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科技

科学认知自然 迎接光明未来

2019-06-26 11:25:17 经济日报
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  上图 中国气象局开放日活动现场。

  图 在3月23日中国气象局开放日活动上,工作人员向公众介绍静止轨道微波探测仪。

  图 工作人员在开放日活动上向公众介绍针对多种气象灾害的决策辅助系统。 郭静原摄

  如果没有了太阳,地球会怎样?从此白天与黑夜没有了分界,每天醒来迎接自己的将不再是清晨的第一缕阳光……

  45亿多年以来,太阳这颗炽热的恒星一直是地球上天气、气候、生命的能量之源。而人类对太阳、地球与天气之间科学关系的研究也从未止步

  今年3月23日是第59个世界气象日,主题是“太阳、地球和天气”。为凸显太阳在人们日常生活中的重要性,世界气象日以这一主题呼吁大家关注气候变化、合理利用气候资源等,传递促进政府和社会公众深刻认识和理解自然规律、科学防范极端天气气候风险、积极适应和应对气候变化的目标和理念。

  假如没有太阳,地球会怎样

  我们生来就拥有世上最耀眼的光芒,这就是阳光。

  前不久大热的科幻电影《流浪地球》中,就是因为太阳急速老化,导致气候急剧变化,地表变为死城。人类不得不开始一场关乎命运的大逃亡:利用行星发动机推动地球偏离轨道,从而离开太阳系。

  好在现实中,太阳作为太阳系里唯一一颗能够自己发光发热的恒星,还将源源不断地为地球提供能量,令万物欣欣向荣。

  “太阳几乎是地球唯一的热量来源,地球大气99.99%的热量都来自太阳。因此,没有太阳就没有人们赖以生存的地球,也没有气候和天气过程。”中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室研究员张华说。

  具体而言,来自太阳的辐射到达大气上界之后,会通过大气的传输抵达地球表面。地球接收到能量便会向外发射长波辐射,即通常所说的地球辐射,这两者的平衡则决定了大气和地面的温度。

  “太阳给了人类生存需要的热量,也给了我们必需的水分。”张华解释称,正是由于受太阳高度角和下垫面性质的影响,造成了南北纬向的温度梯度,而不同纬度的温差和海陆温差驱动着全球大气各种尺度运动,包括大气环流运动、各种中长期天气过程、中小尺度对流过程等。像人们熟悉的台风和暴雨等极端天气过程,都是由于上述温度结构驱动的热力、动力和水分循环在一定触发机制下产生的。

  这颗敬业的宇宙级大火球,除了为地球营造了美丽丰富的生态环境,还带来了各具特色的气候体验。因受到太阳巨大的引力作用,地球除了自转外,还按照一定轨道围绕太阳转动,由此形成了昼夜变化;地轴相对于地球绕太阳公转轨道的倾斜角,则决定了从赤道到两极任何纬度获得的日照时长和日照量,从而产生四季更替与不同的气候带。

  如果没有太阳提供的光照与热量,地球会怎样?今年年初,仅一个月的阴雨寡照天气,就让我国南方地区人民叫苦不迭;1815年,坦博拉火山爆发产生的大量火山灰聚集在高空,导致大量阳光无法直射地面,全球因而遭遇了可怕的“无夏之年”……

  中国气象局风能太阳能资源中心研究员申彦波表示,从人类生存的角度来说,太阳、地球和天气,构成了人类以及地球上所有生命得以生存的三重必要条件。

  全球变暖,是太阳惹的祸吗

  根据测算,今年2月份出现了一整月太阳“无黑子”现象。太阳黑子由天文学家伽利略首次发现,它是太阳表面出现的黑斑,指代太阳表面磁场较强的区域,由于比周围环境的温度低,看起来发黑。太阳黑子的变化也用于表征太阳活动的强弱。

  那么,太阳活动的强弱对天气有什么影响吗?国家卫星气象中心空间天气室主任张效信告诉经济日报记者,目前处于太阳活动低年,经常有一两个月没有任何黑子。但在2025年左右,地球将开始走向太阳活动高年,太阳活动进入高发期。据统计,太阳活动低年常常伴随着极端天气现象,包括暴雨、强对流等,它们与太阳活动密切相关。

  “而在太阳活动高年,太阳耀斑、日冕物质抛射等现象可能同时发生,对人类造成的影响又是多种多样的。”但具体说太阳活动与极端天气存在什么样的物理关系,太阳活动跟冰河期有没有关系,张效信表示,人们已不断加强对太阳到地球对流层以上的空间天气科学的重视,正开展进一步研究。

  忙着发光发热的太阳,会是全球气候变暖的罪魁祸首吗?“其实,当地球释放的能量与吸收的能量相同时,能量收支平衡,平均气温是保持稳定的。”张华说,但从19世纪后半叶的工业时代起,全球平均气温已经上升了约1℃。目前,气候变化日趋剧烈,比地球绕太阳公转引起的气候变化更加迅速。前所未有的气候变化让生态系统和人类都难以适应。

  张华介绍,仅有约70%的太阳辐射能量能够进入大气层,最后仅剩下约46%的能量抵达地球表面,用于加热地表。地表温度升高后,会向外发出长波辐射。这部分能量又会被大气中的温室气体,比如二氧化碳、臭氧等吸收之后再传给地面,使得地面温度上升,形成温室效应。

  “但这种自然的温室效应是地球适合人类居住的主要原因。”张华说,随着工业革命不断深入,人类排放的温室气体越来越多,引发了额外的温室效应,也就造成大气和地面额外的增暖,从而导致全球气候变暖。此外,过去30年的气象卫星测量数据表明:太阳输出的能量并没有增加。这也可以证明,目前地球上发生的全球变暖不能归咎于太阳活动的变化。

  事实上,全球变暖的时间尺度是100多年,空间尺度是全球平均地表气温升高。“温室气体在大气中的寿命决定了它们所积累的浓度,像二氧化碳的寿命达100多年,即使我们现在减少排放,它的累积浓度依然在增加,全球变暖的趋势仍不能停止。”张华说。

  关注自然,气候资源该怎么用

  “春雨惊春清谷天,夏满芒夏暑相连”。中国古人通过观察太阳周年运动,于汉代确立了“二十四节气”,形成关于气候、时令、物候等变化规律的知识体系和社会实践。人们透过自然现象认知天气的规律性,并顺天应时趋利避害、安排农业生产。不同的气温、日照、雨量,对应着不同庄稼的种类和分布,实际上就是对气候资源的利用。这一做法古已有之,今更胜昔。

  “在构建人类命运共同体的愿景中,我们积极服务国家应对气候变化内政外交,在太阳能、风能等气候资源开发利用中发挥科技支撑作用,将绿色发展理念转化为自觉行动。”中国气象局局长刘雅鸣说。

  随着科学技术的发展,气候资源的概念也有了更丰富的内涵和外延,包括风能资源、太阳能资源、空中水资源,农业上利用的温度资源、光合有效辐射资源,以及气象旅游资源等。

  申彦波介绍,风力发电、太阳能发电是目前最主要的利用气候资源发电方式。我国从本世纪初逐步开展大规模风力发电和太阳能发电。2009年,我国新增风电装机容量全球第一;2015年,我国新增和累计光伏发电装机容量均为全球第一。2018年,我国风电和光伏发电占到整个电力供应的10%以上,而最初这个比例仅为1%至2%。

  对于风能、太阳能资源的开发利用,长期存在一个困扰——即这两种能源都不稳定,需要“靠天吃饭”。如今,通过多方研究,这一问题的解决办法取得了新进展。申彦波介绍,比如储能,就是把能源存储起来,形成稳定状态,在人们需要的时候提供能量。此外,我国特高压电网建设已加速推进,将可以支撑更多的波动性电力并网,推动能源的可持续发展。

  “放眼未来,随着能源成本下降和技术提高,不仅在中国,全世界的可再生能源发展都会有一个非常好的前景。”申彦波说。

编辑:昕亚
 
 

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