Podnebne spremembe na Zemlji 6– Sončeva aktivnost in kozmični delci

Nazaj

Da se Sončeva aktivnost spreminja s časom, so znanstvenik ugotovili v 17. stoletju, takoj po odkritju teleskopa. Že Galileo Galilei je opisal temna območja na Sončevem površju in z njihovo pomočjo določil vrtilno dobo Sonca. Nemški astronom Heinrich Schwabe (1789-1875) je odkril, da se število Sončevih peg spreminja s povprečno periodo 11 let. Temu danes rečemo cikel Sončeve aktivnosti, Sončev cikel ali tudi Schwabov cikel.

Sončevi cikli se med sabo razlikujejo po dolžini in po njihovi jakosti – slednjo lahko merimo z maksimumom števila sončevih peg. Dolžina cikla sončeve aktivnosti je med 9.7 in 11.8 let, s povprečjem 11 let. Sončeve cikle sistemsko spremljamo od leta 1755. Takrat se je meseca februarja začel, čemur danes pravimo, sončev cikel 1[1]. Danes (leta 2022) se približujemo maksimumu sončevega cikla 25. Vsi cikli pa niso enako močni. Najbolj ekspliciten primer je leta 1976 odkril ameriški astronom John (Jack) Eddy (1931–2009) – namreč med letoma 1645 in 1715 na Soncu skorajda ni bilo peg. Temu obdobju danes rečemo Maunderjev minimum, po angleškem astronomu Walterju Maunderju (1851-1928).

Pozneje je nemški astronom Wolfgang Gleissberg (1903-1986) odkril Sončev cikel s periodo med 70 in 100 leti, ki mu danes pravimo Gleissbergov cikel.

Nekateri znanstveniki pa so našli indice še dveh daljših ciklov:

• Suess-de Vries-jev cikel je poimenovan po Hansu Suessu (1909–1993) in Hessel De Vrieus (1916–1959). Ta cikel naj bi imel povprečno dobo 208 let, pri čemer pa naj bi se ta spreminjala med 170 in 260 let.
• Hallstattski cikel, ki je poimenovan po hladnem obdobju v Evropi, naj bi trajal 2300 let, odkril pa ga je Ameriški astronom John (Jack) Eddy.

Med 11-letnim ciklom, ko je Sonce v maksimumu svoje aktivnosti, je na njegovem površju veliko peg. Takrat je tudi izsev Sonca za 0.1% (0,25W/m2) večji kot med minimumom. Leta 1801 je astronom William Herschel (1738-1822) opazil, da se cena pšenice zviša, ko so Sončeve pege maloštevilne. Podobno korelacijo s sončnimi pegami je pozneje našel francoski zgodovinar Emmanuel Le Roy Laudrie (1929-) in sicer za pridelek grozdja. Laudrie je opazil tudi antikorelacijo med datumi trgatev med leti 1370-1879 in pariškimi temperaturami med aprilom in septembrom. Zanimivo je, se da v teh podatkih ni opaziti vpliva Male ledene dobe, kar kaže na to, da ta pojav v Evropi ni imel večjega vpliva v poletnih mesecih.

Čeprav je spremenljivost skupnega Sončevega izseva med enegim enajstletnim cikla dokaj majhna, pa je lahko zelo velika v določenem delu Sončevega spektra. Na primer, izsev ultravijolične svetlobe se lahko spremeni za 100 %. Ta svetloba najbolj prizadene zgornje plasti Zemljine atmosfere. 1 % sprememba intenzivnosti ultravijoličnega sevanja med Sončevim maksimumom, povzroči povečanje koncentracije ozona v stratosferi za 1-2 %. To posledično nekoliko ogreje spodnje plasti stratosfere ter ojača stratosferske vetrove.

Če od začetka 17. stoletja Sončevo aktivnost merimo s številom Sončevih peg, pa se moramo za bolj zgodnja obdobja zanašati (spet) na izotope, predvsem na radioaktivna izotopa ¹⁴C in ¹⁰Be z razpolovno dobo 5370 let in 1,39 milijona let. Ta izotopa nastajata v zgornjih plasteh atmosfere zaradi kozmičnih delcev, visokoenergijskih delcev, ki izvirajo izven našega Osončja. Kozmični delci so dejansko jedra atomov, katerih kinetične energije lahko dosežejo nekaj sto megaelektronvoltov in pa celo nekaj gigaelektronvoltov.

¹⁴C in ¹⁰Be sčasoma prideta v tkiva živih bitij, kot so na primer drevesa. S pomočjo drevesnih obročev oziroma branik lahko določimo koncentracijo ¹⁴C za vsaj 1000 let nazaj. Ti podatki kažejo, da se je vsebnost izotopa ¹⁴C zniževala od začetka holocena pa do pred 1500 let. Ta trend se pripisuje dejstvu, da se je takrat jakost Zemljinega magnetnega polja zviševala. To ojačanje magnetnega polja se je začelo nekako pred 40.000 leti, ko je magnetno polje Zemlje za nekaj stoletij skorajda izginilo. Zemljino magnetno oz. geomagnetno polje namreč deluje kot ščit, ki odbija nabite delce, med njimi tudi kozmične delce. Močnejše polje v preteklosti pomeni, da je takrat manj kozmičnih delcev doseglo atmosfero, posledično pa je zato nastalo manj ogljika ¹⁴C.

Za vpogled v še bolj daljno zgodovino so nam na voljo vzorci fosilnega ¹⁴C iz polarnega ledu. V 80tih letih prejšnjega stoletja je astronom Minze Stuiver odkril, da je med Maunderjevim minimumom vsebnost ogljika ¹⁴C v fosilnem CO₂ močno narasla, kar je skladno z znižano aktivnostjo Sonca. Pozneje sta Willi Daansgard (1922-2011) in Hans Oeschger (1927-1998) za isto obdobje našla še podoben trend za ¹⁰Be. Stuiver je nato našel še druga povečanja prisotnosti ¹⁴C in sicer med Wolfovim minimumom (1280-1345) in Spőrerjevega minimuma (1420-1540). Dieter Schmidt pa je iz analiz ¹⁴C in ¹⁰Be ugotovil, da je do podobnih minimumov prišlo še med Oortovim minimumom (1040-1080) ter Daltonovim minimumom (1790-1820). Zadnji minimum se je zgodil med leti 1890-1910, pravimo pa mu Gleissbergov minimum. Treba je poudariti, da je sicer med temi minimumi Sončeva aktivnost bila zmanjšana, vendar niti približno tako, kot med Maunderjevega minimuma.

Povečana Sončeva aktivnost, ki pomeni zmanjšano vsebnost ¹⁴C in ¹⁰Be, pa je obstajala v srednjem veku med letoma 1100-1250 ter v 20. stoletju med leti 1960-1990.

Tudi cikli Sončeve aktivnosti z dolgimi periodami so bili odkriti na podlagi podatkov ¹⁴C in ¹⁰Be. Raimund Muscheler in sodelavci so odkrili, da je za Maunderjev, Sporerjev, Wolfov ter Oortov minimum kriv 208 letni Suess-de Viresov cikel, ki obstaja že vsaj 50.000 let.

Dokazi za spremenljivo Sončevo aktivnost v preteklosti prihajajo tudi s področja geologije. Michel Magny iz Laboratoire de Chrono-Environnement in Besanxon je leta 1993 pokazal, da so bile gladine jezer v Evropi višje, kar pomeni hladnejše in bolj vlažne pogoje, ko je bila vsebnost ¹⁴C višja (znižana aktivnost Sonca). To se je zgodilo med Maunderjevim in Sporerjevim minimumom ter med še eno kratko ledeno dobo okoli leta 750 pr. n. št. Časovni interval med to ledeno dobo ter Malo ledeno dobo je približno 2300 let, kar sovpada z dolžino Hallstattskega Sončevega cikla.

Čeprav mnogi znanstveniki še danes niso povsem prepričani o povezavi med Sončevo aktivnostjo ter globalno temperaturo ozračja, pa nekatera nova odkritja nakazujejo na neposredno povezavo med lokalnim podnebjem [4,5], gladino jezer[6] ter aktivnostjo Sonca.

Najbolj znana dogodka, ki sta se zgodila v zadnjih 1000 letih sta Srednjeveška topla doba ter Mala ledena doba, ki ju je preučeval Hubert Lamb. Med Malo ledeno dobo (Hubert jo je identificiral kot obdobje med 1430 in 1850 z najhladnejšim obdobjem med 1550-1700) je londonska Temza zamrznila 4 krat v 16. stoletju, 8 krat v 17. stoletju ter šest krat v 18. stoletju. Povprečna januarska temperatura v osrednji Angliji je bila takrat 2,5° C nižja od tiste v začetku 20. stoletja, se pa povprečna poletna temperatura ni spremenila v tem času. Druga zanimivist je, da se je Zalivski tok med leti 1780-1820 nahajal južneje v primerjavi z danes, in severno morje je bilo obsežneje prekrito z ledom.

Kljub temu so se med Malo ledeno dobo zgodila topla obdobja v 1630-tih, 1730-tih, 1770-tih in 1840-tih. Leta 1964 je Hubert objavil rezultate svoje raziskave, v kateri je prikazal potek 50 letnih povprečij temperature v osrednji Angliji od leta 900 do sredine 20. stoletja. Njegovi grafi so kazali na porast temperature od leta 900 do maksimuma, ki je trajal od 1140 do 1270, kar je Lamb poimenoval Zgodnja srednjeveška topla doba. Temu je sledila Mala ledena doba z nizkimi temperaturami leta 1470, med leti 1570-1670 in majhna toplejša obdobja leta 1520, med 1720-1870 ter po letu 1950.

Pozneje se je izkazalo, da je topla doba v srednjem veku bila lokalen pojav, saj dokazi zanjo obstajajo le v Evropi. Po drugi strani pa obstajajo dokazi, da so med Malo ledeno dobo nizke zimske temperature pestile tudi Kitajsko in Severno Ameriko, ne pa tudi tropskih območij.

V 21. stoletju je postalo jasno, da lahko Malo ledeno dobo razdelimo na dva dela[11]: Zgodnja mala ledena doba ali Srednjeveško hladno obdobje med letoma 1250 in 1550 ter glavna Mala ledena doba, ki je trajala od 1550 do 1850 z najhladnejšim obdobjem med 1750 do 1850. Začetek glavne faze Male ledene dobe je sovpadel z rastjo ledenikov v evropskih Alpah, rastjo ledu okoli Islandije ter povečano vlažnostjo v tropskih predelih Afrike.

Ker je glavna faza Male ledene dobe sovpadla z Maunderjevim minimumom, so nekateri znanstveniki takoj posumili na povezavo z aktivnostjo Sonca. Vseeno pa je treba dopustiti tudi druge vzroke[12]. Na primer v letih 1200, 1350 ter okoli 1700 in 1800 je izbruhnilo več velikih tropskih ognjenikov kot kadar koli med holocenom. Leta 1257 je npr. izbruhnil ognjenik Salamas na otoku Lombok, kar je bil eden največjih izbruhov holocena in je verjetno vzrok za hitri začetek Male ledene dobe. Med večjimi ognjeniki, ki so izbruhnili v 19. stoletju sta bila Tambora leta 1815 in Krakatau leta 1883, pri čemer leta 1883 nismo bili več v Mali ledeni dobi. Tambora je izbruhnil med Daltonovim minimumom, kar je potem vodilo do „leta brez poletja“, ko je zaradi nizkih temperatur ter prevelike količine dežja skoraj v celoti propadla žetev v zahodni Evropi.

Poglejmo za konec spodnji graf, ki prikazuje, kako se je globalna temperatura ozračja spreminjala zadnjih tisoč let. Tega so leta 1999 objavili Michael Mann in sodelavci[7]. Debela črna krivulja na grafu predstavlja temperaturo ozračja od leta 1000 pa do 1998, ki je povprečje med 40-letnimi intervali. Siva črtkana črta prikazuje trend med letoma 1000 in 1850. Vidimo lahko, da se je med tem obdobjem povprečna globalna tempeartura postopoma zmanjšala za približno 0,15° C, nato pa je od leta 1850 rasla. Med letoma 1850 in 1998 se je temperatura povečala kar za 1° C, kar se v splošnem pripisuje povečanju vsebnosti CO₂ v ozračju zaradi človeške dejavnosti.

Rezultati poznejših neodvisnih raziskav so v skladu z Mannovimi ugotovitvami, kar se lepo vidi na spodnji sliki, ki prikazuje različne rekonstrukcije temperature ozračja. Ta graf je objavil IPCC (The Intergovernmental Panel on Climate Change)[13] v svojem poročilu o podnebnih spremembah leta 2007. Vidimo lahko, da se je od leta 1850 globalna temperatura v povprečju povečala veliko bolj kot se je zmanjšala v prejšnjih 1000 letih skupaj, kar pomeni, da naravni pojavi najverjetneje niso razlog za to povečanje.

Znanstveniki danes lahko z matematičnimi modeli napovejo, kako se bo globalna temperatura ozračja spreminjala v prihodnosti. [14] so naredili tak model in napovedali, da bo leta 2100 temperatura za 4 do 5° C, višja, kot je bila leta 1900. Tudi če v prihodnosti res doživimo Sončev minimum, podoben Maunderjevemu (česar zaenkrat še ne vemo), pa bo njegov vpliv zelo majhen – največ kar lahko pričakujemo je, da bo zaradi tega temperatura ozračja narasla 0.3° C manj, kot sicer.

Literatura

1. Kane, R.P., Some implications using the group sunspot number reconstruction, Solar Physics, 2002, 205(2):383-401 Language: English. DOI: 10.1023/A:1014296529097
2. Friis-Christensen, F. and Lassen, L. (1991) Length of the solar cycle: an indicator of solar activity closely associated with climate. Science 254, 698–700.
3. Ogurtsov, M., Nagovitsyn, Y., Kocharov, G. et al. Long-Period Cycles of the Sun’s Activity Recorded in Direct Solar Data and Proxies. Solar Physics 211, 371–394 (2002). https://doi.org/10.1023/A:1022411209257
4. Steinhilber, F., Abreu, J.A., Beer, J., Brunner, I., Christl, M., Fischer, H., et al. (2012) 9,400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings. Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (16), 5967–5971.
5. Magny, M. (2007) West-Central Europe. In: Lake Level Studies, Encyclopedia of Quaternary Science. Elsevier, Berlin, pp. 1389–1399.
6. Moffa-S nchez, P., Born, A., Hall, I.R., Thornalley, D.J.R. and Barker, S. (2014) Solar forcing of North Atlantic surface temperature and salinity over the past millennium. Nature Geoscience 7, 275–278.
7. Mann, M.E., Bradley, R.S. and Hughes, M.K., 1999: Northern hemisphere temperatures during the past millennium: inferences, uncertainties, and limitations. Geophysical Research Letters, 26: 759–762.
8. The Discovery og global Warming, Hans Suess, https://history.aip.org/climate/xSuess.htm
9. Hubert Horace Lamb (1913-97), Nature, https://www.nature.com/articles/42156
10. Summerhayes, C.P. (2015). Medieval Warming, the Little Ice Age and the Sun. In Earth’s Climate Evolution, C.P. Summerhayes (Ed.). https://doi-org.pbidi.unam.mx:2443/10.1002/9781118897362.ch15
11. Steinhilber, F., Abreu, J.A., Beer, J., Brunner, I., Christl, M., Fischer, H., et al. (2012) 9,400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings. Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (16), 5967–5971.
12. D’Arrigo, R.,Wilson, R. and Tudhope,A. (2008) The impact of volcanic forcing on tropical temperatures during the past four centuries. Nature Geoscience 2, 51–56.
13. The Intergovernmental Panel on Climate Change, https://www.ipcc.ch/2007/
14. Feulner, G., and Rahmstorf, S. (2010), On the effect of a new grand minimum of solar activity on the future climate on Earth, Geophys. Res. Lett., 37, L05707, doi:10.1029/2010GL042710.