2014, Vol. 29
2. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室, 青岛 266003;
3. 南京师范大学地理科学学院, 南京 210023;
4. 中科院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008
2. Key Laboratory of Physical Oceanography, MOE, China Ocean University of China, Qingdao 266003, China;
3. College of Geography, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China;
4. State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, CAS, Nanjing 210008, China
曲维政等(2004)通过对太阳黑子磁场极性指数MI(Magnetic Index)时间序列进行了太阳温度场谱分析结果显示，南北半球中纬度平流层和对流层大气温度场普遍存在准22年变化周期.分析认为，大气温度场的准22年变化周期是太阳活动准22年磁周期所激发.刘复刚和王建(2013a)创建的行星会合指数运动学方程，找到了行星系统高度会合的有效方法，并在此基础上发现太阳绕太阳系质心的轨道运动周期平均也为准22年.通过行星会合指数(K)所指代的太阳绕太阳系质心运动轨迹图像与太阳黑子磁场极性指数图像的对比发现，太阳轨道运动周期与太阳黑子磁场极性周期一致.因为太阳轨道角动量与太阳自转角动量之间是成负相关关系(刘复刚等，2013b)，而太阳自转角速度的变化一定会影响太阳活动，也有可能与太阳磁场极性的变化有关.因此可以通过行星会合指数指代地球大气温度场的周期性变化.
1 行星会合指数与太阳黑子磁场极性指数(MI)的对比
行星会合指数所指代的太阳轨道运动周期与太阳黑子磁场极性指数(MI)变化曲线的对比，见图 1.图 1中B图的峰值和谷值分别代表太阳黑子磁场极性的“N”极和“S”极，其中A图谷值的准22年磁周期个数与B图中的谷值一一对应(图 1中B图是将行星会合指数(K)运动学方程的时间尺度乘以改正系数1.0987刘复刚和王建(2013a)得到；A图是通过曲维政等(2008)文中给出的太阳黑子磁场极性指数(MI)时间序列重新作图得到的图像).通过A图和B图的对应关系，以及B图的形态特征，可以预测太阳第24周的峰值约出现在2015年左右，通过B图第24周与第6周对应的太阳轨道运动周期的特征来看，两者的轨道运动特征相同.按系统论的观点，系统的结构决定系统的功能.因此，具有相同结构特征的太阳轨道运动形态所对应的太阳活动也应该是一样的或者是相似的，从而推断太阳活动第24周应该和第6周一样是太阳活动较弱周.
 | 图 1 行星会合指数(K)所指代的太阳绕太阳系质心运动轨迹与太阳黑子磁场极性指数变化曲线的对比 Fig. 1 Comparison between the orbital motion of Sun around the mass center of solar system as expressed by planet juncture index (K) and changes of sunspot magnetic index |
曲维政等(2004)指出：太阳活动可通过两条途径对地球天气、气候产生影响：一是通过太阳辐射的异常变化对天气、气候产生影响；二是通过激发地球整个空间的地球磁场异常而导致大气运动状态变化.两条途径都与太阳黑子磁场的变化，包括磁场强度和磁场方向的变化有关，而磁场方向则由磁极转变决定的.B 图中的谷值对应的时期为北半球太阳黑子的“S”极性磁场，也正处在行星系统相背离最大程度的极值状态，与A图太阳黑子磁场极性指数极小值的对应更为吻合(正、负数代表太阳黑子极性相反.行星会合指数K曲线与K＝3.471临界值之差的绝对值越大，代表黑子数多、磁场强).尤其是在B图中第0、4、8周和第18、22周行星会合指数K曲线所指代的太阳轨道运动的速度变化，与A图中相对应的太阳活动周里太阳黑子数的变化特征是十分吻合.这说明，太阳黑子数量和太阳磁场强弱变化与行星系统绕太阳系质心运动(或太阳绕太阳系质心运动)的运动特征相对应，同时也表明，采用行星会合指数表征太阳活动的方法是有效可行的.
太阳黑子活动周期奇数周和偶数周对应的黑子磁场极性是相反的，这方面Jose(1965)将太阳相对黑子数构建的图像，与太阳轨道角动量变率dL/dt图像进行对比时就发现两者的吻合程度比较好，如图 2中C图和D图所示.行星会合指数图像A图和B图的图形和相位完全一致.在对C图与A图、B图比对时发现一重要的对应关系，即A图所指代的太阳轨道半径的极大值和极小值状态皆对应C图中的dL/dt=0处，如图 2中的两种竖虚线与C图中纵坐标dL/dt=0的交点M、N、P、Q四点所示.这可以通过A图给出合理的解释：因为对应A图的太阳绕转半径的极大值和极小值的变化量为0.此时太阳绕转的角动量不发生变化，即dL/dt=0.由于太阳绕转角动量和太阳自转角动量之和为常量刘复刚等(2003b)，所以此时太阳自转角动量也不发生变化，即dJS/dt=0.又因为AB段是减函数，固有(dL/dt)′<0，根据求函数极大值数学方法，可知M处的角动量为极大值；同理，BC段是增函数，固有(dL/dt)′>0，从而得N处的角动量为极小值.由于太阳绕转角动量在M、N点位置不发生变化，这说明此时太阳的自转角速度不发生改变.因此，虽然这时太阳黑子数量相对较多，但表识太阳活动强度的黑子磁场变化并不是处于最强时期.图 2中C图太阳绕转角动量变化的极值状态，竖细线所指示的相位对应着太阳黑子相对数极值状态.与此同时，竖细线也对应着太阳系质心旋进和旋出太阳本体的时期(如A图K＝3.471纵坐标线与会合指数曲线的交点附近).这时对应着太阳活动的活跃期也可以给出合理的解释：因为太阳系质心旋进和旋出太阳本体时正值太阳绕转角动量和太阳自转角动量转换的时期，必然导致太阳自转角动量的绝对变化量 dJS/dt 达到极大值，从而造成太阳自转角速度的变化率达到极大值，进而导致太阳活动强度增大达到超出相对平静状态下的活跃期.
 | 图 2 行星会合指数与太阳绕转轨道角动量变率周期和太阳黑子极性指数周期性变化的比对 (a)由K方程给出的行星会合指数图像；(b)~(d)分别截取Jose(1965)给出的 太阳绕太阳系质心的轨迹；太阳轨道角动量变率(dL/dt)；太阳黑子极性指数图像. Fig. 2 Comparisons among planet juncture index (K), the change rate of the orbital angular momentum of Sun, and the variation of the sunspots polarity index periodically (a) figure is given by K index image; (b)~(d) figures were intercepted from Joes (1965), including the sun revolves around the mass center of the solar system, the orbital angular momentum variable ratio of Sun (dL/dt), and the sunspots polarity index, respectively. |
太阳轨道绕转角动量和太阳自转角动量转换所对应的相位与太阳活动(太阳黑子磁性指数(MI))相位的基本一致性，同样可对图 3反映出的黑子磁性指数曲线特征做出解释.
 | 图 3 1948-2000年太阳黑子磁性指数连续5个月滑动 平均曲线(除以150) (细线)与北半球中纬度30°～ 50° 10hPa月平均温度264个月周期分量曲线(粗) (引自曲维政等2004文中图 5) Fig. 3 Magnetic exponent curve of the sunspot (divided by150, thin line) and 10hPa monthly average temperature theoretic curve (thick line) of 264 months’ cycle from 1948 to 2000 in 30°N-50°N (after figure 5 in reference Qu Wei-zheng，2004) |
据图 3可知，太阳活动磁性指数第10磁周(1954.5-1976.5年)、11磁周(1976.6-1996.9年)、12磁周(1996.10-大约2018年)N极大值峰年都与温度准22年周期分量曲线峰年相吻合；太阳活动磁性指数第9 磁周(1933.8-1954.4年)、10磁周(1954.5-1976.5年)、11磁周(1976.6-1996.9年)S极大值谷年都与温度准22年周期分量曲线谷年相吻合，且太阳活动磁周峰年、谷年比温度曲线的峰谷略有超前的特点，这是由于磁性指数比较迅速由0达到N极大值和S极大值，而由N极大值和S极大值下降到0的速度就相对较慢.
图 3中太阳黑子磁性指数图像(细线)与横坐标交点(纵坐标值为0)为起点，即沿 给出图像最左端周期谷值算起到1个周期的 1/4周期为起点.根据对图 2的分析，这一当节点正值太阳自转角动量变化(dJS/dt)突然负向增大到相对不变的过程，因此反映在太阳活动方面，到1/4周期时段相对而言是急剧的活跃期.它可以看成太阳黑子的出现具有时段更短的不连续性.体现在图像上就是曲线的斜率急剧增大，即出现图 3中曲线陡峭的形态. 处在3/4周期时，正值太阳自转角动量变化( dJS/dt )突然正向增大，直至达到极大值.因此在太阳轨道角动量和太阳自转角动量转换的当节点时太阳活动也呈现急剧加强态势，如图 3中1968年和1990年之前对应的MI曲线比较陡峭的形态.
曲维政等(2004)对北半球和南半球中纬度30°～50°从海平面1000 hPa到平流层中部10 hPa大约25 km高空8个层次高度上的大气温度频谱特征研究，发现各个层次上大气温度都具有十分显著的与太阳磁场极性22年周期变化相一致的变化周期.这说明以22年(264个月)为周期的太阳磁场磁性变化对地球大气的影响是全球性的.
2 行星会合指数指代的气候变化
根据刘复刚,王建(2013a)给出的行星会合指数(K)运动学方程为
将行星会合指数(K)图像与气候代用指标δ14C进行比对发现，太阳活动的极端事件与行星会合指数的特征具有极大相关性，这正体现了太阳活动与气候变化间的本质联系.例如，从图 4中柱状线所显示的对应关系看，在A图中正值行星会合指数极大值中的最小者，也就是太阳活动奇数周的最弱时期(太阳黑子数量较少的时期)，
 | 图 4 太阳活动事件与行星会合指数变化的对比 (a)图乘以改正系数1.0987;(b)引自(Usoskin and Kovaltos, 2004). Fig. 4 Comparison of solar activity events and changes of planet juncture index (a) timing the correction coefficient 1.0987; (b) after reference (Usoskin and Kovaltos, 2004). |
这时正值太阳黑子磁场极性指数曲线由极小值升至极大值时期，太阳磁场南向，行星际磁场磁力线与地磁场磁力线重联，此时地磁层为开磁层，太阳风将携带大量等离子体从向阳面进入地球磁层，从而使输入的动量、能量和物质大幅度增加，与北半球对流层增温时期对应(太阳黑子磁场极性指数曲线由极大值下降至极小值时期，太阳磁场北向，与磁层顶地磁场同向，行星际磁场不会与地磁场发生重联，此时地磁层为闭磁层，这种情况下，只有少数带电粒子能够穿越磁力线进入地球磁层，与北半球对流层降温时期对应)(曲维政等，2007).它们分别与由δ14C极大值所指代的太阳活动事件相对应，如Maunder Minimun、Sprer Minimun、Wolf Minimun和Oort Minimum事件与之对应的很吻合.然而，行星会合指数(K)图像中所显示的变化规律在1200年时间跨度上是比较匀的，但其对应的太阳活动事件强度是有明显差异的，其中Maunder Minimun对应的δ14C含量最高.这说明蒙德寒冷期太阳活动应该是最弱，因此形成的太阳风则弱，宇宙空间δ14C粒子偏离程度最低，从而造成δ14C含量最高(Lowe and Walker，2010)(注：B图的纵坐标下方值大).
这是因为自然界的14C主要是由银河宇宙线中的中子轰击地球大气环境中的14N产生的，其反应为14N +n→14C+p.在大气环境中，新生成的14C不能游离存在很久，一般都与O2结合成14CO2，它与大气中的12CO2化学性质相同，混合后参与自然界的交换循环.植物通过光合作用吸收12CO2的同时也吸收14CO2形成植物组织.当太阳活动强烈时，太阳发射的粒子流增强，它们将在地球周围形成对宇宙线的屏蔽作用，使大气中生成的14C含量下降，导致它与12C的含量比值14C/12C下降.反之，当太阳活动减弱时，地球大气中的14C/12C比值增大.这样，通过测量14C放射的β射线的强度，就能得知树木年轮中的比值14C/12C，从而推知太阳活动变化规律(林元章，2000).
如果将行星会合指数图像的时间尺度放大到1万年和3万年(单位时间步长为1年)就分别得到了图 5中的(a)图和(b)图(刘复刚等, 2013c).图 5中有明显的约2300年周期(改正后为约为2527年).Charvátová(2000)研究指出，太阳绕太阳系质心运动具有2402.2年的稳定周期.并与树木年轮-珊瑚中14C含量的变化周期基本一致，这与行星会合指数呈现明显的约2500年周期和相位都存在很好的对应关系(刘复刚和王建, 2013a).这可以进一步证实约2300~2500年的哈尔斯塔长周期所反映的太阳活动韵律也是由太阳22年磁周期所引发的.此外，也不断证实存在太阳活动激发地球磁场异常变化的事实(Suess H.E.,1980;安振昌,2000;刘绍亮和李立文, 2002;贾英东等,2003;乐贵明等,2003;曹晋滨等,2003).由此推之，大气温度场千年尺度变化也应该由大气温度场22年周期性规律集合而成，因为树木年轮-珊瑚中检测出的约2500年周期变化的14C含量，其物质必须首先经过大气才能进入这些载体，因此大气这种传输媒介(大气温度场)也应该具有约2500年周期.
 | 图 5 不同时间跨度行星会合指数所指代的太阳绕转运动的周期(未经改正) Fig. 5 The cycles of the Sun’s rotation inferred from the planet juncture index for different time scales (unrevised) |
目前，对于2400(2200-2600)年长周期(Suess，1980；Damon and Linick，1986；Damon and Sonett，1991；Hood and Jirikowic，1991)的研究是基于间接的14C同位素树木年轮记录(Damon and Linick, 1986; Damon and Sonett,1991; Hood and Jirikowic, 1991; Vasiliev and Dergachev, 2002)，这说明大气中具有的Delta14C记录所反映出来的2400年周期主要是太阳活动的贡献(刘复刚等，2013a；马宗晋和高庆华, 2004).但是导致大约2400年的太阳活动的原因尚未得到解决(Charvátová, 2000).
考虑到太阳活动是对太阳自转角动量变化的响应，根据Jose(1956)得到的太阳绕太系质心绕转角动量变化率(dL/dt)具有178.76年周期.根据前面阐述的气候变化是对太阳活动的响应.行星驱动气候变化的主要过程是： 行星系统与太阳的位置关系、行星会合指数所指代的太阳轨道运动特征、太阳轨道运动周期、太阳轨道运动角动量变化、太阳自转角动量变化—太阳自转角速度变化(刘复刚和王建等,2013b)、太阳活动、大气温度场变化、气候变化.
3 结论与探讨
通过行星会合指数指代的太阳轨道运动图像特征与太阳轨道角动量变率图像和太阳黑子磁性指数图像的对比分析，解释了太阳黑子磁性指数序列的变化特征.认为太阳黑子磁性指数曲线从0值到N极和到S极斜率陡峭，是因为此阶段正值太阳轨道角动量与太阳自转角动量转换之时.在这1/4和3/4周期当节点处，这种曲线特征反映太阳黑子出现具有时段更短的不连续性，是在相对短时段内，同极性黑子数量急剧增加的反映.并建立了由行星会合指数(K)指代太阳轨道运动周期—太阳自转角速度变化—太阳黑子活动—太阳磁场和地磁场的耦合(磁重联或不重联)—影响大气温度场—影响气候变化的链条.由此认为，造成太阳黑子磁场强度的变化可归结于行星系统与太阳的位置关系.就间接意义而言，行星驱动可导致气候变化.
行星会合指数可以指代太阳活动的双世纪周期和2400年的哈尔斯塔长周期.在指代太阳活动双世纪周期时，太阳轨道运动周期会合指数峰值中的极小值的振幅是近似相等的，而指代的太阳活动事件的强度却有很大的差异，如蒙德极小期(Maunder Minimun)的强度明显比其它几次事件强.这一原因目前尚不清楚，有待进一步探讨. 行星会合指数也可能指代更长时间尺度的太阳活动，它们之间也可能通过太阳磁场与地磁场的耦合关系指代大气温度场变化规律，这一思想可能对气候环境变化机制问题的探讨具有借鉴意义.
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