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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. 1 引言. 宇宙线. 电离层. 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. 也对人类的航空航天等造成危害 !. 宇宙线. 1959 年 ,Ney 首先提出了 宇宙线对地球气候影响 这一问题.

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Presentation Transcript
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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

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1 引言

宇宙线

电离层

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

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1959年,Ney首先提出了宇宙线对地球气候影响这一问题1959年,Ney首先提出了宇宙线对地球气候影响这一问题

“It should be emphasized that the meteorological variable

subject to largest solar-cycle modulation in the denser layers

of the atmosphere (that is at pressure greater than 1 mb)

is the atmospheric ionization produced by cosmic rays. It

seems, therefore, worth while to investigate the possible

effects of the change in this variable in climatology”.

(Nature, 1959, 183(4659):451)

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.

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?

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2 宇宙线及其时间变化

宇宙线的发现

1912年,载人气球

升空,发现来自空

间的“穿透性辐射”

 宇宙射线。

CERN Photo

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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%
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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
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低能区<30GeV强度受太阳活动影响,易发生很大时间变化低能区<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

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宇宙线质子积分流强在太阳活动最小期

活动最大期

,太阳质子流强可能会达到几百

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

slide12

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

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与太阳活动相关的还有宇宙线流强27天周期变化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(SEP)流强突然增长

Forbush效应是宇宙线流强对日冕质量抛射(CME)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

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羊八井宇宙线观测站观测到的宇宙线流强日变化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)

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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!!!

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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

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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.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

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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.

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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.

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 7

diamonds: DMSP

squares:ISCCP-2C

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Pudovkin&Veretenenko观测到:60-64N纬度范围,云量与ForbushPudovkin&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 )

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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)

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)

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.

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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

云顶空间电荷

结冰

宇宙线

中层大气电导

宇宙线如何影响气候?

宇宙线对云形成微观物理过程的影响

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羊八井宇宙线观测站

地球气象: 观测面处气压,

温度,云量等实时参量

宇宙线观测数据: 10GeV-10TeV

研究宇宙线对上述参量的影响!

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羊八井AS - III 期阵列1999年

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

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中国羊八井宇宙线观测站ARGO实验(2003)

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

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中子监测器

中子望远镜

Rc~14GV,>2000Hz

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4 讨论和结论

1998年1-6月

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.

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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?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