太阳黑子研究论文

人类最早对太阳黑子的观测和记录，可以追溯到2000多年前，那时古人以为天体是完美无缺的，所以当17世纪有个教士发现太阳上有黑点时，人们感到惶惶不安，而主教肯定地说，这是视觉缺陷造成的假象。但是，我国早在2000多年前的秦汉时期就观测到太阳黑子现象，并存有世界上最早和最详细的有关太阳黑子的记录。公元前140年前后成书的《淮南子·精神训》篇中就有‘日中有蹲鸟’的记载。另外，《汉书》也有记载:汉成帝河平元年(公元前28年)‘三月乙末日出黄，有黑气大如钱，居日中央’以上的两则资料说明了早在2000年前人们就开始关注太阳黑子的活动了。而这一次太阳黑子现象，也是世界上公认的有关太阳黑子活动的最早记录。其实黑子最重要的特征是其磁场强度，太阳黑子的强度在至之间。一般来说，黑子越大，磁场越强。黑子群周围常出现耀斑，发出的辐射和粒子同地球的磁场和电离层相互作用，会使地球上短波无线电通讯中断，还能产生美丽的极光，例如，在1989年3—4月份所发生的大规模的太阳黑子群的爆发就让地球的通讯全部中断了竟达2—3个小时。众所周知，地球的最外层是大气层，人类和地球上其他生命体都依赖着这个大气层生存。由于大气层正常或异常的活动而对人类的生命财产和国民经济建设造成直接或简接的危害，我们称之为气象灾害。虽然，我们把大气层正常或异常的活动视为气象灾害的罪魁祸首，然而，在这些气象灾害的案例中，由于太阳的活动而引起的可以说有近50%，虽然我们地球的大气层为我们提供了很多的帮助，好比如对太阳风的抵抗，对紫外线的反射等等，然而，有时，我们赖以生存的大气层抵挡不住太阳黑子的攻击。例如，高凌云在《如何预防太阳黑子的危害》提到了 “太阳有时候会向地球喷射大量的粒子流，对人造卫星造成严重破坏。然而，准确预报这些太阳耀斑的出现时间却是困难的”这一观点（但是有一些人不同意这一说法，例如曲维政教授简单介绍了径向基函数神经网络方法的原理和应用，发展了用径向基函数(RBF)对平滑月平均黑子数进行预报的方法。用不同的数据序列对网络进行训练，对未来8个月的平滑月平均黑子数进行预报。用该方法对第23周开始后的平滑月平均黑子数进行逐月预报，并与实测值进行比较，结果表明随着预报实效的延长预报误差被逐渐放大，该方法可以较准确地做出未来4个月的预报，绝对误差可以控制在20以内，标准差为，相对误差控制在38%以内，大部分相对误差不超过15%(占总预报数的89%)，具有较好的应用价值。用于网络训练的样本数量对预报结果会产生一定的影响）。但是现在，一些物理学家认为，我们即将面临近几年以来最猛烈的太阳耀斑活动。一场浩劫万圣节前夜(每年的10月31日)常被人们想象成有神秘现象和怪异事件发生的特殊日子。但是无论如何，发生在2003年10月下旬的事件都是历史上罕见的——全世界的无线电通信被迫中断、美国航空航天局的半数卫星出现故障、瑞典境内5万人停止了电力供应、全球航空业损失数百万美元。其实，这些事件并不是什么神秘现象，而是我们再熟悉不过的太阳造成的。在11年的周期内，太阳要经历一个较为活跃的时期。根据预测，2003年10月发生的事件与五六年内即将发生的相比，根本不值一提。位于科罗拉多州波尔德的美国国家大气研究中心的物理学家彼得·吉尔曼警告说:“下一个太阳活跃周期将发生比以往更为严重的问题。”面临威胁的不仅是卫星和无线电通信，一些研究者认为太阳活动影响着地球大气层——特别是影响云的形成。这一论断引起了许多的科学家的关注：在2005年，香港旅美宇航科学家、现任美国加州理工学院行星科学教授翁玉林认为:1644年明朝灭亡，与太阳黑子消失关系密切。翁玉林指出，黑子出现会改变紫外光和能量，黑子愈多紫外光愈多，黑子愈少地球天气愈寒冷。他发现，在明朝灭亡前后约70年，太阳黑子消失。那时候欧洲出现小冰河时期，中国则气候突变，气温下降。这一论述与彼得·吉尔曼的观点相辅相成。太阳活动特别是黑子、耀斑的爆发所产生的电磁辐射和高能带电粒子流会影响和破坏近地空间环境，给空间技术造成重大影响，危害人造卫星的正常运行，X射线爆发会导致地球电离层受到突然骚扰，因而使短波通信衰减，甚至中断．统计和研究结果还表明，地球上的自然灾害、交通事故、人类的健康和某些流行疾病也受太阳活动的影响。根据美国的交通事故数据与太阳黑子数目的变化周期作对比，对其中的关系作了讨论，最后提出关于太阳黑子对交通事故影响的结论和看法。我个人认为，可能是由于某一个特殊的太阳活动而引起的，在查阅了一些资料发现，含有大量电磁离子的太阳风常常爆发于黑子发生的时候，所以我认为这与黑子的活动也有着关系此外查看资料时发现如果将1月份太阳黑子相对数与夏季平均气温制作图表进行对比分析，可以得到当太阳黑子相对数处于峰顶(极大值)时，气温为正距平;当太阳黑子相对数处于谷底(极小值)以及谷底区域时，气温为负距平。并且夏季各月与太阳黑子相对数之间也有较好的相关性。夏季是一年中气温最高的季节，夏季气温不仅对人们的日常生活产生重大影响，而且对农作物的发育、生长也起着重要作用。我又利用1951-2002年青岛观象台气温资料，统计分析了太阳黑子活动与青岛气温的关系。结果表明，太阳黑子峰值年和谷值年，青岛市年及四季平均气温易出现极值。在太阳黑子数多的年份，青岛市夏季高温日数和冬季严寒日数均偏多。因此，我推测太阳黑子的活动活跃程度与地球的地区性气候的变化有着一些重大的联系，于是我在分析了1953~2001年杭州梅雨量的周期性振荡特征及其与赤道平流层纬向风之间的关系后，发现在两者之间存在一个特别的关系，杭州梅雨量的变化存在着22年左右和准两年左右的周期振荡，雨量和赤道平流层纬向风的准二年振荡(QBO)之间具有相关关系，其相关关系受到太阳活动的调控。在厄尔尼诺年的同期或者后期，QBO和梅雨之间的关系往往会出现异常。再查阅了相关资料如1959—1998年巴彦淖尔市降雹成灾实况，我将其分为1、2、3级即重灾年、中等灾年、轻灾年。利用1958—1997年太阳黑子数资料，找出前一年太阳黑子数年变化趋势与当年降雹等级对应关系的10年周期、12年周期及历年的变化规律，从而建立了3种预测降雹等级的方法。然后将前一年的太阳黑子数变化趋势代入3种预测方法中，得出当年降雹等级的3种预测结果，最后将3种预测结果进行集成处理，得出巴彦淖尔市降雹成灾等级与太阳黑子的活动的活跃程度成正比关系，并且在太阳黑子爆发的高峰期，正是各种天灾泛滥之时。 虽然我们还不能准确地预测出太阳黑子的爆发时间，但是我坚持认为只要掌握好它的爆发周期，我们一定可以将它的危害降到最低。

看日食大家可能都看过，可是这回的日食可能亲眼目睹的就少之又少，因为这回的可是百年一回最长的日全食！ 日食出现的原因跟月亮的月食是相反的，太阳、地球、月亮在同一条线上时就有会出现日食或月食，日食的出现是太阳的射向地球的光被月亮给遮住啦，就会产生产生着千年等一回的奇景。而发生的时候通常是在每月农历初一，这一天就被称为“朔日”。那每月的有朔日，为什么就出现在今天呢，因为，太阳、地球、月亮在同一条线上时就可能出现月亮高于太阳射向地球的光或低于光，所以，日全食就很难看见。但是，即使自然条件具备也可能看不到，因为日全食地区有限定，时间有限定。如果以上条件都具有啦，就可以说是万事俱备只欠东风啦！可能就会出现下雨的情况。比如这次就是这样，但是在日全食之前停了，这真是柳暗花明又一村啊！老天爷不让我们失去这次机会啊，这是不亦乐乎呀！一说到日食，大家肯定会想到太阳，迷信的人一般会说：“‘天狗’吃太阳啦！”日食这么美的自然景观，谁都想先睹为快。 忽然，我听到有个小孩喊：“大家快看！日食来了！”我们把头抬起来看天空，真的有一条金黄色的，暗淡的光在海面上浮出，过了一会儿，光线变得明亮了，像一把巨大的镰刀跨越海面。8：23了，太阳渐渐呈半圆形，太阳公公终于肯浮出“半边脸”了。七彩的光茫使不戴太阳镜的人觉得难受。9：38，太阳露出了一大半，像一艘木船，耀眼的光茫使人痛得睁不开眼睛。太阳升起来了，可是，太阳像是被什么咬去了一块似的少了一个角，渐渐地，一个黑影明显地遮住了太阳。我们发现黑影越来越大，太阳越来越小，成了一个“月牙儿，”不多久，黑影遮住了整个太阳，只留下一条断断续续的光环在天边，不过一会儿那光环慢慢地自己连接起来，像太上老君的金刚圈一样。我看了看手表，正好是11：01，和预告的时间一样。 日食结束了，我们大家非常激动，这个说：“这个日食真神奇！”那个也说：“日食真美，今天总算没白来啊！”

球层上，有一些旋涡状的气流，像是一个浅盘，中间下凹，看起来是黑色的，这些旋涡状气流就是太阳黑子

太阳黑子对气候的影响70~80N，太阳黑子多少与降水量的大小成正相关60~70N，太阳黑子多少与降水量的大小成负相关50~60N，太阳黑子多少与降水量的大小有时成正相关，有时成负相关关于太阳黑子对地球气候的影响，现在还没有研究透，只是知道有这样的相关性。有11年的周期，但近几个十一年的周期却不是十分明显，也许人类认为对气候的影响力变大了吧。关于你说的“为什么温度降低的一块却会带来紫外线呢？”是不是看了太阳辐射波段分布的图？那个图的横坐标是太阳辐射的波长分布，不是温度，波长比可见光小的属于紫外线光区，波长比可见光大的属于红外光区。（可见光分为红橙黄绿蓝靛紫，波长从大到小排列，比红大的叫红外，比紫小的叫紫外，都是看不见的电磁波） 很明显，太阳是地球上光、热和生命本身的源泉。甚至在史前时代，人类就必定会把太阳当做神来崇拜，我们所知道的第一个一神论者，是公元前1379年取得埃及王位的法老埃赫那顿，他就把太阳当做惟一的神。在中世纪时代，太阳是完美的象征，虽然它本身没有被认为是神，但无疑地认为它代表着上帝的完美。 最早对太阳的实际距离有概念的是古希腊人。阿利斯塔克的观测指出，太阳离我们至少有数百万公里远，因此根据肉眼所见的大小来判断，它必然比地球大。然而只是大小尚不能给人以深刻的印象，因为很容易把太阳设想成是一个仅由非实体的光所构成的大球。直到牛顿时代才知道，太阳不仅比地球大，它的质量也远超过地球。同时还知道，地球精确地沿一定的轨道绕太阳运行，是因为地球受到太阳的强大的引力场的影响。我们现在知道，太阳距离地球×108公里；直径1,392,000公里，是地球直径的 110 倍。它的质量是地球的33万倍，也是太阳系所有行星物质总和的745倍。换句话说，太阳占有太阳系中的物质，是这个系统中压倒一切的首领。 然而我们不应当过分注重它的大小；其实它并不是一个完美的天体——如果我们像中世纪的学者们那样，把完美定义为亮度均匀和毫无斑点的话。 在1610年将近年底的时候，伽利略用他的望远镜在黄昏的雾霭中观察太阳，结果每天都在日轮上看到深色的黑子。根据这些黑子横过太阳表面稳定前进，以及它们在接近太阳边缘的过程中缩短的情形，伽利略断定，这些黑子是太阳表面的一部分，同时推断，太阳在略多于25个地球日的时间内绕自己的轴自转一周。 当然，伽利略的发现遭到强烈的反对；因为根据古老的观念，这简直就是对神明的亵读。德国天文学家席纳尔也观察到了这些黑子，不过他认为，这些黑子并不是太阳的一部分，而是一些绕太阳旋转的小天体，只不过在明亮的日轮的衬托下显得较为黑暗而已，但是伽利略获得了这场争辩的胜利。 1747年，苏格兰天文学家威尔逊在靠近太阳边缘的地方看到了一个太阳黑子，当从侧面看的时候，有些内凹，仿佛是太阳上的一个火山口。这一点在1795年被W·赫歇耳所采纳。W·赫歇耳认为，太阳是一个既黑暗又寒冷的天体，被一层燃烧着的气体包围着。按照这一观点，太阳黑子则是一些洞，透过这些洞可以看到里面那个寒冷的天体。W·赫歇尔猜测，那个寒冷的天体上可能有一些有生命的东西居住着。（请注意，优秀的科学家也会提出一些鲁莽的理论，这些理论在当时的知识背景之下，似乎是合理的，但是随着日后更多证据的累积，终于被证明原来是非常荒唐的错误。） 实际上，太阳黑子并不真正是黑色的。它们是太阳表面上一些比较冷的区域，所以看上去显得比较暗。然而，如果水星或金星运行到地球和太阳之间的话，都会在日轮上显出一个真正的小黑圆圈。如果这个圆圈移动到一个太阳黑子附近，人们就会发现太阳黑子其实并不真正是黑色的。然而即使是完全错误的观点也会有用，因为W·赫歇耳的看法使人们增加了对太阳黑子的兴趣。 癖好天文学的德国药剂师施瓦贝在这个问题上却有了真正的突破。由于他白天整天工作，无法晚上熬夜来看星星，便设法给自己找一件白天能做的事，最后决定观察日轮，寻找接近太阳的行星，行星从太阳前面经过，可以证实这些行星的存在。 1825年，他开始观察太阳，因而经常看到太阳黑子。过了一段时间以后，他把行星的事丢到了脑后而开始描绘这些每天都改变位置和形状的太阳黑子。只要不是全阴天，他就天天观察太阳，一直坚持了17年之久。 到了1843年，他非常有把握地宣称，这些太阳黑子并不是随意出现的，而是有一个周期，年复一年，太阳黑子愈来愈多；一直达到一个顶峰；然后数量逐渐减少，直到几乎没有；于是一个新的周期再度开始。我们现在知道，这个周期有点不规则，但平均起来大约是11年。施瓦贝的发现并没有受到重视（毕竟，他只是个药剂师）；直到著名的科学家洪堡1851年在他的一部科学著作《宇宙》中提到这个周期之后；才为人们所接受。 此时，苏格兰血统的德国天文学家拉蒙特在测量地球的磁场强度。他发现地球磁场的强度有规律地上升和下降。1852年，美国物理学家赛宾指出，这个周期与太阳黑子的周期时间相合。 这样看来，太阳黑子对地球有影响，因而人们开始怀着浓厚的兴趣研究太阳黑子。每年都根据一个公式给出一个苏黎世太阳黑子数，这个公式是在苏黎世工作的瑞士天文学家沃尔夫1849年首先提出的。（他还率先指出，极光发生率的升降也与太阳黑子的周期合拍。） 太阳黑子似乎与太阳的磁场有关，并且似乎出现在磁力线的出射点上。1908年，在发现太阳黑子3个世纪之后，海耳探测到一个与太阳黑子相联系的强力磁场。太阳的磁场为什么会有那些表现，为什么会在不固定的时间和地点出现在太阳表面上，为什么其强度会随着某些不规则的周期而增减？这些问题到目前为止仍属于未能解决的太阳之谜。 1893年，美国天文学家蒙德为了建立伽利略发现太阳黑子后的第一个世纪中太阳黑子周期的资料，检查了所有早期的报告。他惊讶地发现，在1645年——1715年竟然没有有关太阳黑子的报告。诸如J·D·卡西尼等重要天文学家都寻找过太阳黑子，并对他们一个黑子也没有找到的事发表过评论。蒙德1894年将此发现予以公布，1922年再次公布，但是，他的工作没有受到重视。太阳黑子的周期已经被证实得如此充分，以致要说有一段70年的时间几乎没有太阳黑子出现，这似乎是难以令人相信的。 20世纪70年代，美国天文学家埃迪无意中发现了这份报告，经仔细检查，发现的确有所谓的蒙德极小期。他不仅重复了蒙德的研究，而且调查了从包括远东在内的许多地区收集来的用肉眼观测到的特大太阳黑子的报告——这些都是蒙德未得到的资料。这些纪录追溯到公元前5世纪，通常每个世纪有5～10次的观测记录。在这中间也有间断，其中一次间断跨越了蒙德极小期。 埃迪还检查了关于极光的报告。极光的频率和强度以太阳黑子的周期升降。结果表明，1715年以后这种报告很多，1645年以前也不少，但是在1645年——1715年却一份也没有。 再者，当太阳磁场活跃并有许多太阳黑子时，日冕会充满日冕射线而显得非常美丽。当缺乏太阳黑子时，日冕看起来像是毫无特色的烟雾。日冕在日食时可以看到；尽管在17世纪天文学家很少旅行去观察日食，但是，在蒙德极小期期间同样存在着日食报告，这样的报告讲的一律都是没有或很少有太阳黑子时的那一类日冕。 最后，在黑子极大期之时，会发生一连串的事件，使碳－14的产量比平常低。因此，可以分析树木年轮中碳14的含量，以碳14含量的升降来判断太阳黑子的极大期或极小期。这种分析也证明了蒙德极小期的存在，实际上，在更早的一些世纪中已有许多个蒙德极小期。 埃迪的报告指出，在最近的5000年内大约有12个周期，而每次蒙德极小期持续的时间从50年—200年不等。 例如，在1400年—1510年就有一个蒙德极小期。 既然太阳黑子的周期对地球有影响，我们或许会问，蒙德极小期对地球有什么影响？这个影响可以说与冷期有关。在17世纪的第一个10年当中，欧洲的冬天非常寒冷，以致被称为小冰河时期。在1400—l510年的蒙德极小期期间也很寒冷，当时格陵兰岛上的挪威移民都消失了，因为天气冷得简直无法生存。

一项对太阳在南北半球移动的反向带电磁场带的研究表明，即将到来的太阳黑子周期——第25周期——将是一个特别强烈的周期。这一结果与早先专家的预测相矛盾，之前专家预测这是一个疲弱的周期。

刚刚结束的太阳黑子周期为11年，也就是第24个周期，这是一个太阳活动明显较弱的周期。在2014年4月的周期高峰前后，太阳黑子数量明显减少，伴随的太阳耀斑和日冕物质抛射也会比最近的其他太阳周期少。据专家预测，今年9月宣布开始的第25个太阳活动周期也将是一个弱太阳黑子活动周期。

但是美国国家大气研究中心(NCAR)的科学家不同意这种说法。他们在2020年12月7日宣布了他们的预测，第25个太阳周期将是有记录以来最强的太阳周期之一。以下文章由劳拉·斯奈德撰写，最初发表于NCAR & UCAR新闻。经允许在此转载。

与官方预报(美国国家海洋和大气管理局的空间天气预报中心，美国政府提供空间天气预报、观察、警告和警报的官方来源)直接相反，由美国国家大气研究中心(NCAR)领导的一个科学家小组预测，今年秋天开始的太阳黑子活动周期可能是有记录以来最强的一次。

在2020年11月24日发表在同行评议期刊《太阳物理学》上的一篇新文章中，研究小组预测，太阳黑子周期的第25个周期将达到顶峰，最大的太阳黑子数量将在大约210到260之间，这将使这个新的周期跻身于观测到的为数不多的顶级周期之列。该小组预测太阳黑子峰值将达到115。

刚结束的太阳黑子的第24个周期，太阳黑子数量最大时达到116，由NASA和美国国家海洋与大气管理局（NOAA）召集的专家小组一致预测，太阳黑子的第25周期将会同样弱，专家组预测该周期太阳黑子数量的峰值为115。

如果由NCAR主导的新预测得到证实，它将为研究团队的非传统理论提供支持（详情可查阅过去十年针对此理论发表的一系列论文），即太阳具有重叠的22年期磁循环，它们相互作用产生了众所周知的为期11年的太阳黑子周期。 据研究作者所说，这个22年周期循环像发条一样重复，可能会成为最终准确预测黑子周期的时间和性质以及它们产生的许多其他影响的关键。

NCAR副主任斯科特·麦金托什（Scott McIntosh）是领导这项研究的太阳物理学家。 他说：

因为对驱动太阳黑子周期的机理缺乏基本的了解，所以科学家们一直致力于预测黑子周期的长短和强度。 如果我们的预测被证明是正确的，我们将有证据证明我们 探索 太阳内部磁场机制的框架是在正确的道路上。

这项新研究得到了国家科学基金会（NCAR的赞助方）和NASA的“星际生活”计划的支持。

第25个太阳周期开始于一声巨响：接下来会发生什么？

在麦金托什之前的工作中，他和他的同事利用对日冕亮点、太阳大气层中极紫外光的短暂闪烁的观测，勾勒出了一个长达22年的延长的太阳周期的轮廓。可以看到，这些亮点从太阳的高纬度向赤道行进，历时超过20年。当它们跨越中分纬度时，这些亮点正好与太阳黑子的活动出现相吻合。

麦金托什认为，亮点标记着环绕太阳的磁场带的行进。 当来自南北半球的磁场带（带有相反电荷的磁场）在赤道相遇时，它们会相消产生一个“终结带”事件。 麦金托什说，这组终结带是太阳22年周期的关键标记，因为它们标志一个磁周期的结束以及相应的黑子周期，并触发了下一个磁周期的开始。

当一组携带相反电荷的条带向赤道迁移大约一半时，在高纬度会出现另一组条带并开始自己的迁移。 尽管在高纬度出现这些条带的速度相对一致（每11年出现一次），但它们有时在越过中纬度时会变慢，这似乎会削弱即将到来的太阳周期强度。

这种情况的发生是因为减速行为增加了带相反电荷条带组的重叠和相互干扰的时间。减速行为通过适时产生终结带事件来延长当前的太阳周期，而再适时移出终结带则会消耗下一周期的黑子产生率。

该研究的合著者鲍勃·里蒙（Bob Leamon）是马里兰大学巴尔的摩分校的研究员。 他说：

当我们回顾长达270年的终结带事件观察记录时，我们发现终结带之间的时间越长，下一个周期就越弱。 相反，终结带之间的时间越短，下一个太阳周期越强。

过去，科学家很难看到这种相关性，因为他们惯常从相邻两个太阳极小期来测量太阳黑子周期的长度，但太阳极小期是通过平均事件而不是精确事件来定义的。在这项新研究中，研究人员对终结带进行了测量，这可以提高精度。

虽然终结带事件大约每11年发生一次，并标志着黑子周期的开始和结束，但终结带之间的时间可以有数年浮动。 例如，第4个黑子周期开始于1786年的终结带，终止于1801年的终结带，这是史无前例的两终结带相隔15年之久。 接下来的第5个黑子周期非常弱，其峰值只有82个黑子。 该周期也成为道尔顿极小期（ Dalton Grand Minimum ）的开始。

同样，第23个太阳黑子周期从1998年开始，直到13年后的2011年才结束，而即将结束的第24个太阳黑子周期也很弱，但该周期也很短，只有不到10年的时间，这是新研究乐观地预测第25个太阳黑子周期会很强的基础。 麦金托什说：

只要你在 历史 记录中确定了终结带，这种模式就会变得显而易见。 正如社群所预测的那样，对第25个太阳黑子周期疲弱的预测将完全偏离目前数据呈现给我们的一切依据。

概要：美国国家大气研究中心的科学家说，他们对在太阳南北半球移动的携带相反电荷的磁场带的研究表明，即将到来的太阳黑子周期（第25个周期）将是一个特别强的周期。 这一结果与先前专家预测的第25个周期（与周期24相似）将产生低于平常数量的黑子直接矛盾。

作者 ： EarthSky Voices

FY ：Astronomical volunteer team

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太阳黑子与气候预报太阳黑子活动对滇中地区气候演变特征的影响

本文由公众号 “ 把科学带回家 ” 提供

给孩子最好的科学教育

本文转载自公众号“环球科学ScientificAmerican”（ID：huanqiukexue）

撰文 Brian Owens

翻译 石小东

尽管科学发展是一个长期追求的目标，但研究工作通常是在较短时间内进行和完成的。然而，有些研究项目是不可操之过急的，例如研究人类寿命、地壳和太阳表面的变动情况，则需要花费几十年甚至上百年的时间。

本文列举了5个耗时漫长的科研项目，其中有些项目的数据积累工作已经持续了几个世纪，有的每年产生数百篇论文，而有一项研究每十年才能获得一个数据。

这些耗时漫长的实验往往会受到很多不利因素的影响，如资金不足和人员变动。尽管如此，实验开创者的远见卓识和继任者的耐心与奉献，使得这些研究项目没有半途荒废。

如果真如一项历时90年的人类寿命研究所显示的那样，坚持不懈这一品质预示着 健康 长寿，那么本文中所描述的科学家都能创造他们自己的记录了。

自从400多年前望远镜问世以来，天文学家就一直在记录太阳黑子的活动，伽利略作为其中的一员也记录下了他的观察结果。然而，早期的观察者既不知道出现在太阳表面的黑色斑块究竟是什么，也不了解产生太阳黑子的磁场。

直到1848年，瑞士天文学家鲁道夫·沃尔夫（Rudolf Wolf）在对太阳黑子进行了系统观察之后，开发出一个计算世界范围内黑子数量（即著名的沃尔夫相对数）并沿用至今的公式，人们对太阳黑子活动才有了进一步认识。沃尔夫相对数也叫太阳黑子相对数，是测量太阳活动随时间变化的一种方法。

2011年，弗雷德里克·克莱特（Frédéric Clette）成为比利时皇家天文台（Royal Observatory）太阳影响数据分析中心（Solar Influences Data Analysis Center）的负责人。为了研究太阳黑子活动，该中心搜集了自1700年以来，由500多名观察者在观察太阳表面时留下的照片和手绘资料。

美国斯坦福大学的太阳物理学家利夫·斯瓦加德（Leif Svalgaard）说，这些数据对于预测太阳黑子活动是非常珍贵的。太阳黑子活动的盛衰变化周期约为11年左右，太阳喷入太空的带电粒子流会影响地球上的卫星和电子设备。

详细的观察记录有助于研究人员了解到，为何太阳黑子活动会发生这样的周期性循环，并精确地预测激烈的太阳黑子活动。“研究持续的时间越长，就越能检验我们的理论，”斯瓦加德说。每年，大约有200篇论文引用太阳黑子活动的数据，所涉及的领域从太阳物理学延伸到地磁学、大气科学和气候科学。

每个月，比利时皇家天文台都要从大约90个太阳黑子观察者手里收集数据并进行核对，这些观察者中，有三分之二是业余爱好者，他们所使用的小型光学望远镜不比200年前就有的望远镜强多少。

尽管比利时皇家天文台的太阳影响数据分析中心是国际科学理事会（International Council for Science）认可的世界数据中心，但从未从后者那里获得过研究经费。克莱特除了上“夜班”时，是比利时皇家天文台的天文学家之外，他还和另外一位兼职人员负责太阳黑子数据库的维护工作。

尽管如此，克莱特认为，和数百年前的同行一起“工作”是一件令人陶醉的事。他说，虽然伽利略由于“忙于行星和其他事情”，导致其对太阳黑子活动的观察数据参差不齐，但伽利略所绘制的太阳黑子图，已然包含足够详细的信息，去揭示太阳黑子群的磁结构以及太阳偶极子的大小和倾斜度。“你可以从伽利略绘制的图像和现代绘制的太阳黑子图中，提取到完全一样的信息，”克莱特说。

更为重要的是，克莱特深深地被这些天文学前辈的远见卓识所吸引，因为他们忠实地记录所看到的一切，认为这些会对以后的研究有所帮助。他说，“这是科学研究的一个根本，那就是忠实地记录实验数据，而不去担心最后的结果如何。”

意大利南部的维苏威火山（Mount Vesuvius）虽然是一座活火山，但每隔几千年才会壮观地喷发一次，最近一次大喷发是在公元79年，这次喷发将庞贝城（Pompeii）埋葬在了火焰之中。

在此次喷发的大约3 800年之前，维苏威火山喷发产生的热气和岩石覆盖了如今的整个那不勒斯地区。维苏威火山观察站作为世界上最古老的火山研究站，自1841年起，便开始对这个不友好的目标进行观测，火山的每一次震动都被记录下来，以便预测即将到来的危险。

观测站坐落在维苏威火山一侧600米高的位置处。为了安全，观测站与火山顶有较远的距离，从而避开火山喷发产生的岩石碎片和岩浆流。现任维苏威火山观测站的负责人马赛罗·马蒂尼（Marcello Martini）说，“这个火山观测站的建立，塑造了火山学和地质学研究的雏形”。

观测站的第一任负责人马塞多尼奥·梅洛尼（Macedonio Melloni）在火山岩浆的磁特性方面做了开创性的工作，这对于后来的古地磁学研究（即研究地球磁场在岩石中的 历史 记录）至关重要。1856年，观测站的第二任负责人路易斯· 帕尔米耶里（Luigi Palmieri）发明了电磁地震仪，相比于早先的仪器，它对地面震动更加敏感，于是预测火山喷发成为可能。

在帕尔米耶里和随后的负责人的带领之下，维苏威火山观测站为很多火山喷发监测工具的开发做出了重要贡献。例如在20世纪早期，朱塞佩·麦卡利（Giuseppe Mercalli）制定的火山喷发强度划分标准一直沿用至今。

然而，检测站本身已经不再扮演原来的角色。“在早期阶段的研究中，尽可能地接近火山活动区域是非常重要的，但现在已经不需要这样做了，”美国罗德岛大学金斯顿分校的火山学家哈拉尔杜尔·斯古德森（Haraldur Sigurdsson）说。

如今，大部分的火山监测都是通过远程操作实现的，地面上的传感器收集数据后，将数据传到美国国家地球物理与火山学研究所（National Institute of Geophysics and Volcanology，位于那不勒斯）的实验室。1970年，原先的维苏威火山观测站被改建成一座博物馆。

除了提供科学理论之外，火山观测站的另外一个用途就是预测火山喷发，保护公众生命财产安全，比如观测站曾在1944年成功预测了火山喷发。

在那不勒斯的实验室里，科学家全天24小时值勤，他们除了密切监测西西里北部一个小岛上的斯特隆波里山（Mount Stromboli）之外，还监测那不勒斯西部的坎皮佛莱格瑞（Campi Flegrei）火山口和伊斯基亚岛（island of Ischia）。

但斯古德森认为，火山学的未来不是在已知的危险火山上安放传感器，而是在于星载雷达的使用，这样可以观察到地面上的所有变形，挑选出不在地质学家预期范围内的危险区域。他说：“我们的前进方向，应该是建立有着国际合作的火山监测系统，而不是局限于对某一座火山的监测，要在全球范围内全面、综合地看待火山研究问题。”

从事长期研究项目的科学家不仅要努力保持实验的完整性，还要尽力保证实验的相关性。安迪·麦克唐纳（Andy Macdonald）就是这种情况。2008年，他接手了一项农业实验，这是自1843年起就开始进行的一项研究：弄清楚矿物肥料和有机肥料对农作物产量的影响。

该项研究是由肥料大王约翰·劳斯（John Lawes）在其位于伦敦北部的洛桑庄园里发起的，实验测试了氮、磷、钾、钠、镁以及农家肥料对几种主要农作物产量的影响，研究的作物包括小麦、大麦、豆类和根块农作物。

现今在英国洛桑研究所（Rothamsted Research）负责“经典实验”的麦克唐纳说，“研究进行了二三十年之后，一些肥料的相对重要性就基本弄清楚了”。比如，氮肥的作用最大，其次是磷肥。

因此，为了适应农业实践的需要，实验会定期更新，测试新的想法。例如在1968年，自从研究开展之时农民就在种植的长杆谷类作物，被更高产的短杆谷类作物所取代。研究证实，新品种需要更多的肥料，因为它们要从土壤中吸取额外的养分，所以农民不得不去适应这种改变。

“洛桑是长期农业研究的鼻祖，”美国密歇根州立大学凯洛格生物站（W. K. Kellogg Biological Station）的负责人菲尔·罗伯森（Phil Robertson）说，凯洛格生物站是密歇根州立大学设立的一个长期农业研究站点。

罗伯森指出，具有连续性的数据资料是非常宝贵的。洛桑研究所不仅能够研究环境和生物的发展动态，例如土壤中的钙存储状况或者入侵物种的影响等，这些改变只有在较长的时间内才能明显地表现出来，与此同时，洛桑研究所也为一些短期的研究提供了平台，如土壤中硝酸盐的流失现象。

洛桑档案馆保存着自从实验开展以来收集的大约30万份植物和土壤样本。2003年，科学家从1843年收集的小麦样本中，提取到两种小麦病原体的DNA，揭示了工业二氧化硫的排放对哪种病原体的影响比较大。

让资助机构对这类长期研究项目保持兴趣并不太容易。洛桑研究所的研究经费来源包括政府拨款、捐赠以及劳斯在去世之前设立的信托基金。

“即使是在暂时没有突出研究成果的时期，投资者也必须致力于维护实验数据的连续性，”参与设立美国农业部长期农业生态系统研究网络（US Department of Agriculture’s Long Term Agro-Ecosystem Research network）的罗伯森说。

麦克唐纳和他的团队为他们所做的工作感到自豪。“我经常会回想起约翰·劳斯，”麦克唐纳说，“为了确保实验能够很好地传承给下一代，我深感责任重大。这些数据资料不是陈列在博物馆里的 历史 文物，而是当今科学界的组成部分。”

1921年，美国斯坦福大学的心理学家路易斯·特曼（Lewis Terman）通过其开发的斯坦福－比奈智商测试（Stanford–Binet IQ test），挑选出了在1900年和1925年间出生的1 500多名天才儿童，然后对他们进行跟踪调查。

这是世界上最长的纵向研究之一，也是历时最长的、深入研究人类发展的项目。在长达90多年的时间里，特曼对这些参与者的家庭生活、教育程度、兴趣爱好、个人能力以及个性品格进行了追踪调查。

特曼的“天才遗传研究”的目标之一，是为了反驳当时流行的一种假设：天才儿童的身体是羸弱的，他们缺乏社交能力并且发展不全面。然而，即便是依照当时的标准，该项研究的实验设计也存在诸多问题。

首先，特曼的样本选择方法具有很大的偶然性，测试的管理在很大程度上是基于教师的推荐信；其次，选择的样本缺乏代表性，其中超过90%是白人与中上阶层，特曼甚至让他自己的孩子报名参加测试；更有甚者，特曼为了使实验结果符合自己的预期，为实验参与者写推荐信，帮助其中的一些人进入斯坦福大学学习。

特曼的调查一直追踪儿童进入成年，研究结果显示，这些天才儿童和普通人一样 健康 ，并具有良好的 社会 适应能力，他们普遍都成长为事业有成、快乐的成年人。另外，随着调查项目的推进，研究人员也在努力地弥补实验中存在的一些缺陷和不足。

例如在上世纪80年代，美国哈佛大学医学院的心理学家乔治·瓦兰特（George Vaillant）就将特曼的数据，补充到自己的一项研究成人发展的长期项目上，并开始收集当年参与特曼那项研究的人的死亡证明。

通过分析这些实验记录，加利福尼亚大学河畔分校的心理学家霍华德·弗里德曼（Howard Friedman）总结出特曼研究最有意义的一项发现，即人的责任心——审慎、毅力和计划性，无论是在童年期还是成年期都是预测长寿的一个关键心理因素，具有良好责任心的人可延长6～7年的寿命。“如果没有长期的数据收集工作，这种联系是很难发现的”，弗里德曼说。

随着当代科学的发展，纵向研究也在与时俱进，斯坦福长寿中心（Stanford Center on Longevity）的负责人劳拉·卡斯坦森（Laura Carstensen）说。新加入的研究人员将会补充新的方法，同时也会修改或者摒弃那些他们认为不再有意义或者过时的一些做法。“例如，我们将采用完全不同于1900年的方式对 情感 健康 进行评估，”她说，“查看这些纵向数据，就像在书写一部心理学史”。

1961年，在澳大利亚昆士兰大学工作才两天的物理学家约翰·梅因斯通（John Mainstone）无意间发现了一个古怪的小实验，当时该实验已经在橱柜里悄悄地进行了34年。50年后，梅因斯通仍然照看着这个实验，并一直等着见证最激动人心的时刻。

这个沥青滴漏实验的开创者是该校的第一位物理学教授托马斯·帕内尔（Thomas Parnell），他想借此实验向学生证明，在冷却状态下很容易被锤子砸碎的沥青（一种黑焦油馏分）也可以像液体一样流经漏斗，从底部滴出。最后帕内尔成功了，每隔6到20年，就会有一滴沥青滴落，迄今为止已经滴下了9滴沥青，速度如此之慢，使其成为世界上最慢的滴漏。

严格地说，这个实验并不是一个科学发现的温床。在90年的时间里，此项研究只产生了一篇科学论文，该论文计算出沥青的黏性是水的2 300亿倍。此外，该实验在2005年赢得了 搞笑 诺贝尔奖（Ig Nobel prize）。

尽管如此，沥青滴漏实验仍然有一些尚待研究的问题。首先，从来没有人见过沥青是如何滴下的，记录实验过程的网络摄像头也没有将沥青下落的情景拍摄下来，所以没有人知道沥青滴和沥青块分离的时候究竟发生了什么。此外，可能还要花费数十年的时间来弄清楚天气、空调的使用以及大楼装修产生的震动，对沥青滴落速度所带来的影响。

梅因斯通认为，该实验的价值不在于它对科学的贡献，而在于对 历史 和文化的影响，它激起了雕刻家、诗人和作家对时间流逝和现代生活节奏的深刻思考。同时，它还让人联想到科学史和事物发展的恒久性。“无论世事如何变幻无常，沥青始终遵循着自己固有的规律，”梅因斯通说道。

漏斗中还剩有大量的沥青，在未来的150年里，它仍将无视世间纷扰，平静地准备迎接下一次滴落。2013年8月，梅因斯通因中风去世。幸运的是，他在去世前找到了沥青滴落实验的接手人，在他离开之后，他的年轻同事将会把这一实验继续下去。(在这篇文章发表之后的2013年7月11日，他们第一次拍到了沥青液滴的滴落。——编者注)

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