Javier Vinós & Andy May

“아마도 기상학의 어떤 하위 분야도 날씨와 기후에 대한 태양 변동성의 영향만큼 많은 노력을 기울인 적이 없었을 것입니다. 그리고 연구 노동을 위해 보여줄 것이 거의 없었습니다.” 헬무트 E. 란즈버그 (1982)

1.1 소개

태양은 인간 지능이 시작된 이래로 기후의 근원으로 정확하게 확인되었으며 결과적으로 많은 고대 문화에서 태양을 숭배했습니다. 큰 흑점은 태양이 수평선에 낮고 먼지나 연기에 의해 부분적으로 가려지면 맨눈으로 볼 수 있습니다. 몇몇 신화와 도상학은 흑점이 아메리카, 아프리카, 아시아의 고대 문화에 알려졌음을 시사하지만, 흑점에 대한 최초의 서면 언급은 Theophrastus의 De Signis Tespestatum c에서 나옵니다. 기원전 325년. 태양 변동성에 대한 이 최초의 기록된 기록은 이미 기후 영향과 관련이 있었습니다. Phrastus는 식물학의 아버지로 간주되며 아리스토텔레스의 학생이었습니다. 알렉산드로스 대왕의 스승인 아리스토텔레스가 반마케도니아 정서로 인해 아테네를 떠나야 했을 때 그는 아리스토텔레스의 뒤를 이어 라이케움의 수장이 되었다. 흑점 통과에 대한 오브라스토스의 언급은 과거의 일반적인 지식을 언급한 것임에 틀림없다. 왜냐하면 그가 기원전 390-310년의 그리스 최대 태양 극소기(Usoskin 2017)에 살았기 때문이며 그 당시 아무도 흑점을 볼 수 없었을 가능성은 매우 낮다. 그들의 맨눈으로. 우리에게 알려진 대부분의 육안 흑점 관측은 기원전 165년부터 기록이 발견된 중국에서 왔습니다. 실제 흑점에 대한 가장 오래된 알려진 그림은 태양 활동이 중세 최대 극대일 때인 1128년 12월까지의 원고에 있는 John of Worcester의 Chronicon ex Chronicis에서 나온 것입니다.

오로라는 태양풍과 지자기장의 상호 작용으로 인해 발생하는 대기 광 현상으로 일반적으로 지자기 극에서 10-20° 사이에서 생성됩니다. 오로라는 솔과 루나의 남매로 로마의 새벽의 여신이다. 매일 아침 그녀는 해가 뜨도록 하늘의 문을 열고 새로운 날을 알리기 위해 수레를 타고 이른 아침 하늘을 질주했습니다. 북극광이라는 이름은 1619년 갈릴레오가 북극(한대) 방향을 나타내는 대기 현상에 주어졌습니다. 오로라는 지자기 폭풍이 일시적으로 오로라 타원형을 확대할 때 중위도와 저위도에서 드물게 볼 수 있습니다. 오로라는 고대부터 관찰되었습니다. 오로라에 대한 최초의 기록은 세 개의 앗수르 점토판으로 보인다. c. 기원전 660년(Hayakawa et al. 2019). 선지자 에스겔은 또한 오로라를 기록했습니다. c. 기원전 593년 성경, 아리스토텔레스는 기원전 340년 그의 논문 Meteorologica에서 오로라에 대해 썼습니다. 그러나 오로라는 현대 과학이 도착할 때까지 태양 활동과 관련이 없었습니다. 앤더스 섭씨는 1733년 오로라가 지구 자기장과 연결되어 있다고 처음으로 제안했지만, 태양 연결은 1859년 캐링턴 사건까지 기다려야 했다. 기록된 역사상 가장 강렬하고 가장 낮은 위도에 도달한 오로라가 그 뒤를 이었습니다. 고대부터의 오로라 역사 기록은 육안으로 보는 역사 흑점 기록과 함께 과거 태양 활동을 연구하는 데 사용됩니다.

1608년 망원경의 발명은 곧 여러 차례의 흑점 망원경 관측으로 이어졌습니다. 첫 번째 기록은 1610년 Thomas Harriot에 해당하고 1611년 Johannes Fabricius에 대한 첫 번째 출판물에 해당합니다(Vázquez & Vaquero 2009). 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)와 크리스토프 샤이너(Christoph Scheiner)는 1612년에 체계적인 흑점 관측을 수행했는데, 둘 다 태양 적도에서 결코 멀지 않고 태양과 함께 자전한다는 것을 깨달았습니다. 망원경의 흑점 관측은 약 1645년에서 1715년 사이에 Maunder의 대태양극소기(GSM)를 등록하기 위해 시간에 맞춰 도착했습니다. Dalton Minimum이 GSM이 아니었기 때문에 그 이후로 다른 GSM은 발생하지 않았습니다(Usoskin 2017).

적어도 하나의 변광성은 3000년 전에 고대 이집트인들에게 알려졌습니다. 이제 기원전 1244년에서 1163년 사이의 카이로 달력이 이집트의 신 호루스와 관련된 일식 쌍성별 알골의 기간을 운이 좋은 날과 불운한 날로 기록한다는 증거가 있습니다(Jetsu & Porceddu 2015). 알골은 1669년에 현대 천문학자들에 의해 기술된 두 번째 변광성입니다. 1638년에 요하네스 홀와르다가 11개월 주기로 미라가 맥동하고 있다는 사실을 발견한 이후였습니다. 알려진 변광성의 수는 c까지 천천히 증가했습니다. 1850년, 특히 ​​1880년대 천체 사진이 도입된 이후. 2017 변광성 일반 카탈로그(버전 GCVS 5.1)에는 52,011개의 변광성에 대한 데이터가 포함되어 있습니다. 태양은 현재 1밀리 등급의 매우 작은 변화를 가진 변광성으로 간주됩니다. 태양과 같은 별의 80% 이상이 태양과 같은 변동성을 보입니다(Connolly et al. 2021).

그림 1.1. 태양 기후의 역사적인 랜드마크.

그림 1.1은 Usoskin et al. 이후 1600년 이후의 태양 활동을 보여줍니다. 2021(그림 8), Wu et al. 20세기에 대한 2018, 개방 태양 플럭스 Weber 단위. 태양-기후 효과 연구에서 몇 가지 랜드마크가 표시됩니다. 1608년에는 망원경이 발명되었습니다. 1801년 Herschel은 흑점을 기후 가설로 발전시켰습니다. 1843년 하인리히 슈바베는 태양의 주기를 발견했습니다. 1968년 Roger Bray는 2500년의 기후 주기와 관련된 2500년의 태양 활동 주기를 발견했습니다. 1974년 Colin Hines는 행성파에 의해 매개되는 태양 기후 메커니즘을 제안합니다. 1976년 John Eddy는 Maunder Minimum에 대한 획기적인 기사를 작성했습니다. 1986년 Karin Labitzke는 겨울 동안 극지방 대기에서 태양-기후 고체 효과를 최초로 발견했습니다. 1996년에 Joanna Haigh는 “하향식” 태양 기후 메커니즘을 제안했습니다. 2022년에 우리는 “Winter Gatekeeper” 태양-기후 메커니즘 가설을 제안합니다.

1.2 William Herschel, Heinrich Schwabe, 그리고 초기 태양 기후 광란

망원경의 출현과 흑점에 대한 관심과 함께 테오프라스투스가 기원전 325년에 제안한 것처럼 흑점 수의 변화와 날씨의 변화가 관련이 있다는 추측이 생겨났습니다. 이탈리아 예수회 천문학자 Giambattista Riccioli와 멕시코 천문학자 José Antonio Alzate는 각각 1651년과 1784년에 같은 제안을 했습니다.

음악가, 작곡가, 수학자, 천문학자이자 당대 최고의 망원경 제작자인 천왕성과 적외선의 발견자인 William Herschel은 태양이 변광성이며 흑점이 기후에 영향을 미치는 태양 활동의 변화를 반영한다고 제안한 최초의 사람이었습니다. . 1801년 왕립 학회에서 발표된 기사에서 그는 다음과 같이 말했습니다.

“나는 이제 … [abundant sunspots], 열이 많이 방출되어 온화한 계절이 될 것으로 예상할 수 있습니다. 그리고 그 반대로, …의 부재는 … [sunspots]여분의 열 방출을 나타내며 혹독한 계절을 예상할 수 있습니다.”

(허셜 1801)

Herschel이 이전의 모든 관찰자들과 20세기까지 그를 따랐던 거의 모든 사람들과 달리 더 많은 흑점을 더 높은 태양 방출과 정확하게 연관시킨 최초의 사람이라는 점은 흥미롭습니다. 그런 다음 그는 애덤 스미스의 국부론에서 얻은 1650년 이후 밀 가격을 초기 흑점 수와 연관시켜 상응하는 것을 찾았습니다. Herschel이 제안한 서신은 정확하지 않을 수 있습니다. 그는 자신이 상품의 가격도 수요에 의해 규제되기 때문에 기준이 실제가 아닐 수도 있지만 온도 기록이 없기 때문에 다른 방법이 없다고 경고했습니다. 그림 1.2는 예상대로 곡물 생산이 더 나은 선택임을 보여줍니다. 1317년 기근과 1346년 흑사병으로 인한 유럽 인구의 3분의 1이 사망한 흑사병으로 인한 수요 감소로 인해 c. 1400-1500.

Herschel의 태양 기후 제안은 조롱을 받았습니다. Brougham 경은 이를 “거대한 불합리”라고 비웃으며 계속해서 “Gulliver의 Laputa 항해가 출판된 이후로 세상에 그렇게 터무니없는 것은 제공되지 않았습니다”(Edinburgh Review 1803)라고 말했습니다.

그림 1.2. 소빙하기 기후 변화가 유럽의 인간 사회에 미치는 영향.

그림 1.2는 다음과 같다: a) Wolf, Spörer, Maunder, Dalton 태양 극소기를 보여주는 태양 활동 재구성. Wu et al. (2018). 2차 회귀(가는 선)는 태양 활동의 장기적인 변화를 따릅니다. 그림 b)는 프랑스(실선), 영국(점선) 및 독일(점선)의 100kg당 네덜란드 길더(역전)의 밀 가격을 보여줍니다. 어린 양 (1995) 이후. 플롯 c)는 연간 데이터(가는 선) 및 장기 추세(굵은 선)와 함께 영국의 에이커당 곡물 순 수확량의 세 가지 주요 작물을 보여줍니다. Campbell & Ó Grada (2011) 이후. 플롯 d)는 북반구 인구 증가를 백분율로 보여줍니다. Zhang et al. (2011). 하단의 상자는 역사가들이 14세기와 17세기 위기로 간주한 기간을 나타냅니다. 수직 막대(ACE, 급격한 기후 사건)는 기후 악화 기간입니다. 그림 1.2는 Vinós(2022) 이후이다.

Herschel의 상세한 태양 관측은 11년의 태양 주기를 드러냈을 것입니다. 단, 달튼 극소기 기간에 발생한 것입니다. 그 발견은 당시 많은 천문학자들이 제안한 Vulcan이라고 불리는 수성 궤도 내부의 가상 행성을 찾고 있던 Heinrich Schwabe를 기다려야 했습니다. 17년 동안(단 1.5주기!) 그는 흑점 사이에서 벌컨의 통과를 구별하기 위해 상세한 태양 관측을 수행했습니다. 그는 매년 태양 관측을 발표했으며 1843년에 다음과 같이 보고했습니다.

“이 저널에 매년 보고한 나의 초기 관찰에 따르면 흑점의 출현에는 일정한 주기성이 있는 것으로 보이며 이 이론은 올해 결과에서 점점 더 가능성이 높아 보입니다. … 그룹의 수와 반점이 보이지 않는 날의 수를 비교하면 흑점이 약 10년의 기간을 가지며 이 기간의 5년 동안 흑점이 너무 자주 나타나 그 기간 동안 흑점이 있음을 알 수 있습니다. 반점이 전혀 보이지 않는 날은 거의 또는 전혀 없습니다.”

(슈바베 1843)

Schwabe의 아이디어는 Alexander von Humboldt의 1851년 기념비적인 작품인 Kosmos에 그의 흑점 데이터가 포함될 때까지 거의 관심을 끌지 못했습니다. 그런 다음 베른 천문대 책임자인 루돌프 볼프를 포함한 4명의 천문학자들은 지자기장의 작은 일일 변동의 주기적인 변화가 슈바베가 기술한 흑점 주기와 일치한다는 사실을 발견했습니다. 그런 다음 Rudolf Wolf는 흑점 기록을 생성하는 태양 변화에 대한 체계적인 연구를 시작했습니다. 하인리히 슈바베(Heinrich Schwabe)는 벌컨(스타 트렉에 따르면 40 Eridani 삼중성계에 있음)을 찾지 못했음에도 불구하고 1857년 왕립 천문 학회의 금메달을 수상했습니다.

태양 주기의 발견은 모든 기상 기록에서 11년 주기를 찾으려는 열광적인 계기가 되었습니다. 1860년대에는 태양과 기후의 관계에 관한 단 세 편의 기사만 출판되었습니다. 그 다음 10년 동안 그들은 100개가 넘었고(Hoyt & Schatten 1997), 그 다음 수십 년 동안 그들은 계속해서 증가했습니다. 1958년에 미국 기상 학회(American Meteorological Society)는 참고 문헌에 태양-날씨 관계에 관한 1278개의 기사를 나열했습니다. 1870년과 1920년 사이의 대부분의 태양 기후 연구는 좋은 상관 관계를 찾을 수 있는 대부분의 지역에서 흑점과 온도 사이에 음의 상관 관계가 있다는 데 동의했습니다.

이 시기부터 Wladimir Köppen의 연구가 두드러집니다. 쾨펜은 여전히 ​​사용 중인 기후 분류 시스템을 확립하고 여러 과학 분야에 상당한 기여를 했습니다. 그는 당대 최고의 기후 과학자 중 한 사람이었고 그의 사위 Alfred Wegener와 함께 Milankovitch 이론에 결정적인 지원을 제공했습니다. Köppen의 태양 기후 연구는 엄격했습니다. 11년 동안의 기온에 관한 그의 1873년 기사는 그 당시 가장 포괄적이었습니다. 그는 1914년에 이 기사를 업데이트했습니다. 그는 태양이 실제로 많은 지역뿐만 아니라 반구 및 전 지구적 규모에서 지구 표면 온도의 주기성을 유발한다고 결론지었습니다. 그 당시에는 CO2 수준의 작은 변화가 Köppen이 감지한 기후 변화의 원인이 될 수 없었습니다.

세기의 전환기에는 11년 및 22년 태양 주기가 대부분의 지역, 심지어 반구형 및 전 지구적으로 표면 온도와 음의 상관 관계가 있다는 데 의심의 여지가 없었으며, 저위도 및 고위도 및 중위도에서 음수. 1903년 Nordmann은 다음과 같이 말했습니다.

“지구 평균 온도는 태양의 반점과 상당히 같은 기간을 나타냅니다. 반점의 효과는 평균 지구 온도를 감소시키는 것입니다. 즉, 이것의 변화를 나타내는 곡선은 태양 반점 빈도의 역 곡선과 평행합니다.”

(Hoyt & Schatten 1997).

1.3 태양 상수와 하위 필드 불신

지구에 도달하는 태양 에너지의 양 또는 총 일사량(TSI)은 1837년 Claude Poillet의 일조계 발명과 함께 측정되기 시작했습니다. 초기 계측기 및 초기 측정에서 적절한 표준화 부족. 이러한 단점에도 불구하고 당시 천체 물리학자들은 TSI의 변화가 매우 작다는 사실을 알아차리고 태양 상수라는 개념을 탄생시켰습니다. 1878년에 사무엘 랭글리는 볼로미터를 발명했고 1890년에는 스미소니언 천체 물리학 천문대의 소장이 되었습니다. 1906년에 그를 계승한 Charles Abbot의 도움으로 그들은 미국과 칠레의 산봉우리에 위치한 관측소를 사용하여 태양 상수 변동을 결정하는 프로그램을 설정했습니다. 1923년부터 1954년까지의 데이터는 31년 기간 동안 0.02-0.25%의 태양 주기와 0.2%의 논란의 여지가 있는 증가와 관련된 작은 변화를 보여주었습니다. Charles Abbot은 태양-기후 연결을 확신했으며 프로그램이 끝난 후 현재 이름이 Solar Energy Journal이라는 첫 번째 호에 다음과 같이 썼습니다. 따라서 날씨 변화는 태양 변화에 의해 생성될 가능성이 있습니다.” 그런 다음 그는 자신의 논문(Abbot 1957)의 증거로서 1854년부터 1939년까지의 실제 날씨 데이터와 St. Louis와 Peoria의 강수량 및 기온에 대한 태양 예측을 비교했습니다. 그럼에도 불구하고 그는 일반적인 견해가 그의 가설에 반대된다는 것을 인식하면서 중요한 기상 변화를 태양 상수의 작은 변화로 돌리는 것이 어렵다는 점을 인정했습니다.

당시의 합의는 20세기 초에 태양-기후 연결을 지지하는 것에서 20세기 중반에 이를 거부하는 것으로 바뀌었습니다. 그 변화는 당시에 여전히 상당한 변동성을 수용할 수 있었지만 1920년경에 일어난 일에 의해 태양 상수를 더 잘 결정했기 때문입니다. 약 70년 동안의 기상 데이터(c. 1840–1910)에서 1920년경에 실패하기 시작했거나 더 심하게는 아무도 설명할 수 없는 것을 뒤집었습니다. 상황은 매우 혼란스러워졌으며 일부 저자는 양의 상관 관계를 주장하고 다른 저자는 음의 상관 관계를 주장하고 다른 저자는 전혀 상관 관계가 없다고 주장했습니다. 문제가 있는 패러다임을 나타내는 정교한 가설이 제안되었고 전체 하위 필드는 평판이 좋지 않았습니다. 1950년까지 태양-날씨 관계에 대한 연구는 많은 사람들에 의해 기상학자의 품위 없는 추구로 간주되었으며(Hoyt & Schatten 1997), 이 상태는 Abbot이 1957년 기사에서 인정했습니다.

그림 1.3. 선택된 기상 변수 및 흑점에 대한 일부 상관 역전(R) 및 실패(F)의 그래프. Herman & Goldberg 1978에서.

그림 1.3은 1920-30년 사이에 클러스터링된 여러 태양-기후 상관관계에서 부호 반전의 타이밍을 보여줍니다(그림 1.3). 역전된 온도 상관 관계는 강수, 바람, 아이슬란드 최저점의 선호 위치, 인도 몬순의 강도와 같은 다른 많은 기상 변수뿐만 아니라 역전되었습니다. 부호 반전을 설명할 수는 없었지만, 그들은 태양 방출과 흑점 활동 사이의 관계가 반전되지 않기 때문에 TSI 변화에 기초한 것이 아니라 여전히 태양-기후 관계를 제안했습니다. 이 중요한 결론은 당시 대부분의 기후 연구자들에게서 벗어났고 오늘날에도 많은 과학자들이 빠져 있습니다. 20세기 초에는 기후 변화가 알려지지 않았지만 오늘날에는 c. 1924년 태평양에서 시원한 태평양 10년 진동에서 따뜻한 10년 진동으로 정권이 바뀌었습니다(Mantua & Hare 2002). 이 변화는 1923년 태양 극소기 직후에 발생했으며 1934년까지 태양 활동이 평균 이하였음에도 불구하고 지구 온난화(20세기 초 온난화)를 초래했습니다.

그림 1.4. 태양-강수 상관 역전 c. 1800은 2005년에 보고되었습니다. 도표는 다음과 같습니다. c) 태양 활동의 역 지표로서 대기 14C의 변화. W, S, M, D는 Wolf, Spörer, Maunder 및 Dalton 최소값에 해당합니다. d) 코어의 얕은 물 규조류(SWD)에서 추론된 빅토리아 호수 수위. e) 나이바샤 호수(케냐) 수위(미터). 점선 수직선과 화살표는 Dalton 흑점 최소 기간 동안 태양-기후 반전을 표시합니다. Stager et al. 2005.

Hoyt와 Schatten(1997)에 따르면 태양-온도 상관관계는 지난 400년 동안 여러 번 부호를 변경했으며 약 1600-1720년과 1800-1920년 사이에는 음의 값을, 약 1720-1800년과 1920년과 현재 사이에는 양의 값을 나타내었습니다. 1800년 반전은 그림 1.4에 나와 있습니다.

1.4 로저 브레이, 존 에디와 1970년대의 부흥

태양 기후 서브필드가 평판이 나빠지는 동안 르네상스의 씨앗이 심어지고 있었습니다. Andrew Douglass는 화성 운하의 인공적인 성질에 대한 회의론으로 1901년 Percival Lowell에 의해 해고된 천문학자였습니다. Douglass는 자신의 전체 경력을 통해 태양 기후 효과를 확신했고 1904년에 애리조나의 나이테 너비와 강수 조건과 흑점 사이의 상관 관계를 발견했습니다. 이 관계를 추구함으로써 그는 방사성 탄소 연대 측정이 도래할 때까지 고대 구조의 연대를 측정하는 유일한 정확한 방법인 다음 40년에 걸쳐 dendrochronology의 새로운 하위 분야를 개발했습니다. Douglass는 기후 및 태양 활동과 관련하여 나무의 연륜을 연구했으며 100년 태양 주기(그는 이를 삼중 삼중 태양 주기라고 명명함)의 발견자였습니다. 그는 흑점 기록에서 발견한 것이 아니라 세쿼이아 고리 성장에 미치는 기후 영향에서 발견했습니다(Douglass 2019). 이것은 고기후 기록에서 처음으로 확인된 태양 주기의 유일한 사례입니다.

Willard Libby는 1940년대 후반에 방사성 탄소 연대 측정법을 개발했습니다. 정확한 방법을 위해서는 대기의 14C/12C 비율이 시간이 지남에 따라 어떻게 변했는지 아는 것이 필수적이었습니다. 과학자들은 더글라스의 연륜연대기법에 의해 정확한 연대를 측정한 나이테로부터 보정 곡선(IntCal)을 작성하여 방사성 탄소 비율을 달력 연대로 변환해야 했습니다. 캘리포니아의 Hans Suess와 애리조나의 Minze Stuiver가 이러한 노력을 주도했습니다. 1961년에 Stuiver는 몇 세기 이하로 지속되는 대기 14C 변동이 상부 대기에서 생성되는 우주선 14C의 태양 변조 때문이라고 처음으로 제안했습니다(Stuiver & Quay 1980). 갑자기 태양은 최근의 태양 상수 측정값이 표시한 것보다 오랜 기간 동안 더 변하기 쉬운 것으로 나타났습니다.

이 발견은 태양 변동성과 먼 과거의 기후 변화와의 관계를 연구하기 위해 최근에 재구성된 14C 변화를 사용할 수 있는 가능성을 열어주었습니다. 1963년에 시작하여 그의 빙하 및 식물 연구를 기반으로 Roger Bray는 지난 세기와 수천 년 동안 태양 활동과 기후 사이에 밀접한 관계가 있다고 제안했습니다. 1968년에 그는 최근에 그의 이름을 따서 명명된 태양과 기후 2500년 주기를 확인했습니다(Vinós 2016). 이 긴 태양 주기는 홀로세 동안 기후 영향 측면에서 가장 중요합니다. 1388-1834년(Bray 1968) 동안 브레이의 태양 주기에서 가장 최근 최저점은 1939년 François Matthes가 발견한 소빙하기(LIA)와 일치합니다. Roger Bray는 LIA에 태양 원인이 있다고 제안한 첫 번째 사람입니다. 1960년대와 1970년대에 Roger Bray는 태양 변동성과 화산 활동을 기후 변화와 연결하는 네이처 앤 사이언스(Nature and Science)에 14개의 기사를 발표했지만, 그는 뉴질랜드와 독립적으로 기후를 연구하고 다른 태양 기후 과학자들로부터 제외된 식물학자였기 때문에 부당하게 인정받지 못했습니다. 그의 발견을 위해. 그의 사이클은 Bray의 작업을 알고 있음에도 불구하고 Paul Damon과 Charles Sonnet(Damon & Sonnet 1991)에 의해 터무니없는 “Hallstatt” 이름이 주어졌습니다.

1974년 Robert Currie는 1993년에 1,200개의 미국 관측소를 사용하여 업데이트된 전 세계 226개 기상 관측소에 대한 연구를 발표했습니다. 방금 개발한 새로운 통계 방법을 사용하여 그는 많은 신호에서 10.5 태양 및 18.9 달 신호를 모두 발견했지만 국부 효과가 일부 관측소에서 지역 신호를 가릴 수 있다고 결정했습니다. 흥미롭게도 그는 로키산맥 동쪽의 관측소는 태양 활동과 온도 사이에 양의 상관관계를 나타내는 반면, 로키산맥 서쪽의 관측소는 음의 상관관계를 나타냄을 발견했습니다(Currie 1993). 1920년대. 1980년 Currie는 지구 자전에서 11년 흑점 주기 신호를 감지했습니다. 그는 원자 시계가 발명된 후 처음으로 그렇게 하지 않았지만 지구에 대한 태양 효과가 매우 논란의 여지가 있기 때문에(아마도 수용된 메커니즘의 부족으로 인해) 태양-지구 회전 효과는 독립적으로 여러 번 “발견”되었습니다. , 2010년의 마지막 시간이며 계속 무시됩니다.

그러나 태양-기후 효과에 대한 최초의 실행 가능한 메커니즘은 1974년 Colin Hines에 의해 제안되었습니다. 1년 전 Wilcox et al. (1973)은 태양 자기장 섹터 구조가 300mb(약 30,000피트 또는 9,100미터) 고도에서 북반구의 겨울 동안 저압 골의 평균 면적에 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. Hines(1974)는 태양 기후 효과에 대해 회의적이었지만 상층 대기에서 다양한 반사를 받는 행성파가 하층 대기에서 다양한 간섭 패턴을 유발할 수 있다고 제안했습니다. 이것이 실제라면 효과에 대한 가능한 후보가 될 수 있습니다.

Joe King(1975)이 널리 배포한 기사는 다양한 증거를 제시함으로써 태양-기후 관계에 대한 새로운 관심을 대중화하는 데 많은 기여를 했으며 다음과 같은 결론을 내렸습니다.

“축적된 증거가 너무 강력해서 날씨와 복사 변화 사이의 강력한 연관성을 더 이상 부인할 수 없습니다.”

킹, 1975년

1년 후 과학 잡지에 실린 John Eddy의 획기적인 기사의 장면을 준비했습니다. Eddy는 Gustav Spörer와 Edward Maunder가 1645년에서 1715년 사이에 태양이 매우 특이한 방식으로 행동하고 흑점을 거의 표시하지 않는다는 잊혀진 발견을 밝혀냈습니다. 천문학의 역사에 관심이 많았던 Eddy는 맨눈의 흑점 관측, 오로라 관측, 일식 관측 및 14C 데이터로 그들의 발견을 뒷받침했습니다(Eddy 1976). Maunder Minimum에 대한 과학 기사는 큰 인기를 얻었습니다. Eddy는 지난 7500년 동안 태양-기후 관계에 대한 여러 기사를 이어갔습니다(그림 1.5).

그림 1.5. John Eddy의 지난 7500년 동안의 태양-기후 관계에 대한 해석. 도표는 다음과 같습니다: a) 정상에서 18개의 편차를 보여주는 도식 14C 변동 숫자 2와 3은 Maunder 및 Spörer 최소값에 해당합니다. b) 14C 데이터를 기반으로 한 태양 주기의 장기 포락선 해석. c) 기후 추정치. G1, 알파인 빙하; G2, 전세계 빙하; T, 영국 온도; W, 파리-런던 지역의 겨울 심각도. 에디 1977에서.

George Siscoe는 1970년대 태양-기후 연구의 황금 10년을 낙관적으로 검토했으며(Siscoe 1978), 세 가지 주요 발전을 인용했습니다. Wilcox와 Eddy의 연구, 북미 남서부의 가뭄과 22년 Hale 태양 자기 주기를 연결하는 연구. 그러나 태양기후 서브필드는 학제간 및 논란의 여지가 있는 특성을 감안할 때 많은 참석자가 참석한 회의로 진행되면서 다시 활발한 활동을 펼쳤지만 여전히 비판을 받았습니다. Barrie Pittock은 140개의 태양 기후 기사를 비판적으로 살펴보고(Pittock 1978) “이 주제에 대한 방대한 문헌에도 불구하고 현재로서는 흑점 주기와 날씨 사이에 통계적으로 유의하거나 실질적으로 유용한 상관 관계에 대한 설득력 있는 증거가 거의 또는 전혀 없습니다. 또는 기후.”

1.5 1980년대 지구 온난화와 두 번째 태양 기후 종말

1980년대에 1960-70년대의 태양 기후 르네상스는 태양 상수 측정의 개선으로 에너지가 고갈되었습니다. Cavity radiometers는 1978년 11월 Nimbus 7 위성에 탑재된 Earth Radiation Budget 실험에서 처음으로 장착되었습니다. ACRIM(Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor) 실험은 1980년 2월 Solar Maximum Mission과 함께 시작되었습니다. 처음으로 태양 상수 값이 의 정밀도에 도달했습니다. 백분율의 소수점 이하 두 자리. 1980년 태양 주기 최대값에서 1986년 최소값까지 태양 상수의 감소는 0.15% 또는 2W/m2로 결정되었습니다. 그러나 연간 변화는 1982년에 이미 0.02%로 결정되었습니다. 대다수의 연구자들은 총 에너지의 변화만이 기후에 영향을 미칠 수 있다고 믿었고 ±0.07%의 변화는 큰 영향을 미치지 않을 수 있다고 믿었습니다. 작은 태양 변화가 대기 불안정에 작용하여 기후 효과를 증폭시킬 수 있다는 생각을 옹호하는 사람들은 본질적으로 불안정한 대기에서 어떻게 그렇게 할 수 있는지 설명하지 못했습니다.

1980년에 Nastrom과 Belmont는 태양-기후 효과가 어떻게 작용하는지 확인하는 것처럼 보였습니다. 1949-1973년 기간 동안 북반구의 174개 관측소에 대한 라디오존데 데이터를 사용하여 그들은 대류권 바람이 명확한 태양 신호를 표시한다는 것을 발견했습니다. 그들은 풍속과 온도가 태양 주기에 반응하고 그 효과는 겨울 동안 대류권계면 근처에서 최대임을 발견했습니다(Nastrom & Belmont 1980). 1983년에 같은 저자들은 더 많은 테스트를 거친 후 결과가 통계적으로 무의미하다고 선언했습니다(Venne et al. 1983). 또한 1961년에 과거 태양 활동 재구성을 시작한 방사성 탄소 연대 측정의 권위자인 Minze Stuiver는 1980년에 새로운 상세한 14C 변동성 재구성과 여러 긴 기후 기록을 비교하는 영향력 있는 기사를 Nature에 발표했습니다(Stuiver 1980). 그는 Maunder Minimum과 같은 낮은 태양 활동 기간이 지난 6,000년 동안 여러 번 발생했으며 기후 계열과 지난 천년 동안 14C에서 파생된 태양 활동 기록 간의 관계가 확립될 수 없다고 결론지었습니다.

Minze의 기사는 John Eddy의 작업을 파괴했습니다. 2년 후 Eddy는 태양 기후 연구의 죽음을 주류 과학으로 인정했습니다.

“우주선 측정에 따르면 태양의 총 복사 출력은 0.1~0.3% 수준에서 변합니다. … 이러한 변화는 섭씨 1도의 일부만 지표면 온도를 교란시킬 것으로 예상할 수 있으며 이 태양 유도 신호에 대한 증거가 발견되었습니다. 효과는 기후 시스템을 이해하는 데 중요하지만 실제 날씨 또는 기후 예측에서 중요하기에는 너무 작습니다.”

(Eddy et al. 1982)

옛 속담에 “나를 한 번 속고, 너에게 부끄럽게 하고, 두 번 나를 속이고, 나를 부끄럽게 하라.” 태양 기후 연구자들은 1920년대와 1980년대에 두 번이나 화상을 입었습니다. 다시는 발생하지 않아야 합니다. 하위 필드는 절대적인 평판에 빠졌습니다. 같은 구절에 “태양”과 “기후”라는 단어가 있는 어떤 것도 다시 심각하게 받아들여서는 안 됩니다. 20세기에 두 번째로 지구 온난화가 시작되었고 이번에는 전적으로 CO2 변화에 책임이 있을 수 있기 때문에 기후 변화의 CO2 가설에 완벽한 시기였습니다. 그것은 태양이 될 수 없었고 그것을 제안한 사람은 조롱과 보잘것없는 경력에 직면했습니다. 지구의 자전이나 엘니뇨/남방진동에 대한 명확한 태양 효과조차 세심하게 무시하는 지점에 도달했습니다.

그림 1.6. 소빙하기 이후부터 태양 활동이 증가하고 있습니다.

태양 활동을 비교할 때 각 태양 주기의 길이를 고려해야 합니다. 그림 1.6의 상단에서 주기의 각 연도에 대한 흑점의 합을 주기의 년수로 나누고 결과에서 1700-2020 흑점 평균을 뺍니다. 결과는 주기의 지속 시간에 비례하는 막대 너비를 가진 막대 그래프로 표시됩니다. 선은 선형 회귀 추세선입니다. 그림 1.6의 하단은 WDC-SILSO의 연간 흑점 국제 번호이다. 1934-2008년 기간은 최소 700년 동안 가장 높은 태양 활동이 있었던 75년 기간입니다. c 이후 LIA 동안 태양 활동이 매우 낮았다는 것을 알 수 있습니다. 1270. 이 기간을 현대 태양 극대기라고 합니다. 75년 동안의 가장 높은 태양 활동 기간과 700년 동안 가장 높은 지구 온난화 기간인 75년(1925-2000년) 사이의 시간에 대한 긴밀한 대응은 우연의 일치일 가능성이 없으며 현재 진행되고 있지 않은 철저한 조사를 받을 가치가 있습니다. 2022).

경력을 계속하고자 하는 사람들을 위한 전환이 완료되었습니다. Wilcox, Svalgaard 및 Scherrer는 1976년에 “태양-날씨 효과의 현실”(Wilcox et al. 1976)을 출판했습니다. 그들은 문제 해결에 가까웠습니다. 그들은 행성의 오른쪽 부분(북반구 외열대), 올바른 위치(대류권 상부-하부 성층권), 연중 적절한 시간에(겨울 동안), 올바른 변수(기압)를 보고 있었습니다. 확실한 효과를 보고 있습니다. 겨울 동안 북극 위도에서 태양-기후 효과가 더 강하다는 것은 태양-날씨 상관관계의 역전으로부터 추론할 수 있는 것을 더욱 확증한다. 북극의 밤과 북극에서는 빛나지 않는 태양에 대한 TSI 변화가 얼마나 크든 작든 중요하지 않습니다. 다른 메커니즘의 존재가 필요합니다.

Colin Hines(1974)는 이미 Wilcox et al. 결과; 그것은 구역 풍속의 변화로 인한 행성파의 차등 전파 및 반사였습니다. Nastrom과 Belmont가 확인한 동일한 변경 사항은 나중에 폐기되었습니다. 그러나 Wilcox et al. 걸어. 그들은 이 200년 된 기후학적 탐구에서 태양 기후 효과의 증거를 찾을 기회를 잃었습니다. 그 영예는 ​​경력이나 명성보다 과학에 더 관심이 있는 여성에게 돌아갑니다. Wilcox, et al. 공동 저자인 Leif Svalgaard는 최근 몇 년 동안 태양 변동성이 현대 지구 온난화에 기여했을 수 있다는 제안을 강력하게 반박하고 그의 견해를 더 잘 뒷받침하는 흑점 기록에 대한 논란의 여지가 있는 변화를 끊임없이 촉진하는 데 바쳤습니다.

1.6 Karin Labitzke와 찬사를 받지 못한 최초의 태양 신호의 확실한 증거

1982년에 국가 연구 위원회는 “태양 변동성, 날씨 및 기후”에 관한 논문을 출판했습니다. 서브필드의 사망진단서처럼 읽힙니다. 여기에는 James Holton과 Barrie Pittock의 기사가 포함되어 있으며 John Eddy의 의장이 되었습니다. 대기 분야 최고의 전문가 중 한 명인 James Holton은 음의 빛에서 성층권과 대류권 사이의 동적 결합을 통해 태양 기후 효과에 대한 가능한 물리적 메커니즘을 분석했습니다(Holton 1982). Hines(1974)의 메커니즘을 고려할 때, Holton은 태양 변동성과 관련된 성층권 흐름의 변화가 행성파의 반사/흡수를 변경할 수 있고 파동 간섭을 통해 대류권에 영향을 줄 수 있음을 인정했습니다. 그에게 이 메커니즘은 태양 입력과 기후 반응 사이의 엄청난 에너지 차이에도 불구하고 중요할 수 있는 태양 변동성과 대류권 날씨 및 기후 사이의 가능한 연결을 제공했습니다. 그러나 그는 그 메커니즘이 추측적이라고 결론지었습니다.

2년 전에 Holton과 Tan(1980)은 적도 위의 높은 고도에서 지구를 선회함에도 불구하고 적도 성층권 바람이 지구 순환을 조절했음을 보여주는 획기적인 기사를 발표했습니다. 이 바람은 2년이 약간 넘는 준주기로 동서 방향을 번갈아 가며 주기 때문에 QBO(Quasi-Biennial Oscillation)라고 합니다. Holton과 Tan이 발견한 북반구 순환에 대한 QBO의 효과는 행성파를 통해 겨울 동안 극에서 평균 지리 전위(압력)를 변경하는 것이었습니다. 이 발견은 Wilcox et al. 발견하고 Colin Hines의 행성 파동 메커니즘과 관련이 있지만, 당시 태양 설명은 대부분의 학자들에게 받아들일 수 없었습니다. 겨울에는 강한 편서풍이 극지방을 돌면서 찬 공기의 저기압 중심을 가두어 강한 극 소용돌이를 형성합니다. QBO에 의한 북극 소용돌이 변조는 매우 중요하여 “Holton-Tan 효과”라는 이름을 받았습니다. 흥미롭게도 QBO에 의한 북극 지리 전위 변조는 평균 동서풍이 서풍이고 수직으로 전파하는 행성파가 존재하는 겨울철에만 유의미했습니다. Holton과 Tan은 특정 시간에 상관관계가 무너졌기 때문에 행성파 조건을 도입해야 했습니다.

Karin Labitzke(1987)는 극소용돌이-QBO 상관관계가 QBO의 서쪽 단계에서 때때로 깨지지만, 태양 활동이 주기적인 최대값에 가까울 때에만 깨지는 것을 발견했습니다. 그녀는 QBO 위상에 따라 성층권 극 온도에 대한 데이터를 분리하기로 결정했습니다. 태양 활동과 극지 온도 사이의 매우 낮은 상관 관계는 모든 데이터를 고려할 때 분리된 데이터를 사용하여 매우 높아집니다(그림 1.7). 186년 후 Labitzke는 1801년 William Herschel이 시작한 퀘스트를 해결했습니다. Harry van Loon의 후속 기사(Labitzke & van Loon 1988)에서 그들은 겨울 대기압과 온도에 대한 태양 효과에 대한 연구를 북반구로 확장했습니다. 대류권. 이 연구의 주요 결론은 온대 성층권에서 QBO의 신호가 태양 극소기에서 강화되고 태양 극대에서 약해진다는 것입니다. QBO 방향이 태양 효과를 한 부호에서 반대 방향으로 뒤집는 것은 태양 기후 효과의 다른 상관 부호 반전과 다르지 않으며 효과가 TSI의 변화만으로 발생할 수 없다는 세 번째 표시입니다.

Peixoto와 Oort(1992)의 필수 Physics of Climate 매뉴얼 Labitzke와 van Loon의 발견은 적절하게 평가되었습니다. 발견된 태양-날씨 관계에 대한 가장 설득력 있는 통계적 증거라고 선언한 후 다음과 같이 계속합니다.

“지구 표면에서도 태양 활동과 해수면 압력 또는 표면 온도 사이의 상관 관계는 … 비정상적으로 높으며 겨울 순환의 전체 경년 변동성의 중요한 부분을 설명하는 것으로 보입니다.”

(페이소토 & 오르트 1992)

그러나 1801년 William Herschel이 시작한 태양-기후 효과에 대한 186년 탐구의 Labitzke의 끝은 이보다 더 불편한 시기에 올 수 없었을 것입니다. 지구 온난화는 이미 CO2의 탓으로 돌렸고 과학적 교리는 그녀의 발견에 완전히 반대했습니다. 왜냐하면 모든 태양 기후 연구는 신빙성이 없었기 때문입니다. 제임스 홀튼은 이렇게 말했습니다.

“피상적으로는 잘못된 점을 찾을 수 없지만 물리적인 근거가 전혀 없기 때문에 귀찮습니다. 이 사람들은 내가 본 가장 높은 상관관계를 가지고 있지만 내가 도박꾼이라면 반대할 것입니다.”

(커, 1987)

그녀는 기후에 대한 태양 활동의 명확하고 논쟁의 여지가 없는 영향을 발견했습니다. 이의를 제기할 수는 없지만 무시할 수 있습니다. 그리고 그것은 거의 실용적인 효과가 없고 현대 기후 이해에서 설 자리가 없는 이상한 것으로 무시될 것이었습니다.

그림 1.7. Karin Labitzke의 1987년 태양 기후 효과 발견.

그림 1.7에는 다음이 표시되어 있습니다. A) 모든 연도에 대한 데이터를 고려할 때 겨울 북극 성층권 온도와 태양 활동(10.7 cm 태양 플럭스) 사이의 상관 관계 부족. B) QBO 서쪽 단계 연도만 고려할 때 명확한 양의 상관관계를 보여줍니다. QBO 동쪽 위상 연도만 고려할 때 명백한 음의 상관관계는 표시되지 않습니다(그림 1.7은 Kerr 1987에서 가져온 것입니다).

1.7 여파

중요한 태양 기후 효과에 대한 과학적 합의는 1850년 이전에 반대에서 1860년대에서 1920년대 사이에 찬성으로, 1920년대에서 1960년대에 부정적으로, 1960년대에서 1970년대에 다시 긍정적으로, 1980년대 이후로 부정적으로 바뀌었습니다. 과학적 합의가 과학에서 설 자리가 없다는 것을 보여줄 뿐입니다. 과학자의 의견은 과학이 아닙니다. 증거만이 과학을 구성합니다. 증거가 기각되거나 무시될 수 있다 하더라도, 그것이 제대로 평가될 때를 기다리며 남는다.

1980년대 초반에 태양-기후 서브필드의 불명예의 몰락은 태양 변동성이 기후에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 추가 연구를 낙담시켰습니다. 정치적으로 뒷받침되는 기후 변화에 대한 CO2 가설의 강화는 하위 분야를 과학적 데드 존으로 만들었습니다. 소수의 연구자만이 이 연구 관심 분야를 추구하는 데 엄청난 명성과 경력 대가를 지불하기로 결정했습니다. 어려운 태양-기후 관계 연구 대상자는 1870년에서 1980년 사이에 투입된 연구 인력의 양을 고려할 때 거의 진전이 없었습니다. 1980년 이후 평판이 좋지 않은 분야로 전환한 이후 수십 년 동안 기후학의 급속한 발전에도 불구하고 진행 속도가 느려졌습니다.

태양기후 연구자들은 자신의 연구 결과에 대해 인정을 받지 못하고, 결과를 좋은 저널에 게재하는 데 더 어려움을 겪으며, 우수한 학생을 얻지 못하고, 동료로부터 낮은 평가를 받는 것을 받아들여야 합니다. 그로 인해 경력 발전에 어려움이 있고, 하위 분야에 진출하는 젊은 과학자들의 경력 실패율이 높다. 예외는 태양 변동성이 현대 온난화에 크게 기여하지 않았을 수 있다는 전제 하에 작업하는 태양 기후 연구원입니다. 그것들은 잘 고려되고, 많이 인용되고, IPCC 보고서에 기여하고, 때때로 기후 모델에 대한 낮은 태양 변동성 입력을 생성합니다.

이러한 어려움에도 불구하고 모델이 실제 현상을 재현하려고 시도하고 재분석에 실제 기후 데이터가 제공됨에 따라 태양 기후 효과가 계속 나타나며 두더지에게 묻히려는 시도를 무시합니다. 1996년에 Joanna Haigh는 Science의 획기적인 기사에서 대기 순환의 변화가 모델에서 약하게만 재현되며 명확한 태양 기원을 가지고 있음을 보여주었습니다(Haigh 1996). 열대 오존 변화는 모델의 효과에 중요한 것으로 나타났습니다. 태양 주기 동안 TSI의 변화가 관측된 기후 효과를 설명하기에 충분한 에너지를 포함하지 않는다는 것이 곧 분명해졌습니다. 따라서 일종의 증폭 메커니즘이 책임이 있다고 가정했습니다. 최근까지 기후 모델에는 성층권이 포함되지 않았지만 Haigh는 기후에 대한 태양 효과를 증폭하기 위한 “하향식 메커니즘”으로 알려진 것을 개발했습니다(그림 1.8).

그림 1.8. 기후에 대한 태양 효과를 증폭하기 위한 하향식 메커니즘.

그림 1.8에서 태양 자외선은 성층권의 오존층에 작용하여 온도(T)와 오존량(O3)을 증가시킵니다. 온도 변화는 위도 온도 구배를 변경하고 열풍 균형을 통해 동서 평균 동풍(ΔU)에 영향을 줍니다. 동서풍의 변화는 행성파를 전파하는 대기의 속성을 변경합니다. 이 효과는 소용돌이 전위 와도에 비례하는 Eliassen-Palm 플럭스(F)의 비정상적인 발산(>0)을 생성하여 운동량 및 운동 에너지의 침착을 변경합니다. 극 소용돌이(표시되지 않음)의 강도는 이러한 변화에 따라 달라지며, 북극 진동(AO), 북대서양 진동(NAO), 해들리 및 워커 순환의 변화를 주도합니다. 굵은 중단 화살표는 커플링을 나타냅니다. 그림은 Gray et al. 2010.

현재 태양-기후 효과에 대한 정통적인 견해는 Judith Lean의 2017년 리뷰로 요약될 수 있습니다. 태양의 최소값과 최대값 사이의 총 복사조도가 0.1% 증가하면 지구 표면 온도가 0.1°C 증가합니다. 지표와 대기 모두에서 지역적 반응을 변경하는 동적 과정이 있습니다. 마운더 극소기(Maunder Minimum)와 같은 대태양 극소기의 영향은 지구 냉각의 10분의 1 °C 미만일 가능성이 높습니다(Lean 2017). 이 기사 시리즈의 다음 5개 부분에 걸쳐 우리는 최근에 제안된 태양 기후 효과에 대한 Winter Gatekeeper 가설을 설명할 것입니다(Vinós 2022). 그것은 220년 동안 발견되지 않은 이유를 설명하는 매우 복잡한 기후 현상을 포함합니다. 다음 부분에서 우리는 정통 IPCC가 승인한 기후 변화 관점이 본질적으로 그것을 논박하는 최소한 5가지 매우 중요한 기후 관련 현상에 대한 태양 변동성의 영향을 무시한다는 것을 알게 될 것입니다. 태양-기후 컨센서스의 또 다른 반전이 필요한 시점이 도래하기를 바랍니다.

참고: 이것은 기후 변화에 대한 태양 변동성의 영향에 대한 6부작 시리즈 중 첫 번째입니다. 기후 변화에 대한 Javier의 이전 13부작 시리즈는 2016년과 2018년 사이에 게시되었으며 judithcurry.com에서 검색 상자에 “Nature Unbound”를 소개하여 읽을 수 있습니다. 그것은 4,000개가 넘는 댓글을 생성했으며 그의 2022년 9월 책인 기후, 과거, 현재, 미래의 기초가 되었습니다. A Scientific Debate, 2nd ed., 이 시리즈의 자료 일부가 포함되어 있습니다.

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