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在探讨全球气候变化的复杂议题时，一个颇为引人注目的“另类”观点偶尔会浮出水面：宇宙射线，而非人类活动，才是导致地球变暖的“真凶” 这一观点认为，来自太空的银河宇宙射线（GCRs）可能通过增加云层形成来影响地球气候，从而解释气温上升，而非人类活动。然而，深入探究科学证据后会发现，这一观点存在诸多漏洞。

宇宙射线研究历史

宇宙射线的发现源于科学家们对大气电离现象的研究。1900至1910年间，科学家们逐渐认识到大气中的电流并非仅由地球的放射性物质或产生的放射性气体造成。1912年，奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Hess）利用气球携带静电计升至5300米高空，发现随着高度增加，电离率显著增大，且白天和夜间测量结果相同。他推断这种辐射来自宇宙空间，并将这种辐射命名为“宇宙射线”。赫斯也因此发现于1936年获得诺贝尔物理学奖。

在赫斯发现宇宙射线后，科学家们对其本质和来源进行了深入研究。最初，这种辐射被称为“赫斯辐射”，后来被正式命名为“宇宙射线”。

宇宙射线与太阳辐射的关系

宇宙射线与太阳活动之间存在着复杂的关系。太阳磁场可以偏转和吸收宇宙射线，因此太阳活动的变化会对地球接收到的宇宙射线通量产生影响。当太阳活动增强，太阳磁场变强时，抵达地球的宇宙射线数量会减少；反之，太阳活动减弱时，更多宇宙射线能够抵达地球。

表征太阳活动强弱的太阳黑子数与宇宙射线的强度密切相关。太阳黑子由太阳磁场的扭曲造成，其出现与太阳活动的周期有关。研究人员通过观测和模拟发现，太阳黑子数量增多时，太阳磁场辐射出更强大的能量，这会减少宇宙射线与地球大气层的相互作用，导致地球上宇宙射线的减少。

1990 年代，丹麦科学家亨里克·斯文斯马克（Henrik Svensmark）提出了一个大胆的假设：宇宙射线在进入地球大气层时，会与大气分子发生相互作用，产生大量的离子，进而可能影响云层形成，从而改变地球的气候。这一假设一经提出，便在气候学界引发了轩然大波，为那些试图为全球变暖寻找新解释的人提供了新的思路。

在这股浪潮的推动下，2006 年，在欧洲核子研究组织（CERN）的支持下展开了名为“宇宙射线促使室外液滴形成”的实验项目，根据首字母，这个项目的简写为CLOUD。实验团队由来自17个国家的 70 多位科学家组成，他们来自不同的学科背景，却都怀揣着同一个目标：揭示宇宙射线与云层形成之间的神秘联系。

实验的核心设备是一个名为“云室”的大型装置。这个云室高3米、直径2米，由不锈钢制成，内部可以模拟从地面到平流层的各种大气条件。通过向云室中注入不同的气体（如硫酸、氨、水蒸气等）并调节温度、湿度等参数，科学家们能够精确模拟大气中的化学反应过程。

2011年，CLOUD 实验团队在《自然》（Nature）杂志上发表了第一篇重要论文(Kirkby et al., 2011)，向世界展示了他们的初步发现。这项研究证实了宇宙射线确实能够增强大气中气溶胶粒子的形成速率。在某些条件下，宇宙射线产生的离子可以显著提高成核速率，例如，在硫酸-胺系统中，离子可以将成核速率提高10到100倍。论文的主要作者之一，CERN 物理学家贾斯珀·柯克比（Jasper Kirkby），在谈到这一成果时难掩兴奋之情。他表示，这一发现对于理解云层的形成过程具有重要意义，也为气候模型的改进提供了新的方向。

然而，研究团队也清楚地意识到，尽管宇宙射线在气溶胶新粒子形成中扮演了一定角色，但这些新生成的粒子体积过于微小，通常只有1-2纳米，远远达不到能够形成气溶胶粒子和云凝结核（CCN）的尺寸要求。简单来说，这些新粒子需要疯狂生长才能形成影响辐射的气溶胶粒子（一般为微米级尺寸，例如PM2.5），通过散射阳光直接影响气候，气溶胶粒子或者作为云凝结核，通过吸湿增长形成云滴（1-100 微米）来间接影响气候。从新粒子到云之间还有遥远的距离，云凝结核是云滴的种子，而新粒子则是种子的种子，能不能长起来还不好说。要从这些微小的粒子成长为能够影响辐射和云层形成的气溶胶粒子和云凝结核，还需要借助其他大气过程。

但是反气候变化群体对这一结果如获至宝，以威利·宋（Willie Soon）和戴维·莱加特（David Legates）为代表的反气候群体在多个场合引用CLOUD实验的结果，试图为他们的观点提供科学依据。他们强调宇宙射线对云层形成的影响，并将其夸大为全球变暖的主要驱动力。一些媒体也加入了这场误导的行列。2011 年，《华尔街日报》发表了一篇题为“宇宙天体可能是全球变暖真正的罪魁祸首”（Heavenly bodies might be the real global warming culprits）的社论，声称CLOUD实验的结果证明了宇宙射线在气候变化中的重要作用。这种夸大其词的报道不仅误导了公众对科学事实的理解，也为气候怀疑论者提供了更多的话语权。

这可不是CLOUD 实验要表达的真实意思，实验团队多次站出来澄清。柯克比在2014 年的一次 TED 演讲中强调，尽管宇宙射线对云层形成有一定影响，但它们对全球变暖的贡献微乎其微，远远无法与温室气体的影响相提并论。他呼吁公众和媒体应该基于科学事实来理解气候变化问题，而不是被误导性的言论所左右。

2011年的文章留下了一个开放的话题，“这些新成核的粒子中有多大比例能够成长到足以形成云滴的大小，以及有机蒸汽在成核和生长过程中的作用，仍是实验上悬而未决的问题”（the fraction of these freshly nucleated particles that grow to sufficient sizes to seed cloud droplets, as well as the role of organic vapours in the nucleation and growth processes, remain open questions experimentally）。这句话指出了在气溶胶粒子和云形成研究中，关于粒子成长和有机蒸汽影响的具体机制尚待进一步探索。

在最初的发现之后，CLOUD 团队并未停下探索的脚步。他们继续深入研究，试图量化宇宙射线对云层和气候的影响。2016 年，他们在《科学》（Science）杂志上发表了成果(Dunne et al., 2016)。这一次，他们通过更多的实验和更精确的模型计算，进一步揭示了宇宙射线在现代大气中对云凝结核形成的贡献。

研究表明，在大气中约28%的新粒子形成涉及离子诱导成核（由宇宙射线引起），但这些粒子对云凝结核（CCN）的贡献仅为0.1%-0.2%。研究还探讨了宇宙射线强度变化对气候的潜在影响。结果显示，太阳活动周期（太阳最大期和最小期）引起的宇宙射线强度变化对云层底部的CCN浓度影响仅为0.1%，局部变化不超过1%。他们给出了明确的结论“宇宙射线强度无法通过成核过程对气候产生有意义的影响”（cosmic ray intensity cannot meaningfully affect climate via nucleation.）这一结果表明，尽管宇宙射线在气溶胶粒子形成中具有一定作用，但其对云层和气候的影响却微乎其微，远远不足以解释近一个世纪以来全球气温的快速上升。

除了宇宙射线影响新粒子生成以外，还有人提出，宇宙射线或许会影响云中液态水结冰的过程，或者会影响可凝结物质的数量，或许还存在其他可能的机制。然而，目前还没有人从机制上证明宇宙射线对云层的影响足够显著。

我们也可以从另一个角度理解，到达地球的宇宙辐射其实最大量是太阳辐射，宇宙射线只是其中很小的一部分，我们前面章节已经说明过了，太阳辐射的变化不能解释现在的全球变暖，那分量更小的宇宙射线更不能解释了。宇宙射线和太阳辐射一样，有着比较长期的监测数据，把这些数据放在一起进行比较，就会发现太阳辐射和宇宙射线变化几乎没有长期趋势，只有温室气体存在疯狂飙升的趋势，这才是导致地球变暖的真正原因。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：魏科 中国科学院大气物理研究所 研究员

审核：戴云伟 中国气象局 高级工程师

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 科普中国创作培育计划

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