宇宙线对地球气候的影响

贾焕玉

Hyjia@home.swjtu.edu.cn( 西南交通大学现代物理研究所 ,成都 610031)

1 引言2 宇宙线及其时间变化3 宇宙线对地球气候的影响4 讨论和结论

电离层宇宙线

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子

流会对人类的现代长距离通讯产生影

响

1 引言

宇宙线也对人类的航空航天等造成危害 !

1959 年 ,Ney 首先提出了宇宙线对地球气候影响 这一问题

至今 ,观测到了许多宇宙线流强变化和大范围大气过程相关联 ,也提出了几个宇宙线影响大气过程的机制 ,但仍然是一个争论和讨论的重大问题 .

“It should be emphasized that the meteorological variable subject to largest solar-cycle modulation in the denser layersof the atmosphere (that is at pressure greater than 1 mb)is the atmospheric ionization produced by cosmic rays. Itseems, therefore, worth while to investigate the possibleeffects of the change in this variable in climatology”. (Nature, 1959, 183(4659):451)

羊八井宇宙线观测站能对这一重大问题 的解决作出贡献吗 ?

2 宇宙线及其时间变化

1912 年，载人气球升空，发现来自空间的“穿透性辐射” 宇宙射线。

CE

RN

Ph

oto

宇宙线的化学成分

• 宇宙线的核子成分– 90 ％ 质子– ～ 9 ％ He 核– ～ 1 ％ 其他重核

• 宇宙线电子： ~ 1 ％

宇宙线能谱• 宇宙线核子的能量范围： 109 eV ~ 1020 eV

• 全波电磁辐射：射电、光学、 X 、 γ 射线

All particle spectrum

Knee around 3-5 PeV

• 低能区 <30GeV 强度受太阳活动影响 , 易发生很大时间变化

• 100GeV-PeV: 简单下降幂律谱 • ~3-5 PeV: 所谓的”膝区”• 超高能区 : 下降幂律谱

宇宙线积分谱在较低能量相当平坦 , 而在很高能量以上下降很快 , 比如超高能区原初粒子强度非常低 ,<1par./km**2/yr

宇宙线来到太阳系宇宙线来到太阳系（示意）

Cosmic Ray come in the solar system

太阳活动影响能量小于 100GeV 的宇宙线能谱

银河宇宙线具有 11 年变化 , 在太阳活动高峰期流强较低 , 这是因为此间太阳风和磁场较强 , 减少了宇宙线带电粒子进入太阳系的机会

宇宙线质子积分流强在太阳活动最小期 112 srscm33.0)MeV100( J

活动最大期 112 srscm12.0)MeV100( J , 太阳质子流强可能会达到几百 112 srscm

宇宙线带电粒子进入地球环境后受地磁场的作用 , 出现地磁效应

纬度效应：高纬度的强度高， (0o, s=15GV, 50o, s=2.7GV)

东西效应 : 西边来的粒子多，强度高

Forb

ush

效应是宇宙线流强对日冕质量

抛射(C

ME

)

或太阳耀斑引起的星际扰

动的反应,

表现为宇宙线强度的一个相

对快速下降,

接着逐渐恢复的过程

与太阳活动相关的还有宇宙线流强27

天周期变

化 在太阳耀斑等这种快速和巨大的能量释放事件

后,可能会出现太阳高能粒子(S

EP

)

流强突然

增长

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

R/R

(%

)

Time (h)

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.30.0

0.2

0.4

0.6

0.8

max

=0.7445T

max=1.002

S/N=6.59

T (d)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

R/R

(%

)

Time (h)

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.30.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

max

=0.6179T

max=1.002

S/N=6.3

T (d)

羊八井宇宙线观测站观测到的宇宙线流强日变化

二期(8TeV)

二期加密(3TeV)

3 宇宙线对地球气候的影响全球变暖与宇宙线

二百年以前 ,William Herschel 观察到 : 黑子数少多与天气的冷暖相一致 ( 英国小麦的价格黑子数多时较低 , 反之则高 )

众所周知 : 小冰期 (Little Ice Age:1645-1715) 1643-1715year 黑子数目非常少 !

太阳活动与地球温度间存在着关联 !!!

Friss-Christensen & Lassen 1991 年给出了定量证据 .(Science 254(1991)698)

周期短,

太阳活动剧

烈

避免海洋巨大的热容量造成温度变化的延迟

主要陆地集中在北半球 .

期间全球气候变暖 0.6 度 , 如果假设是由温 室气体排放引起的 .

上图有两点 : 第一 ,1945-1970 年的温度下降 , 而温室气体排放稳定增加 , 无法解释 但似乎与太阳活动下降很相 符 ! 第二 , 温度和太阳活动两条曲线符合非常好 , 似乎没有为温室气体效应留下空间 !

怀疑 : 太阳的辐照在活动周内发生波动 , 从太阳能量 产生的过程 看 ,这很困难 : 核心的辐射到达表面需要 50MY,涨落在较 MY远短的时间尺度上平滑掉了

卫星观测结果也表明:

活动周内0.1%

的变化,

相对观测到的温度变化太小了.

太阳活动对银河宇宙线有很大的调制 : 到达地球的宇宙线变化 , 这可能引起地球温度的变化 ! 宇宙线的变化如何引起地球气候的变化 ? 宇宙线带给地球的能量 可以 忽略 ,需要很强的放大机 制 .)W/cm10(~ 29

1997 年 Svensmark &Friis-Christensen指出 : 地球覆盖云与宇宙线流强间存在关联 (J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 1997, 59:1225) 云

与宇宙线的关系比与太

阳电磁波谱的辐射关系更密

切

triangle: Nimbus 7diamonds: DMSPsquares:ISCCP-2C

Pudovkin&Veretenenko 观测到 :60-64N纬度范围 ,云量与 Forbush下降相关联 , 有短期下降 .(J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 75(1995)1349) 另外 :1956-1992 年 ,巴西 50 个气 象台记录的降雨量在 Forbush 下降的初期一天 下降 30%(Il Nuonvo Cimento 18C(1995)335 )

云能影响入射进来的 短波太阳辐射 , 也能影响地球辐射出 去的长波辐射 ,云变化的总的效果可以引起地球温度的变化 :云多温度低

1992 年 Kodama 等研究发现 , 大能量 SEP 事件 后 ,南极洲上空海拔20-30km处的大气温度下降了数度 (J. Geomagnism and Geoelectricty, 44(1992)361)

Forbush 下降引起了大气 循环扰动 ( 可以通过观 测涡 度面积指数VAI得到 ) 减少和降雨量降低 , 而 SEP 事件期间 VAI 和降雨量增加 .(J. Geophys. Res., 94(1989)14783 )

地球变暖是否是宇宙线流强变化引起的 ?对此也有不少学者持否定态度 (J. Atmos. Sol.-Terr. Phys.,62(2000)73) .这也说明宇宙线对大气过程的影响是一个非常复 杂和远没有搞清楚的问题 .

1996 年 Shumilov 等指出 1984 年 2月 16 日 SEP 事件 后 , 大气平流层气溶胶凝聚持续几天有相当增强 (Annals Geophys.,14(1996)1119)

宇宙线如何影响气候 ?

宇宙线可能对大气离子化学反应影响 , 影响某些温室气体如 的多少和臭氧量2NO

宇宙线对云形 成微观物理过程的影响

宇宙线 中层大气电导 云顶 空间电 荷 结冰

宇宙线和云间的可能联系过程图

像

地球气象 : 观测面处 气压 , 温度 ,云量等实时参量

羊八井宇宙线观测站

宇宙线观测数据 : 10GeV-10TeV

研究宇宙线对上述参量的影响 !

Aeff ~ 22000m2, Eth~ 3TeV , 680Hz

羊八井A

S - III

期阵列

1999

年

中国羊八井宇宙线观测站 ARGO 实验 (2003)

A ~ 5000m2, Eth~ 100GeV , ~1000Hz

中子监测器中子望远镜Rc~14GV,>2000Hz

4 讨论和结论

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-1500

-1000

-500

0

500

1000

15000.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-4

-2

0

2

4

triger ratTrig

er r

at v

aria

tion

Time (day)

Tem

pera

ture

var

iatio

n

羊八井宇宙线触发率和温度的日变

化

在 1 天中 , 宇宙线流强的变化比温度变化超前 约 0.1d,二者具有负相关 .

1998 年 1-6月

受太阳活动的影响或其它原因引起 ,宇宙线流强存在着变化 ,由宇宙线在大气中产生的电离也有同样的变化 .宇宙线引起的电离可能在大气过程中起着显著作用 ?

疑问 ing

观测显示高宇宙线流强对应着多云和冷气候 ,反之亦然 .

争论 ing

充分利用羊八井宇宙线观测站的观测数据 ,开展这方面的研究 .

期待 ing

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-4

0

4

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5