1 Wpływ aktywności słonecznej na klimat Ziemidr Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski Impreza wspierana przez projekt Fizyka kształcenie dla gospodarki opartej na wiedzy współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaO czym będzie mowa? Co wiemy o aktywności słonecznej? Monitoring aktywności słonecznej Mechanizmy oddziaływania Słońca na klimat Ziemi Pojęcie wymuszania radiacyjnego i zmiany bilansu energii systemu klimatycznego Hipoteza wpływu promieniowania kosmicznego na klimat Prosty model klimatu

3 Słonce -główne źródło energii na ZiemiMoc promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez fotosferę Słoneczną wynosi około 3.827×1026W Tylko niewielka część tego promieniowania dociera do górnych granic atmosfery. Przy średniej odległości Ziemi od Słońca (149.6×106 km) moc promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery wynosi około 1368 W/m2. Wielkość ta zwana jest stałą słoneczną.

4 Zmienność dopływu energii słonecznej do górnych granic atmosfery z szerokością geograficznąŚrednie dobowa wartość promieniowania słonecznego na szczycie atmosfery jako funkcja szerokości geograficznej i miesiąca. Linia przerywana oznacza szerokość geograficzną gdzie występuje górowanie Słońca (Hartmann, 1994).

5 Zmiany energii docierającej od Słońca do ZiemiCykl roczny 3.4% (98W/m2) związany ze zmianą odległości Ziemia-Słońce Zmiany aktywności słonecznej w cyklu 11 letnim wynoszą ok. 1.3 W/m2 co stanowi zaledwie ok. 0.1% stałej słonecznej Zmiany aktywności słonecznej w skalach dłuższych są słabo poznane ale prawdopodobnie nie są większe niż kilka W/m2.

6 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaAktywność słoneczna to zmiany zachodzące na powierzchni i w atmosferze Słońca Zmiany te powodują fluktuacje promieniowania emitowanego w postaci fal elektromagnetycznych oraz strumienia cząstek emitowanych przez Słońce (wiatr słoneczny). Do aktywności słonecznej zalicza się też zmiany w liczbie i rozmieszczeniu plam słonecznych oraz koronalnych wyrzutów masy. Ze zmianą pola magnetycznego Słońca wiążą się liczne zjawiska, które stanowią o aktywności słonecznej. Przejawia się ona w fotosferze w postaci plam i pochodni; w chromosferze jako rozbłyski i protuberancje; w koronie słonecznej jako rozbłyski i wyrzuty materii.

7 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaRys historyczny Pierwsze obserwacje przejawów aktywności słonecznej prowadzono około 800 lat. p.n.e w Chinach. Od 1610 r. astronomowie zaczęli używać teleskopów do obserwacji plam i ich przemieszczania się. W 1845 r. prof. Joseph Henry i prof. Stephen Alexander z Uniwersytetu w Princeton używając termopary zauważyli, że plamy słoneczne emitują mniej energii w porównaniu do obszarów ich otaczających. Ponadto odkryli obszary o wyższej emisyjności zwane flokule (flokuły) słoneczne. W 1843 r. niemiecki astronom amator Samuel Schwabe odkrył wzrost a następnie spadek rocznej liczby plam słonecznych. Sugerował, że cykl plam na Słońcu trwa 10 lat.

8 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaSzwajcarski astronom Rudolf Wolf używając badań swoich poprzedników zrekonstruował cykle słoneczne do 1745 r. W 1849 r. zdefiniował liczbę plam zwaną obecnie liczbą Wolfa R: R=k(10g+p) gdzie g to liczba grup plam, p - ilość plam, a k to wielkość, która umożliwia porównanie wyników uzyskanych przez obserwatorów dysponujących różniącymi się powiększeniem lunetami. Około 1852 r. czterej astronomowie zauważyli, że okres cyklu plam słonecznych był identyczny z okres zmian aktywności geomagnetycznej na Ziemi, dając początek badań tzw. "pogody kosmicznej".

9 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaCykle słoneczne Podstawowy 11 letni (9-12 letni cykl) w czasie którego liczba plam stopniowo rośnie a następnie dość szybko spada. 22 letni 87 letni – modulacja amplitudy cyklu 11 letniego inne…

10 Przejawy aktywności słonecznejflokule plamy słoneczne wyrzuty koronalne

11 Plamy słoneczne  Pole magnetyczne blokuje strumień ciepła PhotosphereQuiet Bright Spot Bright Quiet Sun Ring P U P Ring Sun B  Pole magnetyczne blokuje strumień ciepła Photosphere Convection Zone Heat Flux F

12 Flokule - model jasnej ścianyB B z  50 km F Tf  6200 K < 250 km

13 Współczesny monitoring aktywności słonecznejOd 1977 r. prowadzony za pomocą detektorów umieszczonych na satelitach Obserwacje naziemne - utrudnione przez zmienności własności optycznych atmosfery ale możliwe w stacjach wysokogórskich Rekonstrukcje historyczne – przy użyciu różnych technik paleoklimatycznych.

14 Misje satelitarne ACRIMSATTrzy misje satelitarne w latach 1980, 1991 i 1999 (ACRIMSAT I, II i III) ACRIM (Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor), pierwszy instrument satelitarny, który zaobserwował zmienność stałej słonczej na poziomie 0.1% w czasie jednego cyklu 11 letniego.

15 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

16 Pomiary satelitarne stałej słonecznej - SORCEOd 2003 The Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE). Pomiary promieniowania w zakresie (x-ray, UV VIS, NIRD, TSI), 1nm nm obejmującym 95% energii docierającej od Słońca SORCE wyposażony jest 4 instrumenty: instruments Spectral Irradiance Monitor (SIM), Solar Stellar Irradiance Comparison Experiment (SOLSTICE), Total Irradiance Monitor (TIM) XUV Photometer System (XPS).

17 Problem dryfu instrumentów satelitarnychGray et al., 2009

18 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaZmiany aktywności słonecznej w ostatnich 35 latach

19 Zmiany aktywności słonecznej w ostatnich 250 latach

20 Pomiary z powierzchni ziemi - metoda Langley’aMetoda Langley’a pozwala wyznaczyć spektralną stała słoneczną na podstawie pomiarów prowadzonych na powierzchni ziemi. Wymagania: Bezchmurne warunki blisko zachodu lub po wschodzie słońca Brak zmian czasowych własności optycznych atmosfery podczas kalibracji ok h Horyzontalna jednorodność Najlepsze do tego celu są obserwacje prowadzone wysoko w górach

21 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaRekonstrukcje zmian aktywność słonecznej Zmiany aktywności Słońca wpływają na wielkość strumienia cząstek promieniowania kosmicznego, wytwarzających w atmosferze promieniotwórczy węgiel 14C ( i 16Be) z azotu atmosferycznego i magazynowany potem przez rośliny. Skala tej zmienności wprowadza błąd w wynikach datowania radiowęglowego. Jeszcze większe zmiany powodują wahania natężenia ziemskiego pola magnetycznego, w skalach czasowych rzędu kilku tysięcy lat. Z wyników badań radiowęglowych wynikałoby, iż w ciągu ostatnich 8000 lat było 18 minimów.

22 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaSzacowanie zmienności strumienia promieniowania słonecznego na podstawie liczby plam słonecznych Badania aktywności geomegetycznej, aktywności zórz polarnych czy izotopów powstających wskutek promieniowania kosmicznego wskazują na dodatkową zmienność aktywności słonecznej, która nie jest odzwierciedlona w ilości plam słonecznych. Niemal wszystkie minima słoneczne charakteryzują się zerową lub niemal zerową ilością plam na Słońcu podczas gdy inne wskaźniki aktywności słonecznej pokazują, że Słońce nie powraca do tego samego poziomu aktywności.

23 Porównanie rekonstrukcji stałej słonecznej za ostatnie 400 lat.

24 Mechanizmy oddziaływania aktywności słonecznej na klimatPoprzez zmianę bilansu energetycznego całego systemu klimatycznego Poprzez zmiany promieniowania UV i struktury termicznej stratosfery Poprzez oddziaływanie na wysokie warstwy atmosfery Oddziaływanie promieniowania kosmicznego na atmosferę (chmury)

25 Bilans promieniowania słonecznego oraz ziemskiego atmosferze (Trenberth, K.E., J.T. Fasullo, and J. Kiehl, 2009).

26 Krzysztof Markowicz [email protected]Ziemia i atmosfera jest w stanie quasi równowagi klimatycznej określonej przez energie dostarczaną przez Słońce oraz emitowaną przez Ziemie w kosmos. Zmiany klimatu związane są z zaburzeniami bilansu energii w układzie Ziemia-Atmosfera Zasadniczą kwestią w badaniach zmian klimatu są obserwacje składowych bilansu energii oraz studia procesów prowadzących do zmiany stanu równowagi termodynamicznej w tym wymuszania radiacyjnego. Krzysztof Markowicz 3/26/2017

27 Krzysztof Markowicz [email protected]Wymuszenie radiacyjne wymuszenie FTOA(Fo, Ro, Teff, T) Fo stałą słoneczna Fo/4 TeffσT4 Ro /4 W stanie równowagi: R- planetarne albedo 3/26/2017 Krzysztof Markowicz

28 Zaburzenia prowadzące do zmian klimatycznych.Gray et al., 2009

29 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaWymuszanie radiacyjne związane aktywnością słoneczną w ostatnich 160 latach. Dla porównania wymuszanie radiacyjne związane z działalności człowieka wzrosło od roku 1750 do dziś o ok. 1.6 W/m2

30 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaRekonstrukcja wymuszania radiacyjnego dla ostatniego milenium, Bard et al., (2000) Uwagi: Nie ma konsensusu wśród naukowców co do skalowania zmian czasowych stałej słonecznej. Lean et al., 2002 i Foukal et al., 2004 amplituda zmian stałej słonecznej jest mniejsza.

31 Czy wymuszanie radiacyjne Słońca może zmieniać temperaturę na Ziemi?Zmiana temperatury powierzchni ziemi Ts związana z wymuszanie radiacyjnym ΔF dana jest wzorem (po ustaleniu nowego stanu równowagi) gdzie α oznacza współczynnik wrażliwości klimatu. Współczynnik ten jest bardzo trudny do określenia i szacuje się, że wynosi K/W/m2. Zakładając wymuszenie radiacyjne na poziomie 0.2 W/m2 dostajemy zmianę temperatury o ok. 0.1 K. Wyznaczona zmiana temperatury na poziomie 0.1 K w ciągu jednego cyklu wyznaczona została przy założeniu „natychmiastowej” odpowiedzi systemu klimatycznego na zaburzenie

32 Opóźnienie systemu klimatycznego w dochodzeniu do nowego stanu równowagi. System klimatyczny składający się z atmosfery, hydrosfery, kriosfery, biosfery i litosfery wykazuje dużą bezwładność. Stała czasowa takiego systemu jest szacowana w dziesiątkach lat. Zaburzenia takiego systemu mające skalę 11 lat charakteryzują się niewielką odpowiedzą w systemie. 11 letni cykl słoneczny nie jest w stanie efektywnie pobudzać systemu klimatycznego (jesteśmy daleko od rezonansu)

33 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaPrzykład Rozważmy model aktywności słonecznej o sinusoidalnej oscylacji 11 letniej z amplitudą wymuszania radiacyjnego 0.24 W/m2. Pomijamy tutaj uproszczony model matematyczny ziemi będącej jednym wielkim oceanem. Temperatura równowagowa zaznaczona jest cienką linią przerywaną, zaś rzeczywista odpowiedz systemu grubą linią przerywaną.

34 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaZauważmy, że wyznaczone z naszego prostego modelu zmiany temperatury są znacznie mniejsze (około 20%) niż zmiany związane ze stanem równowagi. Wynika to z faktu, iż wymuszenie radiacyjne zmienia się zbyt szybko dla bezwładnego systemu klimatycznego Stąd też wynika przesuniecie w fazie pomiędzy wymuszeniem a odpowiedzią systemu klimatycznego. Tak, więc wpływ 11 cyklu słonecznego jest prawdopodobnie znacznie mniejszy niż wynika to z wartości wymuszenia radiacyjnego. Zmiany aktywność słonecznej w dłużej skali czasowej mogą odgrywać większe znaczenie ze względu na dłuższy okres czasowy wymuszenia oraz większa amplitudę w porównaniu do cyklu 11 letniego.

35 Wpływ długookresowych zmian aktywności słonecznej na klimat – minimum MaunderaMinimum plam słoneczny w latach pokrywa się częściowo z okresem zwanym małą epoką lodową Naukowcy próbują powiązać oba fakty

36 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaMinimum Maundera Najnowsze oszacowania stałej słonecznej dla tego okresu mówią o jej redukcji o jedynie 1.3 0.3 W/m2 w stosunku do współczesnego poziomu. Tym samy trudno jedynie zmianami całkowitej ilości energii docierającej od Słońca wytłumaczyć niższe temperatury w okresie małej epoki lodowej. Być może inne mechanizmy spowodowały spadek temperatury

37 Mechanizmy odpowiedzi systemu klimatycznego na małe zaburzeniaOdpowiedz systemu na zmiany promieniowania słonecznego a) zmiany bilansu energii b) zmiany w stratosferze i górnych warstwach atmosfery przez promieniowanie UV Odpowiedz systemu na energetyczne cząstki a) wiatr słoneczny b) Promieniowanie galaktyczne (kosmiczne) i wiatr międzygwiezdny

38 Zmienność widma promieniowania słonecznegoNajwiększe zmiany w natężaniu promieniowania słonecznego występują w zakresie UV. W zakresie nm to ok. 1.5% pomiędzy min i max cyklu 11 letniego. Dla fal ok. 200 nm zmiana ta wynosi już 6%, zaś dla 100 nm prawie 100%, Podczas minimum Maundera promieniowanie UV był mniejsze o ok. 4.3% niż obecnie. W zakresie promieniowania X zmiany te sięgają 2 rzędów wielkość (w ciągu 11 lat) Leon 1991

39 Zmiany w wysokiej atmosferzeZmiany temperatury związane z pochłanianiem promieniowania o długości 100 nm w egzosferze ( km) sięgają 1000K! W stratosferze wynoszą już tylko ok. 2K w tropikalnej atmosferze na wysokości 50 km oraz km. Ogrzewanie stratosfery w czasie wysokiej aktywności słonecznej związane jest ze wzrostem UV oraz sprzężenie zwrotnym z ozonem, który powoduje pochłanianie tego promieniowania. Z oczywistych względów zmiany w stratosferze są wstanie wpływać na warunki panującej w dolnej troposferze. Wpływ wyższych warstw atmosfery na klimat panujący przy powierzchni ziemi jest ciągle mało poznany ale prawdopodobnie jest niewielki.

40 Odpowiedź stratosferyW stratosferze panuje równowaga radiacyjna to znaczy, że temperatura powietrza określona jest przez bilans promieniowania (promieniowanie jest jedynym źródłem energii). W troposferze dodatkowe źródła energii stanowi konwekcyjny transport ciepła odczuwalnego oraz utajonego. Równowaga radiacyjna ustala się w stratosferze relatywnie szybko bo w okresie ok. 2-4 miesięcy. Tym samym stratosfera może efektywnie odpowiadać na zaburzenia na Słońcu. Zróżnicowanie promieniowania UV w zależności od szerokości geograficznej prowadzi do kontrastów termicznych i zmian w cyrkulacji stratosferycznej.

41 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaZmiany temperatury stratosfery i zawartości ozonu pomiędzy fazą maksymalną i minimalną

42 Zmiany wiatru strefowego pomiędzy fazą maksymalną i minimalną

43 Wpływ na QBO (quasi-biennial oscillation)QBO to cyklicznie zmiany wiatru strefowego w tropikalnej dolnej stratosferze z okresem miesięcy propagujące się z górnej stratosfery do tropopuzy gdzie zaburzenie ulega dyssypacji.

44 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaAktywność słoneczna wpływa na długość cyklu QBO. Zachodnia faza QBO jest istotnie dłuższa podczas wysokiej aktywności słonecznej niż podczas małej aktywności. Podczas QBO-W pole geopotencjału rośnie ze wzrost aktywności słonecznej Podczas QBO–E jest na odwrót. Tym samym aktywność słoneczna oddziaływuje na intensywność QBO oraz na tzw. wir polarny.

45 Wpływ aktywność słonecznej na troposferę w tropikachZmiany temperatury w górnej troposferze północnej półkuli sięgają K Zauważono silniejsza cyrkulację Handleya w czasie wysokiej aktywności słonecznej oraz przesuwanie się na północ tropikalnego prądu strumieniowego.

46 Intensyfikacja cyrkulacji Hadleya

47 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaCyrkulacja Walkera Ostatnie badania pokazują również intensyfikację cyrkulacji Walkera podczas wysokiej aktywności słonecznej. Tym samym cyrkulacja Hadleya na zachodnim Pacyfiku zwiększa się zaś na wschodnim słabnie podczas maksimum aktywności słonecznej.

48 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacjaAnomalie temperatury i opadów podczas maksimum aktywności słonecznej

49 Zmiany w szerokościach umiarkowanych i wysokich(a) zmiany ciśnienia atmosferycznego (linie) oraz temperatury (skala kolorów) (b) te same anomalie związane z NOA (oscylacją północnoatlantycką)

50 Oscylacja północno atlantycka NAO

51 Związek aktywności słonecznej z indeksem NAO

52 Symulacje klimatyczneSymulacja klimatyczna odpowiedzi systemu na zaburzenie związane ze wzrostem promieniowania słonecznego ukazuje znaczące ocieplenie w obszarach polarnych pól. N i ochłodzenie w rejonach polarnych pół. S. Prawdopodobnie dość skomplikowany mechanizm sprzężeń zwrotnych odpowiada za taki stan rzeczy. Symulacje modelami klimatu pokazują oddziaływanie aktywności słonecznej na indeks NAO. NOA odpowiada na zaburzenie po bardzo długim okresie czasu (ok lat).

53 Propagacja długookresowych zaburzeń - hipotezaWzrost aktywność słonecznej niemal natychmiastowo zwiększa cyrkulacje Walkera i konwekcje w północnej ITCZ Powolny transport anomalnie ciepłych wód tropikalnych oceanu spokojnego poprzez cyrkulację podzwrotnikowe do północnego Pacyfiku w okresie kilku dziesięcioleci. Po ustąpieniu zaburzenia słonecznego anomalia SST zanika w rejonie równika po około latach Co prowadzi do południkowego gradientu SST w tropikach i przesuwania się ITCZ na północ. Prowadzi to do wzrostu konwekcji w północnych rejonie tropikalnym oceanu spokojnego co powoduje dodatni ą anomalię ciśnienia na północnym Pacyfiku. Ta anomalia propaguje się za pośrednictwem prądu strumieniowego na ocean Atlantycki powodując ok. 40 letnie opóźnienie w stosunku do zaburzenia słonecznego.

54 Mechanizmy oddziaływania Słońca na NOA

55 Wpływ wiatru słonecznego i promieniowania kosmicznegoWiatr słoneczny powoduje: jonizację tlenu i azotu w górnej atmosferze. powstające cząsteczki NOx przyczyniają się do niszczenia warstwy ozonowej Promieniowanie kosmiczne: hipoteza wpływu na zachmurzenie niskich chmur

56 [email protected] www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

57 Hipoteza oddziaływania promieniowania kosmicznego na chmurypromieniowanie kosmiczne powoduje jonizację, która przyczynia się to wzrostu nukleacji aerozolu część aerozolu stanowi jądra kondesacji CCN, które tworzą chmury teoretycznie, wzrost promieniowania kosmicznego może prowadzić do wzrostu zachmurzenia nie ma co do tego konsensusu naukowego. Mechanizm ten jest słabo poznany. E. J. Snow-Kropla et al. 2011 Wg wielu naukowców badania Marsha i Svensmarka [2003] nie mają potwierdzenia w pomiarach.

58 Antykorelacja promieniowania kosmicznego z promieniowaniem słonecznym

59 Korelacja zachmurzenia z promieniowaniem kosmicznymNaciągane dane Marsh i Svensmarka z 2003

60 Oddziaływanie słońca na system klimatyczny Podsumowanie