶的太阳辐射量还有个名字叫做太阳常数，以前大家把它当做常数，现在看来这个常数也有波动变化。不过变化幅度只有0.1%，数值很小，当做常数也没问题。

这个数值实在是太小了，2021年诺贝尔物理学奖获得者真锅淑郞在《Beyond Global Warming》里指出，太阳总辐射度增加2%造成的地面增温才与大气中二氧化碳加倍差不多，这在他们1975年的研究中已经进行过讨论(Wetherald and Manabe, 1975)，1984年，NASA科学家James Hansen的研究中也证实了这一点。

目前大气中二氧化碳已经增加了50%，按照上面的研究，做个简单的比较，那引起的地表增温相当于太阳辐照度增加1%，而太阳活动的11年周期变化变化才0.1%，差了一个数量级，实在是微不足道。按照现在的估计，如果气候系统中太阳辐照度变化0.1%，大概只会导致地表大气温度变化0.03°C，大家都知道2024年全球平均温度创纪录，已经比100年前高1.55℃，比较一下，实在差得太多。

另一方面，由于海洋和陆地的体量巨大，气候系统的变化在几十年甚至几个世纪内都难以达到平衡。太阳的11年周期里，即使高低值之间的变化会影响地表温度，但在气候系统还远未建立起平衡时，周期就已经发生了变化，高值已经转化为低值，或者低值已经转化为高值。所以，太阳的11年周期并不能引起气候状态异常向某个方向持续发展并形成长期趋势，所以连前面说的0.03℃的变化都很难形成。用投资大师巴菲特的理念来说就是“投资如滚雪球，重要的是找到很湿的雪和很长的山坡。”11年的太阳周期之所以无法形成明确的长期趋势，就在于“雪不够湿”，“山坡”也不够长。

还要补充一点，如果是太阳辐照度增加，或者简单来说是太阳变亮导致的全球增暖，我们应当观察到整个大气层的温度都在上升。然而，实际情况是，地球的下层大气（对流层）确实在变暖，而上层大气（平流层）却在冷却。这种“两极分化”的现象正是温室气体增加导致的气候变化的显著特征，而非太阳活动增强的结果。

第二点，关于太阳的长期变化。我们对太阳黑子已经进行了400多年的连续观测，最早的观测记录始于1610年,所以现在是太阳的第25个周期。在这400多年的观测记录里确实有一些时期太阳黑子数很小，这种被称作“太阳极小期”，目前已知的有蒙德极小期（1645年-1715年）、“道尔顿极小期”（1800年前后，以英国气象学家约翰·道尔顿(John Dalton)的名字命名），蒙德极小期持续了70年左右，道尔顿极小期持续了30年左右。道尔顿极小期之后，太阳黑子数有增加的趋势，所以很多人认为这是全球变暖的原因。

这种观点看起来比较合理，不过前面说太阳周期波动变化导致无法形成稳定的趋势，但观测数据却显示存在长达30多年的极小期，这很容易形成长期趋势，完全可以作为全球变暖的原因。不幸的是，这个看法被观测资料无情打脸。在1980年代之后，太阳辐射的长期趋势有所减弱，但地球的升温速度反而加快(Lockwood and Fröhlich, 2007; Gray et al., 2010)。这就好像在一个房间里，当阳光逐渐减弱时，室内的温度却在不断升高，显然不可能单纯由太阳辐射的变化来解释。当然了，还有我前面已经提到的，平流层降温，而对流层增温，这个温度分布也已经否定了太阳辐射增加的这个原因。

第三点，太阳存在超长期的变亮趋势。大概每10亿年亮度增加约8%，因此，早期太阳的亮度只有现在的约70%，很多人将这种“变亮”看做是全球变暖的原因，他们完全没有搞清楚时间的“尺度”。每10亿年增加8%，折合下来仅为每百万年0.008%或每世纪0.0000008%，这个数值非常非常小，不足以引起任何可以察觉的变化。按照这种变化速度，1920年到2020年间的太阳亮度增加量只能使地球表面的温度增加约0.0000016 ℃，而在此期间，地球表面温度实际上增加了1℃，很显然这不是太阳的演化造成的。

在传播“太阳活动导致气候变化”这一观点的人群中，一些人物的背景和动机值得探讨，威利·孙（Willie Soon）就是这类人物的代表之一。他曾与哈佛-史密森天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）有关联，并在多篇论文中主张太阳活动是气候变暖的主要原因。然而，他所受到的资助来源引起了广泛关注，威利·孙因为这种观点被石化集团和游说组织大加赞赏，从化石燃料利益集团获得超过125万美元。包括埃克森美孚（ExxonMobil）和科赫基金会（Koch foundations）等。

2018 年 3 月，在旧金山和奥克兰市诉化石燃料公司的审判期间，威利·孙被要求提供证词，他说到：“在过去，我曾收到来自埃克森美孚基金会、南方公司和查尔斯·G·科赫基金会的研究资助，用于开展包括太阳 - 气候联系相关的科学研究工作。”

科学界普遍认为，人类活动排放的温室气体是导致全球变暖的主要原因。尽管太阳活动对气候有一定的影响，但其在现代气候变暖中的作用微乎其微。我们不能因为太阳活动的微弱影响而忽视温室气体排放对气候的主导作用。正如一位气象学家所说：“太阳是气候的‘鼓手’，而人类排放的温室气体才是气候变暖的‘主唱’。”关注温室气体减排，才是应对全球变暖的重中之重。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：魏科 中国科学院大气物理研究所 研究员

审核：戴云伟 中国气象局 高级工程师

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司