Only Perception: 宇宙射線以七日魔法干預地球雲層

2009-08-05

宇宙射線以七日魔法干預地球雲層

Cosmic meddling with the clouds by seven-day magic
http://www.physorg.com/news168353215.html

August 1st, 2009

如魔法般，數十億噸的水滴在某些事件中，從大氣層中突然消失，那詳細揭露了太陽與恆星如何控制我們每日所見的雲朵。來自丹麥科技大學（DTU）國家太空研究所（NSI）的研究者追蹤了太陽爆發的後果，那幫地球擋掉一些宇宙射線 -- 這些充滿能量的粒子從爆炸的恆星大量落在我們的星球上。

"太陽進行著神奇的自然實驗，讓我們能試驗我們有關其影響氣候的構想，" Henrik Svensmark 教授說，一篇最近發表在 Geophysical Research Letters 上的報告的領導作者。當太陽爆發干擾宇宙射線時，會出現小型浮質（aerosols）的暫時性匱乏。浮質是空氣中的化學微粒，通常可成長至水蒸汽能凝結其上，從而為低層雲（low-level clouds）的液態水滴播種。由於這種匱乏，海洋上方的雲層，在七或八日的宇宙射線最小期（cosmic-ray minimum）內，失去多達本身 7% 的液態水。

"太陽、宇宙射線、浮質與液態水雲層之間的連結，顯然以全球性的規模存在，" 該報告如此斷定。這項研究，在 Torsten Bondo 與 Jacob Svensmark 的貢獻下，確認了十三年的探索，那指出宇宙射線在氣候變化中的某種關鍵角色。尤其是，那將這世界雲量（cloudiness）的顯著變化與哥本哈根的實驗室實驗連結，那證明宇宙射線如何幫助製造極為重要的浮質。

在尋找太陽爆發對雲層的顯著效應上，其他研究者已報告困難重重，而 Henrik Svensmark 明白他們的問題。"那像試圖看見隱匿於叢林中的老虎一樣，因為不管宇宙射線正在做什麼，雲朵每天都有許多變化，" 他說。成功追獵的首要任務在確定 "觸發者（tigers）" 最有可能何時現身 -- 在宇宙射線的計數中，確認最有希望的突然下降（sudden drops）情況（instances），稱之為 Forbush decreases（佛布希減少）。先前在哥本哈根的研究預測，在 3000 公尺的最低層大氣中（譯註：對流層範圍從地表到空中 6 - 20 公里），這些效應應當最顯而易見。該團隊自 1987 年以來確認 26 次 Forbush decreases（那導致低海拔宇宙射線的最大減少），並著手尋找後果。

忘記播種（seeding，催化）

一如浮質自動化網路 AERONET 的地面站所見，宇宙射線匱乏的第一種全球性衝擊是日光顏色的微妙變化。這個 DTU 團隊透過分析其在宇宙射線減少期間與之後的記錄，發現來自太陽的紫光比平常更加明亮。小型浮質的匱乏（當紫光通過空氣時那通常將之散射）是最有可能的原因。在宇宙射線最小計數出現後約五天，顏色改變最大。

為何會延遲？ Henrik Svensmark 及其團隊並沒有為此感到驚訝。因為宇宙射線的立即反應（那曾在實驗室實驗中見過），創造出太小以致於不會影響 AERONET 觀測的硫酸與水分子微簇（micro-clusters）。只有當它們花了幾天的時間增大尺寸，或因它們的缺乏而變得顯而易見時，它們才開始現身。來自 Forbush decreases 餘波的證據，誠如這個丹麥團隊所詳查的，為浮質專家帶來關於小型浮質在地球大氣中形成與毀滅的寶貴資訊。

雖然有能力在五日之後影響日光，浮質的成長仍未大到足以聚積水滴。對於雲朵的全面衝擊只有在二或三日後才會明顯。因為小型浮質的先前的減少，造成低海拔雲層的減少。小型浮質通常會形成「雲凝結核（cloud condensation nuclei，CCN）」具播種（seeding，催化）雲朵的能力。"接著，那如同田野中引人注意的裸地，農夫忘了在那播種，" Svensmark 解釋。"三組獨立的衛星觀察，全都在述說一個類似的雲層消失故事，那大約在宇宙射線的最小值一週之後。"

對於雲量的巨大影響

液態水的平均衛星資料包含海洋上方的雲層，在 2001 到 2005 年間最強的五次 Forbush decreases 中， DTU 團隊發現 7% 的減少，一如早先所提。

這可以解釋成 30 億噸的液態水從天空消失。在那裡的水仍為蒸汽形態，但不像雲滴，它不會妨礙試著暖化海洋的陽光。在五次同樣的 Forbush decreases 之後，衛星測量液態水雲層的範圍，揭露平均 4% 的減少。其他衛星則顯示海洋上方低於 3200 公尺的雲層有類似的、5% 的減少。

"太陽爆發對於地球雲量的影響相當巨大，" Henrik Svensmark 評論道。"失去百分之 4 或 5 的雲層聽起來或許不是非常多，但它會在短時間內使抵達海洋的陽光增加約每平方公尺 2 瓦特，而那相當於 20 世紀期間全部的全球暖化。"

Forbush decreases 太短命以致無法對氣候產生持續性地影響，不過在 11 年的太陽週期（solar cycle）期間，它們使這種機制戲劇化，那更頑強地（patiently）作用。當太陽變得更加活躍時，低海拔宇宙射線的減少比絕大多數 Forbush 事件中所見到的還要更大，而且失去低空雲層覆蓋的時間若夠長，足以暖化世界。根據 DTU 團隊，那解釋在太陽週期期間，暖化與冷卻的交替可在低層大氣與海洋上看見。

Danish National Space Institute、DTU 的主管 Eigil Friis-Christensen與 Svensmark 在 1996 年共同撰寫一篇宇宙射線對雲層覆蓋之影響的早期報告。在這篇最新報告的評論中他表示，"證據已累積起來，起先連結宇宙射線與低層雲，接著，透過實驗與觀測，得到涉及浮質的機制。這些前後一致的科學結果全都說明了當前用以預測未來氣候的氣候模型，缺乏該物理學的重要部份。"

※ 相關報導：

＊ Cosmic ray decreases affect atmospheric aerosols and clouds
http://www.agu.org/pubs/crossref/2009/2009GL038429.shtml