太阳的角色：探索太阳在气候变化中的作用
太阳为地球上的生命提供能量，太阳辐射是地球系统的能量来源，是气候形成和演变的根本驱动力。在千年以上的时间尺度上，到达地球的太阳辐射与地球气候有密切的关系，地球绕着太阳轨道的微小的变化导致了过去冰河期的进退。但在百年的时间尺度上，人们尚不清楚太阳活动对气候是否有明显的影响。人类所观察到的升温速度过快，不符合地球轨道变化的规律，也超出了太阳活动所能引起的范围。因此，人们对太阳对气候变化的影响仍存在争议。一些基于实证研究声称太阳对气候有重大影响，而其他一些研究（通常基于全球气候模拟）声称太阳的影响较小。
联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC) 支持后一种观点，并估计从1850-1900年至2020年，观测到的地球表面升温几乎100%是由人类排放引起的，这被称为人为全球变暖（anthropogenic global warming ，AGWT）理论。
那不勒斯费德里克二世大学（University of Naples Federico II）的尼古拉·史卡菲塔（Nicola Scafetta）教授在《地球科学前沿》（Geoscience Frontiers）上发表的一项新研究中谈到了这个重要的争论。这个难题来自两组不确定性：（一）太阳活动的历史几十年和长期变化是未知的;（二）太阳可能通过多种机制影响地球气候，其中许多机制尚未完全理解，也没有包含在全球气候模型（Global Climate Model，GCMs）中
值得注意的是，AGWT理论是基于很低的年代际（multidecadal）以及长期变化的太阳总辐照度（total solar irradiance，TSI）记录的全球气候模型的计算机模拟。该模型还假设太阳仅通过TSI等辐射强制方式影响气候系统，然而有证据表明其他太阳过程可能与太阳磁活动（太阳风、宇宙射线、星际尘埃等）相关，也会影响气候。
图 太阳风暴 源：NASA
太阳活动和气候系统都是高度复杂的体系，它们之间的关系也肯定不是简单的线性关系，因此，Scafetta教授通过TSI模型和总太阳活动（total solar activity ，TSA）共同分析太阳对气候变化的影响。
TSI是用来测量太阳向地球释放的总辐射能量。历史太阳活动的年代际和长期变化是未知的，因为TSI只能由卫星精确测量，而这些记录直到1978年才可用。然而，这些数据仍然存在争议，因为根据不同实验团队提供的记录的组合和处理，会出现不同的趋势。
长期变化的太阳活动使用多种太阳活动代理模型进行建模（例如太阳黑子记录、光斑记录、放射性核素14C 和放射性核素10Be记录等）。代理模型的不确定性导致科学文献提供了多种不同的TSI重建，无论是在长期趋势还是年代纪上都存在很大差异。
Scafetta教授结合了几个TSI代理模型，并评估了它们用于气候研究的有效辐射强迫函数，图A将它分为火山和人为两方面进行了比较。图B中所描绘的太阳有效辐射强迫函数在几个方面存在差异。
（图A）人为（蓝色）和火山（橙色）有效辐射强迫函数（ffective radiative forcing functions）。
（图B）太阳有效辐射强迫函数。来源：Geoscience Frontiers
GCMs模拟中目前使用的太阳有效辐射强迫函数（绿色）在大约200年时间内保持几乎恒定，并且从1970年到2020年逐渐减少。因此，通过使用这个TSI记录，GCMs只能得出结论，太阳几乎无法解释自工业化时期前（1850-1900年）以来以及特别是从1980年到2020年观察到的变暖现象。相反，其他三个TSI记录（红色、黄色和黑色）显示出多年振荡以及明显增长的长期趋势，这与总地表温度记录的变化密切相关。
文章还讨论了总太阳活动（TSA）变化对气候的影响建模。由于太阳相关机制的物理学尚不完全理解，目前的GCMs无法将其纳入模型。如果这些机制的影响被证明是重要的，那么当前的GCMs将不适用于模拟气候变化。
图（A）HadCRUT5全球地表温度与CMIP6-GCM集合平均值的比较。
图（B）HadCRUT5全球地表温度与使用替代太阳模型提出的气候模型的比较。
来源：Geoscience Frontiers
为了解决这个问题，假设给定的TSI记录是TSA的代理，并采用经验方法评估了TSA效应，并与GCMs采用的人为和火山有效辐射强迫函数一起评估了其最优气候指纹（optimal climate fingerprint）。图A中所描绘的GCM模拟呈递增趋势（绿色），而图B中提供的模型表明出现了围绕着递增趋势的振荡模式，更准确地再现了气候记录。
这个结果表明，约80%的太阳对气候的影响可能不仅仅是由太阳总辐照度（TSI）强制引起的，还可能由其他太阳-气候过程（例如，太阳磁场调节宇宙射线和其他粒子通量等）引起。这些替代机制必须进行深入研究并得到物理上的理解，然后才能创建可靠的全球气候模型（GCMs）来正确解释气候变化，并为未来提供可靠的气候变化预测。
参考资料：
1.XIAO Ziniu . Impact of solar activity on Earth’s climate [J]. Chinese Journal of Nature, 2021, 43(6): 408-419. https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2021.06.003.
‘Empirical assessment of the role of the sun in climate ch ange using balanced multi-proxy Solar Records’, Geoscience Frontiers, 14(6), p. 101650. doi:10.1016/j.gsf.2023.101650.
编译/王家欣 审核/YJ 编辑/Candy
王家欣,系中国生物多样性保护与绿色发展基金会（CBCGDF）国际部与北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院（BNU-HKBU UIC）全球化与发展（GAD）专业联合发起的“可持续发展人才培养计划”的学生。