2023 年太阳 - 气候研讨会摘要

介绍

从太空对太阳和地球的观测不断改变我们对太阳变化以及其他自然和人为强迫如何影响地球大气和气候的看法和理解。四十多年来（跨越四个 11 年的太阳周期，现在已经进入第五个太阳周期），我们不断观测太阳总辐照度和光谱辐照度以及全球陆地大气和地表，为太阳气候研究提供了前所未有的高质量时间序列数据，例如太阳总辐照度 (TSI) 综合记录。

太阳-气候研讨会，最初称为太阳辐射和气候实验 (SORCE) 科学团队会议，自 1999 年以来定期举行 - 在 2003 年 SORCE 启动之前。这些会议为来自太阳、地球大气、气候变化、恒星和行星社区的专家提供了一个机会，让他们展示和讨论关于太阳变化、气候影响和地球气候系统、太阳和恒星变化比较研究以及恒星对系外行星的影响的研究成果。

最新一次是该系列的第十八次，于 2023 年 10 月举行。（作为之前研讨会的示例，请参阅《地球观察家》2023 年 1 月至 2 月刊[第 35 卷，第 1 期，第 18-27 页] 中的《 2022 年太阳-气候研讨会摘要》）。2023年太阳-气候研讨会于 10 月 17 日至 20 日在亚利桑那州弗拉格斯塔夫举行，重点主题为“太阳和恒星变化及其对地球和系外行星的影响”。太阳-气候研究中心是美国宇航局戈达德太空飞行中心 (GSFC) 与科罗拉多大学 (UC) 大气与空间物理实验室 (LASP) 的合资企业，洛厄尔天文台主办此次会议。此次现场会议有 75 名参会者，其中包括 7 名国际参与者，他们来自不同的背景，涉及广泛的气候变化和太阳-恒星变化研究课题。

NASA 当前和计划中的 TSIS 任务的最新情况

当前 NASA 的太阳辐射任务是太阳总辐射和光谱辐射传感器(TSIS-1)，这标志着我们在测量太阳在不同波长范围内向地球输入的能量方面取得了重大进展。继其前辈（尤其是 SORCE）之后，TSIS-1 为可追溯至 1978 年的太阳能连续时间序列数据做出了贡献 - 见图 1。TSIS-1 上的两种仪器比之前任务中的仪器有所改进，使科学家能够研究太阳对地球臭氧层、大气环流、云层和生态系统的自然影响。这些观测对于科学地了解太阳变化对地球系统的影响至关重要。 

TSIS-1 于 2017 年 12 月发射至国际空间站 (ISS)，并部署在空间站的加速空间站实验处理 (ExPRESS) 后勤运载机 3 (ELC-3) 上。其有效载荷包括用于观察 TSI 的总辐照度监测器 (TIM) 和用于测量太阳光谱辐照度 (SSI) 的光谱辐照度监测器 (SIM) - 参见图 2中的比较。该任务于 2023 年 3 月完成了为期五年的主要科学任务。SIM 的测量范围为 200-2400 nm，可变光谱分辨率范围从近紫外 (NUV) 的约 1 nm 到近红外 (NIR) 的约 10 nm。作为地球科学高级审查流程的一部分，TSIS-1 已延长至少三年。

TSIS-2旨在作为 TSIS-1 的后续任务。该任务目前正在 LASP 和 GSFC 开发中，计划于 2025 年中期发射。TSIS-2 有效载荷与 TSIS-1 几乎相同，不同之处在于有效载荷将搭载在自由飞行的航天器上，而不是安装在国际空间站的太阳指向平台上。NASA 希望实现 TSIS-1 和 TSIS-2 之间 1-2 年的重叠。实现任务之间的这种测量重叠对于 TSI 和 SSI 的长期记录不间断的连续性和改善太阳辐照度合成至关重要。

除了当前的太阳辐射任务及其计划中的前身任务外，NASA 一直在展望未来，为不可避免的下一个太阳辐射任务制定计划。最近两个 LASP CubeSat 任务（称为 Compact SIM (CSIM) 和 Compact TIM (CTIM)）分别测试了 SIM 和 TIM 仪器的微型版本。CSIM 和 CTIM 在太空中的表现都非常好，测量结果与大型仪器高度相关，并且被视为 SSI 和 TSI 测量的连续性选项。基于 CSIM 和 CTIM 的成功，LASP 制定了一份关于 Compact-TSIS (CTSIS) 的概念研究报告，作为一系列可用于未来 TSIS-3 任务的小型卫星。

会议概述

在开幕式全体会议上，埃里克·理查德[LASP] 介绍了上一节“NASA 当前和计划中的太阳辐照任务”中介绍的 TSIS-1、TSIS-2、CSIM 和 CTIM 的信息，之后，为期四天的会议剩余部分分为五个科学会议，每个会议都有口头报告，还有一个海报会议，展示了 23 篇文章。

五个会议主题是：

会议的最后一天晚上（10 月 19 日）还举行了一场宴会，特别演讲重点关注排水系统和附近大峡谷的考古学 - 请参阅太阳气候研讨会宴会上关于大峡谷国家公园的特别演讲。

本报告的其余部分总结了每个科学部分的亮点。如需了解更多信息，读者可以参阅 2023 年太阳-气候研讨会的完整演讲，可在研讨会网站 上点击议程选项卡中的各个演讲标题找到。

第 1 节：太阳和恒星活动周期

类太阳恒星（以及太阳类似物、太阳孪生体）提供了一系列估计值，用于说明太阳的演化如何影响其太阳磁周期变化。最近的天体物理学任务（例如 NASA 的开普勒任务）增加了数千颗类太阳恒星供研究，而几十年前只有几十颗，当时人们仍对太阳是否是一颗正常的 G 型恒星存有疑问。

汤姆·艾尔斯（加州大学天体物理和空间天文学中心 (CASA)）在本次会议上发表了关于类太阳恒星的主题演讲。他指出，新的远紫外线 (FUV) 和 X 射线恒星观测已被用来澄清我们的太阳是一颗正常的 G 型矮星，与大多数其他 G 型矮星相比，其活动性较低。

特拉维斯·梅特卡夫（白矮星研究公司 (WDRC)）讨论了恒星磁场（或恒星发电机）产生物理过程建模的最新进展。他解释了恒星风的存在如何减缓恒星的自转，从而延长磁周期。他将这些预期与太阳以及开普勒观测到的数千颗类太阳恒星联系起来。

继续讨论太阳发电机的话题，Lisa Upton [太空系统研究公司 (SSRC)] 和Greg Kopp [LASP] 讨论了他们最近使用太阳表面磁通量传输模型的发现，他们可以利用该模型重建估计的 TSI 记录，以追溯到17 世纪蒙德极小期活动异常低的时期。Dan Lubin [加州大学圣地亚哥分校 (UCSD)] 描述了识别大极小恒星的努力——这些恒星在蒙德极小期表现出与太阳相似的特征。利用汉密尔顿梯级光谱仪观测，他们已经识别出大约二十几颗候选大极小恒星。

在本次会议的其他演讲和海报中，Adam Kowalski（LASP）讨论了恒星和太阳耀斑物理学，并揭示了耀斑期间产生的最高能电子比以前认为的多十倍，而Moira Jardine（苏格兰圣安德鲁斯大学）讨论了太阳和恒星上的空间天气相关主题，以及年轻太阳的日冕范围可能要大得多。三位演讲者——Debi Choudhary  （加州州立大学北岭分校）、  Garrett Zills  （奥古斯塔大学）和 Serena Criscuoli  （美国国家太阳天文台）——讨论了太阳发射线从线强度和线宽两方面的变化如何成为太阳磁活动的良好指标，因此与研究类似太阳的恒星变化有关。Andres Munoz-Jaramillo（西南研究所 (SWRI)）强调了存档大型数据集的重要性，并以哈佛数据库为例。Juan Arjona [LASP] 讨论了利用马克斯普朗克太阳系研究所的GREGOR 太阳望远镜进行的太阳磁场观测。

第二节：恒星变化对行星大气的影响

本次会议的演讲者重点讨论了恒星变化如何影响系外行星的演化和气候。通过分析 NASA开普勒任务的数据，科学家发现了许多围绕其他恒星运行的类地行星（或系外行星），这使得我们能够对太阳系中的行星和系外行星进行比较研究。

Aline Vidotto（荷兰莱顿大学）在本次会议上发表了主题演讲，讨论了恒星风对系外行星的影响。一般来说，较年轻的恒星旋转速度更快，因此恒星的变化更大。系外行星大气的演变取决于其恒星的变化，也受系外行星自身磁场的调节。Robin Ramstad（LASP）进一步阐明了行星磁场对太阳系行星大气演变的影响。

Vladimir Airapetian [GSFC] 概述了实验室测量如何模拟前生物特征（先于那些元素、分子或物质的特征，表明过去或现在的生命）在系外行星大气中如何通过来自超级耀斑恒星的高能粒子和 X 射线产生。超级耀斑是恒星上发生的非常大规模的磁爆发，其亮度可能比典型的太阳耀斑高出数千倍。虽然我们的太阳发生超级耀斑事件的概率很低（可能每 400 年发生一次），但在更活跃的恒星上经常观察到超级耀斑。

恒星耀斑和耀斑释放能量的光谱分布会对系外行星的大气层产生巨大影响。劳拉·阿马拉尔（Laura Amaral ）[亚利桑那州立大学] 介绍了超级耀斑对系外行星宜居带的影响，并解释了耀斑显著增强的 X 射线辐射将如何大大加速水从系外行星大气层中逸出。沃德·霍华德（Ward Howard ）[加州大学 CASA] 表示，当凌日事件恰好遮蔽了星黑子时，系外行星凌日也能提供有关星黑子（类似于太阳上的黑暗太阳黑子）的信息 - 见图3。沃德还解释了在多个波长下观察凌日事件（称为凌日光谱）的重要性，以了解星黑子的物理特性。Yuta Notsu [LASP] 使用 X 射线和远紫外线 (FUV) 观测比较了许多不同恒星的能量，以估计恒星磁场强度，进而可用于估计恒星极紫外 (EUV) 光谱。这些结果提供了有关恒星光谱在类太阳恒星的生命周期内如何演变以及这些光谱变化如何影响其系外行星的大气逃逸率的新信息。  

德国哥廷根大学的尼娜-伊丽莎白·内梅克 (Nina-Elisabeth Nemec ) 介绍了开普勒对系外行星的观测如何依赖于追踪它们在其主恒星盘上的凌日现象。她解释了当存在大型星斑时分析此类凌日现象所面临的一些挑战。 

第三节：气候变化百年及长期变化的证据

Venkatachalam “Ram” Ramaswamy [美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 地球物理流体动力学实验室 (GFDL)] 发表了主题演讲，讨论了过去两个世纪地球气候变化的变化。他详细解释了地球的能量预算和能量不平衡，这导致陆地和海冰减少、地表温度升高、大气和海洋温度升高以及极端天气增多。这些天气变化对不同区域有不同的影响，例如某些地区洪水增多，而不同地区干旱增多——见图4。 

Bibhuti Kumar Jha [SWRI]、Bernhard Hofer [德国马克斯普朗克太阳系研究所] 和Serena Criscuoli [国家太阳天文台] 讨论了来自Kodaikanal 太阳天文台的长期太阳测量结果，并表明色球斑块（Ca K 图像）的太阳自转速度比太阳黑子（白光图像）快 1.6%。Timothy Jull [亚利桑那大学 (UA)]、Fusa Miyake [日本名古屋大学]、Georg Fueulner [德国波茨坦气候影响研究所] 和Dan Lubin讨论了太阳影响（即太阳耀斑、太阳高能粒子）数百年来通过影响诸如大气中二氧化碳的自然分布和北大西洋涛动的波动等现象对地球气候产生的影响。  

Hisashi Hayawawa（名古屋大学）和Kalevi Mursula （芬兰奥卢大学）讨论了不断变化的太阳黑子和太阳磁场对气候的影响——重点关注蒙德极小期。Irina Panyushkina（UA）和Timothy Jull介绍了树木年轮放射性同位素信息，这些信息与气候变化趋势以及长期太阳变化趋势有关。根据 Lubin 的说法，如果今天太阳输入的减少与蒙德极小期类似，那么由于大气中温室气体 (GHG) 浓度较高，由此导致的温度下降将会减弱。

第四节：气候变化短期变化的证据

第四场会议重点讨论了太阳辐射和气候变化的短期变化。比尔·柯林斯（劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL)）首先介绍了Nimbus-7观测到的地球半球反照率不对称性，然后展示了从云层和地球辐射能量系统(CERES) 记录中观察到的一些重要差异 -如图 5所示。Lon Hood（UA）讨论了大气环流模式的变化，这可能是北极海冰融化导致北欧亚大陆海平面气压增加的结果。Alexi Lyapustin（GSFC）描述了高温如何导致北半球的野火季节延长 1-3 个月。

Jae Lee [戈达德太空飞行中心/马里兰大学巴尔的摩分校] 讨论了极地中层云 (PMC) 的出现和强度的变化，表明其对中层温度和水具有高度敏感性，并且在本太阳周期中 PMC 较少。此外，一些演讲者还讨论了自然驱动的气候变化。Luiz Millan [喷气推进实验室] 的研究发现，2022 年 1 月 Hunga-Tonga-Hunga-Ha'apai (HT-HH) 火山喷发产生的含水羽流对大气产生了变暖效应，以及火山气溶胶对地表更典型的冷却效应。在另一场演讲中，Jerry Raedar [新罕布什尔大学空间科学中心] 展示了他的研究结果，表明在发生重大太阳粒子风暴后，温度和压力下降了约 5%，但他指出全球和区域效应之间的依赖性存在差异。

第五节：第 25 个太阳周期（现在和未来）太阳变化和气候变化趋势

第 5 节重点关注第 25 个太阳周期 (SC-25) 期间的趋势，引发了关于预测的热烈讨论。看来 SC-25 太阳黑子数量最大值可能比最初 SC-25 最大值预测高出约 15%。太阳黑子观测值与此预测之间的差异可能与 SC-25 上升的时间有关。Lisa Upton在第 5 节开始时介绍了 NASA-NOAA SC-25 预测小组的原始预测和最新预测。她对太阳极地磁场以及太阳南北极磁场不同相位的评估表明，SC-25 最大值将大于预测值 - 见图6。

接下来的几位演讲者——Matt DeLand [Science Systems and Applicatons Inc. (SSAI)]、Sergey Marchenko [SSAI]、Dave Harber [LASP]、Tom Woods [LASP] 和Odele Coddington [LASP]——展示了 SC-25 期间各种 TSI 和 SSI（NUV、可见光和 NIR）变化观测。小组一致认为，SC-24 和 SC-25 最大值之间的差异可能是由于 SC-25 期间的太阳活动略高于 SC-24 最大值时 - 这是一个异常低的周期。演讲者一致认为 SC-25 最大值可能尚未达到（并且 SC-25 最大值可能尚未在 2024 年出现）。

在气候变化方面，唐·韦布尔斯（Don Wuebbles） [伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校]对气候变化科学进行了全面概述，表明：最大的影响来自人类活动，陆地变暖速度比海洋快，北极变暖速度是世界其他地区的两倍，2023年是有记录以来最热的一年，恶劣天气事件数量空前。

有几场演讲是关于太阳辐射观测的。Leah Ding [美国大学] 介绍了一种新的分析技术，利用机器学习和太阳动力学观测站 (SDO) 的太阳图像来研究辐射变化。Steve Penton [LASP] 讨论了新的 SIM 算法改进，以提高 TSIS-1 SIM 数据产品的准确性。Margit Haberreiter [瑞士达沃斯物理气象观测站 (PMOD)] 讨论了挪威 NorSat-1 微型卫星上的紧凑型轻型绝对辐射计(CLARA) 的新 TSI 观测结果。Marty Snow [南非国家航天局] 讨论了 NOAA 地球静止环境业务卫星 (GOES-R) 上可见光 (绿色滤光片) 太阳位置传感器 (SPS) 的新 TSI 代理。 （GOES-R 系列四颗卫星中的第一颗于 2016 年发射（GOES-16），随后 GOES-17 和 GOES-18 分别于 2018 年和 2022 年发射。该系列的最后一颗卫星 GOES-U 于 2024 年 6 月 25 日发射，在检查完成后将成为 GOES-19。）

Peter Pilewskie [LASP] 讨论了未来的任务，重点介绍了Libera 任务的辐射能量预算，他是该任务的首席研究员。Libera 被选为第一个地球冒险连续性任务(EVC-1)，它将记录每天有多少能量离开地球大气层，提供有关地球气候如何演变的重要信息。在罗马神话中，Libera 是谷神星的女儿。因此，这个任务名称很合适，因为 Libera 将作为后续任务，以维护 NASA 的 CERES 仪器套件数十年的观测数据记录。图 7显示了过去 20 年 CERES 气候数据记录趋势。

苏珊·布雷昂（Susan Breon ）[戈达德航天中心] 讨论了 TSIS-2 的计划和状态，汤姆·巴顿（Tom Patton）[洛杉矶太空望远镜] 讨论了 CTSIS 作为 TSIS-3 的一个选项——这两个主题都在本文前面的“美国宇航局当前和计划中的太阳辐照任务”部分中讨论过。

安吉·库克森[加州州立大学圣费尔南多天文台 (SFO)] 分享了有关 SFO 50 年历史的信息，以及如何通过分析在 SFO 进行的太阳图像观测来得出太阳辐照度变化的重要指标。

太阳气候研讨会宴会大峡谷国家公园特别演讲

在周四晚上的宴会上，来自国家公园管理局 (NPS) 的两位发言人Mark Nebel 和 Anne Millar介绍了他们对附近大峡谷的一些地质研究。Nebel 讨论了大峡谷周围的排水系统，而 Millar 则描述了在周围岩石中发现的许多不同化石。Nebel 解释了大峡谷流入科罗拉多河的排水系统是如何复杂的，以及在过去几十年中如何演变的 - 见下面的地图和照片。Millar 带来了在大峡谷发现的几个植物和昆虫化石样本与宴会参与者分享。这些化石的时间范围从 5 亿年前的光明天使组海洋时期到 2.85 亿年前的隐士组时期 - 当时大峡谷是半干旱的土地，河流流速缓慢。

结论

总共有 80 场演讲，分布在 2023 年太阳气候研讨会的 6 个会议上，内容涉及太阳类似物、系外行星、长期气候变化、短期气候变化以及太阳/气候近期趋势。与会的多学科科学家小组为另一场激动人心的会议提供了更多有关 TSIS 太阳辐照度观测的信息。太阳气候的最新成果提高了人们对太阳相对于许多其他类太阳恒星的变化、太阳对地球和其他行星的影响以及恒星变化对系外行星的类似影响的认识，并更好地描述了人为气候驱动因素（例如温室气体增加）和自然气候驱动因素（太阳和火山）。

下一届太阳-气候研讨会将于 2025 年春季举行，重点可能放在极地气候记录上，包括极地冰趋势和从冰芯样本得出的长期太阳变化。有兴趣参加 2025 年科学组织委员会的读者应联系Tom Woods 和/或Dong Wu [GSFC]。