1838年,法国物理学家克莱德 · 普利特(claude Pouille)发表了地球吸收的太阳光和热的首次测量结果。他使用了一种新仪器——太阳热量计——用该仪器他测量了巴黎上空的太阳光(这个新仪器可以修正因大气而减弱的太阳光)。同时,英国天文学家约翰 · 赫歇尔(John Herschel)在好望角也进行了类似的测量。
普利特获得的太阳常数值为地球表面每平方厘米每分钟可得到1.76卡的太阳能量,他认为此值足以使全球的冰层在一年里会熔化掉31米,他指出太阳输出的能量是十分巨大的。他也曾试图测量发出如此巨大光和热的太阳表面的温度。
我们现在不再怀疑太阳每平方米发出的巨大能量,这个能量足以使6艘大西洋航班日夜以其最高速度行驶。我们现在对象太阳这样的恒星有如此巨大能量并不感到奇怪,而这对19世纪维多利亚时代的天文学家来说却感到不可思议,尽管现在有关中微子问题还没有令人满意的解释,这也许需要修改关于太阳内部能量产生、混合和传递的理解。
对太阳辐射的前沿研究已逐渐转向太阳总输出的变化方面,以及太阳辐射在红外、紫外和超紫外光谱区的输出,而后两种波长段由于地球大气的强烈吸收在地面测量还是非常困难的。
现在这些研究的目的已经大大超过了普利特及其同时代人对太阳辐射的研究,人们已经用新发现的热动力学原理来研究恒星和地球大气。
1994年,公众对气象学家提出强烈要求,希望他们指出太阳的变化在改变气候和臭氧层方面实际上到底起什么作用,是否有可能指出地球最外层大气和生物圈与太阳辐射的变化相耦合。
19世纪80年代,朗利(S. Langley)和阿伯特(C. Abbot)测量了太阳辐射在红外波段的光谱分布,由于地球表面水蒸气波段对这一辐射的强烈吸收。所以,他们很想知道这一辐射的变化対地球气候的影响,结果,这一工作导致测量太阳常数微小变化的宏大工作,这一工作一直持续到1955年,它包括在北美、南美和非洲几个高山台站进行了长达32年之久的逐日测量工作。
对这些数据的分析表明,如果太阳辐射发生过任何长期变化,这个变化值也不会高于1%,由于我们还不能获得太阳大气和内部能量输出的任何信息与此相比故,因此,这还是一个有意义的结果。不幸的是,Abbot始终怀疑太阳常数的变化和地球气候有什么关系。直到20世纪70年代末,由于在空间成功进行了精确的辐射仪测量,才改变了这一不幸局面:从1978年起,人们分析了安装在雨云7号(Nimbus-7)气象卫星和太阳极大年使命卫星(SMM)上的太阳热量计每日所获得的太阳辐射值,我们才得以弄清太阳总辐射的变化;同样,从地球辐射资源卫星(ERBS)所获得的大量数据对检验太阳输出的长期变化趋势也是很有用的。
请注意在1986年太阳活动极小年期间测量的太阳常数与1980年和1991年太阳活动极大年期间测量的太阳常数相比较,结果表明,后者太阳的亮度较高,这有点出乎人们的预料:因为人们认为,在太阳活动高峰期,由于大黑子群的出现覆盖在太阳表现上会使太阳的光度减弱。
测量结果表明,在太阳活动的11年周期,太阳常数的变化幅度约0.1%,但这一数值的精确性还有一些问题,因为人们对1979年雨云7号卫星测量的太阳常数峰值还有争论。
另一个有意义的特征是测得的辐射高频信号的变化,在太阳活动周期高的活动阶段,它的变化幅度约0.2%,而在太阳活动极小期间,这个值要低一些,把这些测量的结果与太阳常数变化值相比较,就能得出太阳辐射的波动是由于持续几天的大黑子群通过日面所致。还有些高频信号的变化是由于光斑通过日面所致。这些范围广泛,有明亮磁场结构的光斑常和黑子有关(图1)。
图1 南京大学太阳塔拍的太阳照片
在太阳黑子活动极大的第21活动周和第22活动周测量的太阳亮度增亮表明,当光斑覆盖了太阳表面的大部分区域,甚至包括了黑子集聚的活动区的外缘,这时太阳的亮度会增大,1980年到1990年期间,太阳极大年卫星(SMM)上的活动空腔辐射探测器(ACRIM)测量结果表明,太阳全辐射的变化有可能是这种情况,因为这段时间获得的数据与太阳辐射模型是一致的,尤其当辐射仪器精度更高时,符合得更好。另外,仅考虑光斑的分布还是不够的,在太阳活动的11年周期内,还要考虑到在日面上不时出现的小亮点光斑,这些小亮点光斑常出现在所谓的磁网结构上,在太阳活动周,磁网的面积和强度有变化,在微波段辐射和光球之上的太阳高层大气辐射形成强烈的反差。为了使模型令人信服,还应该直接测量占整个太阳光度集中的光球层的面积和亮度,但由于在这些层次,光度计的测量是困难的、(光度的反差很小)。现在,美国国立太阳天文台发展了一种精确的太阳光度望远镜(PSPTs),计划进行这种光度测量。这一项目也是美国国家科学基金会(NSF)支持的研究太阳对地球输出项目的内容之一。
1874年以来,英国皇家格林威治天文台逐日测量日面的太阳黑子和光斑数次及其表面磁场,据此有人提出了一种经典模型来估计太阳常数的变化:在太阳活动第21周(其活动周峰值在1981年,这一活动周是1874年以来最大的一次太阳活动周),这种模型用太阳黑子、光斑和网络的分布来说明太阳全辐射,这个处理方法虽然简单,但它却能用来解释自1850年以来全球气候变暖的现象。在过去的150年,对太阳光球上的黑子、光斑数的修正,都没有影响上述辐射变化的结论。
从这种由于太阳辐射变化而引起地球气候变化的结论,我们必须牢记,在长于11年太阳活动周时期,太阳光度的变化是多样性的,其变化幅度也并不仅由光球的磁性决定,例如,对于占主导地位的太阳光球的对流热传递人们仍然不了解,如果大范围的对流团被证明是重要的,那么,从太阳对流的动力学模型的分析判断,热转移效应将会有巨大变化。毫无疑问,只有通过一系列卫星对太阳全辐射进行长期连续测量,才能得知太阳光度的长期变化。但是,我们也可以通过对太阳对流的动力学研究和对类太阳恒星的测光来得出有价值的结论。
[Eos,1994年8月16日]