3.4.1 气候变化的自然原因
3.4.1 气候变化的自然原因
3.4.1.1 太阳活动
太阳辐射与各个时间尺度上的气候变化都有密切关系。太阳活动通过影响太阳辐射而改变气候。太阳上一系列物理过程的演化，包括太阳黑子、光斑、日冕、谱斑、日珥和耀斑等总称为太阳活动。太阳黑子是描述太阳活动性的重要指标。太阳黑子是出现在太阳光球上的现象，它们在可见光下呈现比周围区域黑暗的斑点，有时用肉眼即可观察到。黑子多时太阳活动性强，黑子少时活动性弱。公元前364年，东周时齐国天文学家甘德留下了最早的太阳黑子观测记录。从公元前28年起，中国天文学家正式开始有规律地记录太阳黑子。
图3.37 2011年9月发生的太阳黑子
（http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Sunspots_1302_Sep_2011_by_NASA.jpg）
近千年气候变化的两个重要时期——中世纪暖期和小冰期与太阳活动关系密切。中世纪暖期时宇宙线强，太阳活动强；小冰期时宇宙线弱，太阳活动弱。太阳活动也可能是全新世里9次冷事件的形成原因。观测记录中，在17、18世纪太阳黑子数目很少，尤其是在1645～1715年太阳活动极其微弱，称为蒙德极小期（Maunder Minimum），印证了上述研究结果。这个时期内太阳黑子的11年周期变长，也表明太阳活动减弱。
太阳活动可能通过影响太阳常数、太阳紫外线和银河宇宙线的变化等3种途径影响地球气候（王绍武，2011）。关于第一种途径，直接观测的结果显示太阳常数11年周期的变化只有0.1%，这大约能造成0.1℃的温度变化，不足以解释观测到的气候变化，因此越来越多的学者认为这不是主要途径。第二种途径主要的依据是太阳活动11年周期中紫外线谱段的辐射强度变化激烈，最高的估计认为在11年周期内极大年和极小年可变化7%。太阳活动强时紫外辐射增加，平流层变暖，臭氧增加。平流层通过影响对流层改变地球气候。目前，对这种途径物理机制的研究还很不够。第三种途径中，伴随太阳活动的11年周期变化，银河宇宙线可变化15%，使得地球低层云量可变化1.7%，从而影响地球气候。但是，银河宇宙线影响地球气候的机制也还不成熟。
3.4.1.2 地球轨道要素
地球绕着太阳公转，接受太阳辐射的能量，孕育出了生机勃勃的万物。因此，地球公转轨道要素的变化，会导致地球接收到的太阳能发生变化，引起气候的变迁。轨道三要素的变化能很好地解释过去几百万年来大尺度的气候变迁。
地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆，现在的偏心率约0.016 7，偏心率在0.00～0.06之间变动，其周期约为96 000年。偏心率的变化意味着远日点和近日点发生变化，导致地球在一年中接受的太阳辐射发生变化。当偏心率小时，地球公转轨道接近圆形，冬、夏长度相近，接收的太阳辐射也相近；偏心率变大时，冬、夏长短不相等。当北半球冬至通过公转轨道近日点，夏至通过远日点时，北半球就会有短而温暖的冬季、长而凉爽的夏季；反之，北半球将有短而热的夏季、长而冷的冬季。
目前北半球冬季位于近日点附近，因此北半球冬半年比较短。地球在近日点获得的太阳能较远日点约大1/15，当偏心率极大时，这个差异就成为1/3。地质资料分析结果显示，偏心率有41.3万年和10万年左右的周期。
图3.38 地球轨道三要素示意图
E为地球公转轨道的偏心率，T为黄赤交角即地轴倾斜率，P为地轴指向的变化即岁差
（王绍武，2011）
地轴倾斜是产生四季的原因，现在的倾斜度为23.45°，其变化范围在21.5°～24.5°，变化周期约为4.1万年。这个变动使得南、北回归线的纬度（太阳直射到的纬度范围）和南、北极圈的纬度发生变化。当倾斜度增加时，将使高纬度地区每年接收的太阳辐射总量增加，赤道地区接收到的年太阳辐射减少。例如，当地轴倾斜增加1°时，极地年辐射量增加4.02%，而在赤道则减少0.35%。
岁差是地球的自转轴因为重力作用导致在空间中缓慢且连续的变化。地球的岁差称为分点岁差，即春分点和秋分点绕地球公转轨道的移动，大约2.1万年春分点绕地球轨道一周。春分点位置的变动引起四季开始时间的移动和近日点与远日点的变化，进而导致气候发生冷暖变化，地球近日点所在季节的变化，每70年推迟1天。如现在北半球近日点在冬季，远日点在夏季，但大约一万年前，北半球冬季处于远日点的位置，夏季接收的太阳能比现在高出8%左右，而冬季比现在低8%左右。一般认为早全新世夏季风强，就是这个原因造成的。
3.4.1.3 火山活动
火山活动也是影响气候变化的因素之一。火山喷发出的大量硫化物气溶胶和尘埃，可以到达平流层，显著地反射太阳辐射，使射入的太阳辐射减弱，从而使其下层的大气冷却，地面年平均气温下降。1961年6月菲律宾的皮纳图博（Pinatubo）火山爆发，这是20世纪最强的一次火山爆发，造成了之后2～3年全球平均0.5℃左右的降温。1815年4月，印度尼西亚坦博拉（Tambora）火山爆发，这是有历史记录的最大规模的火山爆发。爆发时火山上部的1/3被掀入空中，500km范围以内3天不见天日，造成约8万人遇难。欧美各国在1816年普遍出现“无夏之年”，据估计北半球中纬度平均气温比常年偏低1℃。
火山活动也排放一部分二氧化碳、二氧化硫等气体，但其总量尚小，对气候的增温作用也较弱。火山喷发产生的大量水汽有利于产生降水，而火山灰和二氧化硫气体使大气中凝结核增加，对降水的发生和增强起了催化作用。