FIZYKA SŁOŃCA. oraz wpływ zjawisk słonecznych na klimat Ziemi

Transkrypt

1 FIZYKA SŁOŃCA oraz wpływ zjawisk słonecznych na klimat Ziemi Paweł Rudawy Zakład Heliofizyki i Fizyki Kosmicznej Instytut Astronomiczny Uniwersytetu Wrocławskiego

2

3 Wszechświat: wiek /-0.12 mld lat Obserwowalna część: średnica > 93 mld lat świetlnych (8.8*10 26 m) zawiera: supergromad galaktyk 10 mld wielkich galaktyk (np. Galaktyka) 400 mld małych galaktyk gęstość średnia materii: 9.9*10-30 g/cm3 4% materii, 23% ciemnej materii, 73% ciemnej energii Schemat otoczenia Galaktyki w promieniu 1 mld l.ś. (każdy punkt symbolizuje grupę galaktyk)

4 Tło: wielka galaktyka spiralna M31 SŁOŃCE Schemat Galaktyki widzianej z lotu ptaka Droga Mleczna nasza Galaktyka: średnica ok l.ś. grubość dysku ok l.ś. masa 5.8*10 11 MSł wiek > 13.2 mld lat (najstrarsza znana gwiazda) zawiera ok gwiazd (1-4*10 11 )

5 tarcza Słońca zdjęcie w świetle widzialnym SŁOŃCE JAKO GWIAZDA Temperatury słoneczne: - jądro Słońca K - fotosfera (powierzchnia) K - korona słoneczna K atmosfera Słońca EUV (daleki ultrafiolet) NASA/MSFC Podstawowe parametry fizyczna: - Typ: G2V (niezbyt gorący karzeł, gwiazda ciągu głównego) - Jasność: M bol =4.74 (trudno dostrzegalne nawet z najbliższych układów planetarnych) - Wiek: lat - Średnica: km - Moc: MW - Masa: kg (99.9% masy Układu Słonecznego czyli mas Ziemi) - System planetarny: wielo-elementowy NASA/SOHO

6 moc promieniowania nadolbrzymy Moce promieniowania (L) i temperatury powierzchniowe (T) gwiazd zależą głównie od ich masy i wieku. SUN ciąg główny Faulkes Telescope Educational Guide białe karły temperatura olbrzymy Wykres Hertzsprunga-Russella (wykres H-R) pokazuje uniwersalny związek pomiędzy mocą promieniowania a temperaturą powierzchniową gwiazd. Większość gwiazd (ok. 80%) w Galaktyce jest gwiazdami tzw. ciągu głównego na wykresie H-R. Słońce jest zupełnie typową gwiazdą ciągu głównego ~ 80% gwiazd Galaktyki jest podobne do Słońca ~ 5% gwiazd ciągu głównego ma układy planetarne

7 WEWNĘTRZNA BUDOWA SŁOŃCA T cent =15.5 mln K, P cent = atm, cent =153 g/cm 3 SKŁAD CHEMICZNY SŁOŃCA (wg. masy): wodór=73% hel=25% inne=2% Synteza termonuklearna w Słońcu Energia wytworzona w reakcjach termonuklearnych w jądrze jest transportowana ku fotosferze najpierw poprzez warstwę promienistą a następnie przez warstwę konwektywną. FOTOSFERA NASA/MSFC W każdej sekundzie w jądrze Słońca: ton wodoru jest przekształcane w hel ton materii jest przekształcane w energię E=mc 2

8 ENERGETYKA T cent =15.71 MK, P cent = atm, cent =153.1 g/cm 3 (Tucker-Chieze, 2001; Bechcall et al., 2005) H energia L 3.85*10 17 GW = 3.85*10 26 J/s c 3 *10 8 m/s M=E/c *10 26 / 9 *10 16 = 4.28*10 9 kg H He Dm = *10 9 kg / *10 9 kg

9 WL tarcza i korona

10 POWIERZCHNIA I ATMOSFERA SŁOŃCA VIS (WL & Hα), EUV i X (SXR) fotosfera ŚWIATŁO WIDZIALNE ~550 nm K chromosfera warstwa przejściowa HeII 30.4 nm K korona nm, K nm (H ) K FeIX-X, 17.1 nm K Słońce jest kulą plazmową o praktycznie nieokreślonym (100 AU?) promieniu!

11

12 Wszelkie przejawy aktywności słonecznej wywołane są przekształceniami lokalnych i globalnych pól magnetycznych MAGNETOGRAM (LOS) TRACE 17.1 nm FILTROGRAM NASA/SOHO/MDI NASA/TRACE Lokalna koncentracja struktur magnetycznych (emisja w X, UV, VIS, IR, R) formuje obszar aktywny korona fotosfera

13 rotacja różnicowa DYMANO SŁONECZNE przepływ południkowy ~11 LAT m/s warstwy podfotosferyczne pole magn. wmrożone w plazmę rotacja różnicowa + konwekcja przekształcają globalne pole poloidalne w pole toroidalne wypływające silne pola toroidalne tworzą bi-polarne obszary aktywne przepływ południkowy oraz wzajemna anihilacja pól obszarów aktywnych odbudowują w ciągu ok. 11 lat globalne pole poloidalne o przeciwnej biegunowości

14 rotacja różnicowa DYMANO SŁONECZNE przepływ południkowy ~11 LAT m/s rotacja różnicowa + konwekcja przekształcają globalne pole poloidalne w pole toroidalne wypływające silne pola toroidalne tworzą bi-polarne obszary aktywne przepływ południkowy oraz wzajemna anihilacja pól obszarów aktywnych odbudowują w ciągu ok. 11 lat globalne pole poloidalne o przeciwnej biegunowości

15 PĘTLE MAGNETYCZNE NAD OBSZAREM AKTYWNYM

16 PĘTLE MAGNETYCZNE NAD OBSZAREM AKTYWNYM

17 SSVTT, LaPalma

18 ŚWIATŁO WIDZIALNE MAGNETOGRAM (LOS) SSVTT, LaPalma

19

20 ROZBŁYSKI SŁONECZNE CZYLI ARMAGEDON W OGRÓDKU E J

21 = mld ton (GT) TNT = lat NASA/SOHO E typowy rozbłysk ~ J P ~ W (J/s) 1 Mt TNT = 4,2*10 15 J

22 = mld ton (GT) TNT = lat NASA/TRACE E typowy rozbłysk ~ J P ~ W (J/s) 1 Mt TNT = 4,2*10 15 J

23 JAK WYGLĄDA ROZBŁYSK SŁONECZNY? Rozbłyski słoneczne to złożony zespół zjawisk zachodzących w atmosferze słonecznej i na jego powierzchni spowodowanych gwałtownym wydzieleniem z pola magnetycznego energii rzędu J, z czego większość wydzielana jest podczas pierwszych kilku minut trwania zjawiska. Rozbłyski powodują lokalne podgrzanie plazmy słonecznej do temperatury wielu mln K. Rozbłyski są stowarzyszone z erupcjami protuberancji, falami uderzeniowymi, koronalnymi wyrzutami masy, emisją promieniowania w całym widmie e-m, wyrzutami obłoków cząstek naładowanych i plazmy.

24 X-ray jets (10/h) v>140km/s (mikro)aktywność w QS i CH struktura korony w obszarach około-biegunowych mikrorozbłyski w AR 26.X.2006 jasne punkty (bright points) grupy drobnych pętli drobna struktura pętli obszarów aktywnych fale uderzeniowe w X; v ~ km/s (M= )

25 X-ray jets (10/h) v>140km/s (mikro)aktywność w QS i CH struktura korony w obszarach około-biegunowych mikrorozbłyski w AR 26.X.2006 jasne punkty (bright points) grupy drobnych pętli drobna struktura pętli obszarów aktywnych fale uderzeniowe w X; v ~ km/s (M= )

26 ERUPCJE WIELKICH SYSTEMÓW MAGNETYCZNYCH (HMS) ZŁOŻONE ZESPOŁY ZJAWISK, OBEJMUJACE ROZBŁYSKI, ERUPCJE, CME SĄ MANIFESTACJAMI PRZEBUDOWY MAKRO-SYSTEMÓW PÓL MAGNETYCZNYCH (HMS) 1 h 1 h 50 m 3 h 30 m 0 h 30 m

27 ERUPCJE PROTUBERANCJI SŁONECZNYCH

28 0.6 MK 2 MK June 7, : 41 UT NOAA 11226/7 GOES M2

29

30 ERUPCJE WIELKICH SYSTEMÓW MAGNETYCZNYCH NASA/STEREO NASA/STEREO Erupcja wielkich systemów magnetycznych (HMS) obserwowane na tarczy i w koronie słonecznej. Na prawo: erupcja protuberancji i rozbłysk słoneczny. U góry: koronalny wyrzut materii (CME).

31 NASA/SDO KORONALNE WYRZUTY MATERII NASA/SOHO Upadek komety na Słońce.

32 NASA/SDO KORONALNE WYRZUTY MATERII NASA/SOHO 2-15 R s 4-24 (8-48 R s )

33 NASA/STEREO KORONALNE WYRZUTY MATERII NASA/SOHO Upadek komety na Słońce. V <3000 km/s M <10 12 kg

34 Korona słoneczna, prom. X 11-letni CYKL ZMIAN AKTYWNOŚCI SŁONECZNEJ maksimum aktywności słonecznej nieco większy strumień bolometryczny więcej słonecznych cząstek wysokoenergetycznych (SEP) mniej promieniowania kosmicznego liczby Wolfa Korona słoenczna, światło widzialne

35 11-LETNI CYKL AKTYWNOŚCI SŁONECZNEJ

36 Słońce 16 IX 2008 K1v CaII magnetogram H nm w latach wystąpiło głębokie minimum aktywności słonecznej 17.1 nm X

37 Słońce 02 IX nm cont. magnetogram magnetogram H nm 17.1 nm X

38 Słońce 02 IX nm cont. magnetogram magnetogram H nm 17.1 nm X

39 WIELKIE MINIMA AC 80 l Maunder (typ I) 10 Be 15-letni cykl (Brandenburg, 2007) AC 160 l Spoerer (typ II) AC 70 l Wolf AC 60 l AC 70 l 27 razem = 17% holocenu 14 C Wielkie minima i maksima aktywności słonecznej w okresie holocenu Yang et al., GJ 2000; Korte et al., EPSL 2005 WIELKIE MAKSIMA AC 80 l BC 40 l BC 20 i 19 razem = 19% holocenu Usoskin et al., A&A 2007

40 Okresowość aktywności słonecznej Schwabe 11 lat Gleissberg 88 lat WIELKIE MINIMA AC 80 l Maunder (typ I) 10 Be 15-letni cykl (Brandenburg, 2007) AC 160 l Spoerer (typ II) AC 70 l Wolf AC 60 l AC 70 l BC 60 l 27 total = 17% czasu De Vries 14 C Hallstatt 205 lat lat Wielkie minima i maksima aktywności słonecznej w okresie holocenu Yang et al., GJ 2000; Korte et al., EPSL 2005 WIELKIE MAKSIMA AC 80 l BC 40 l BC 20 i 19 total = 19% Słońce realizuje typowy cykl magnetyczny przez 75% czasu. Występowanie wielkich minimów i maksimów może być przypadkowe (chaotyczne) ale czas oczekiwania wydaję się nie być całkowicie przypadkowy. Wiarygodność prognozowania długoterminowego??? Usoskin et al., A&A 2007

41 30.4 nm 17.1 nm Stereo-A (ahead) Stereo-B (behind) 19.5 nm 28.4 nm

42

43 GĘSTOŚCI ATMOSFERY SŁONECZNEJ 1R s ~ FOTOSFERA 3*10-7 g/cm 3 = gęstości atmosfery ziemskiej 1.1 R s ~ KORONA 1.7*10-16 g/cm 3 = 3*10 14 cząstek/cm 3 = *10-14 ( ) gęstości atmosfery ziemskiej 1 AU ~ ORBITA ZIEMI 5 cząstek/cm 3 Korona słoneczna jest niestabilna hydrodynamicznie Tempo utraty masy: 10 9 kg/s (jako wiatr słoneczny) Formalnie atmosfera Słońca sięga do heliopauzy, ok. 100 AU od Słońca Tło: korona Słoneczna światło widzialne całkowite zaćmienie Słońca 1999

44 KORONALNE WYRZUTY MATERII

45 PROTONY, ELEKTRONY, CZĄSTKI CZYLI WIATR SŁONECZNY S S N Wiatr słoneczny ma strukturę sektorową

46 PROTONY, ELEKTRONY, CZĄSTKI CZYLI WIATR SŁONECZNY S S N -20% -13%

47 WIATR SŁONECZNY W POBLIŻU ZIEMI (1 AU) wolna szybka średnio składowa N (cm -3 ) V (km/s) F (erg/cm 2 /s) Te (10 5 K) T (10 5 K) B (nt) Statek kosmiczny Ziemia, osłonięty potężnym pancerzem magnetycznym, orbituje w gigantycznych, burzliwych strumieniach gorącej plazmy wiatru słonecznego.

48 WIATR SŁONECZNY ~1 AU składowa średnio powolna szybka N (cm-3) V (km/s) F (erg/cm2/s) Te (105 K) T (105 K) B (nt) 6 6 6

49 INTERAKCJE WIATRU SŁONECZNEGO Z ZIEMSKIM POLEM MAGNETYCZNYM Środowisko orbity geostacjonarnej: sporadyczne, niekiedy duże strumienie słonecznych e, p, uwięzione w magnetosferze silnie zmienne populacje e (~ 10 MeV), p (~ MeV) tło promieniowania kosmicznego (od MeV do relat.)

50 WSPANIAŁA REKLAMA ŚWIETLNA AKTYWNOŚCI SŁONECZNEJ - AURORA BOREALIS Owal zorzowy. typowa moc zorzy polarnej P=30 GW emisja tlenu: czerwona (100km asl) i zielona (400 km asl) emisja azotu: czerowna (95 km asl) i fioletowa (1000 km asl)

51 WSPANIAŁA REKLAMA ŚWIETLNA AKTYWNOŚCI SŁONECZNEJ - AURORA BOREALIS typowa moc zorzy polarnej P=30 GW emisja tlenu: czerwona (100km asl) i zielona (400 km asl) emisja azotu: czerowna (95 km asl) i fioletowa (1000 km asl)

52 CZĘSTOŚĆ ZAKŁÓCEŃ GEOFIZYCZNYCH Burza magnetyczna okresowe zakłócenie magnetosfery Ziemi spowodowane falą uderzeniową wiatru słonecznego uderzającą w magnetosferę 24 do 36 godzin po wyrzucie CME i/lub rozbłysku słonecznym.. University Corporation for Atmospheric Research Liczebność zjawisk geofizycznych w ciągu cyklu aktywności słonecznej (11 lat) Burze magnetyczne Strumienie cząstek Ekstremalne 4 <1 <1 Bardzo silne Silne Umiarkowane Zakłócenia radiowe Słabe NOAA Space Environment Center (SEC) ACE Solar Wind Data

53 149.6 mln km Moc promieniowania (światłość) Słońca L = MW Moc docierająca do Ziemi L E = MW

54 BUDŻET ENERGII ZIEMI Ziemia otrzymuje większość energii słonecznej poprzez promieniowanie widzialne Ziemia wypromieniowuje większość energii poprzez promieniowanie podczerwone Kiehl & Trenberth, 1997

55 BUDŻET ENERGII ZIEMI Średnia temperatura globalna bez GC: -18 C (255 K) Przyrost temperatury spowodowany GC: +33 C Średnia temperatura globalna: +15 C (288 K)

56 BUDŻET ENERGII ZIEMI Ziemia otrzymuje większość energii słonecznej poprzez promieniowanie widzialne Ziemia wypromieniowuje większość energii poprzez promieniowanie podczerwone Gazy cieplarniane: para wodna 60% CO 2 25% O 3 8% CH 4, NO x.. 7% Kiehl & Trenberth, 1997

57 A B C mld lat en.wikipedia.org Młode Słońce (wiek 0 ) było znacznie ciemniejsze (~70-75% obecnej mocy promieniowania) i mniejsze (80% obecnej średnicy) niż w wieku 4.6 mld lat. B B C A C A Faulkes Telescope Educational Guide EWOLUCJA SŁOŃCA MLD LAT

58 -3.5(?) mld lat? Paradoks młodego, ciemnego Słońca średnia globalna temperatura powierzchni? -650 mln lat Kasting and Catling, 2003 Annual Reviews -150 mln lat 0 (obecnie) Życie pojawiło się na Ziemi ponad 3.5 mld lat temu, ale w tym czasie Słońce świeciło znacznie słabiej (~75% mocy współczesnej), więc zakładając współczesne wartości albedo i skład chemiczny atmosfery ziemskiej, średnia temperatura powierzchni Ziemi powinna być niższa niż punkt zamarzania wody morskiej przez ~2.5 mld lat. (Sagan and Mullen, 1972)

59 Miliony lat p.n.e. ZMIANY KLIMATU W CIĄGU 500 MLN LAT CIEPŁO? ZIMNO ZLODOWACENIA Miliony lat p.n.e. Vaizer et al., 2000

60 GWAŁTOWNE ZMIANY KLIMATU EPOKI LODOWCOWE ~100 00O lat Δt~5-6 C NAGŁE ZMIANY ~10 lat Δt~8-16 C Alley et al., Science, 2003 Zmiany temperatury centralnej Grenlandii epizody: młodszy dryas (YD) i 8ka YD: Grenlanda spadek o 15 C, globalnie spadek od 5 do 7 C PETM: Grenlanda wzrost o 10 C, globalnie wzrost o 6 C

61 GWAŁTOWNE ZMIANY KLIMATU WYZWALACZ (AGC?) WZMACNIACZ EPIZOD TYPU PETM/YD Alley et al., Science, 2003 Zmiany temperatury centralnej Grenlandii epizody: młodszy dryas (YD) i 8ka YD: Grenlanda spadek o 15 C, globalnie spadek od 5 do 7 C PETM: Grenlanda wzrost o 10 C, globalnie wzrost o 6 C

62 140 lat Średnie roczne temperatury globalne pierwszy jednorodny pomiar temperatury dopiero od 1659!!! Półkula północna - słoje drzew (dendrochronologia) - rafy koralowe - lodowce 18 O/ 16 O, 2 H/ 1 H (w chłodniejsze lata trudniej parują molekuły zawierające ciężkie izotopy) 1000 lat Antarktyda, stacja Vostok -deuter ( 2 H) -CO 2 -CH lat

63 ZMIANY TEPERATURY NA PÓŁKULI PÓŁNOCNEJ X-XX PÓŁKULA PÓŁNOCNA TROPIKI (Mann, Science 2002)

64 Całkowita moc promieniowania Słońca zmienia się o ok. 0.1% (1.3 W/m²) w ramach cyklu 11-letniego plamy: <-0.3% pola pochodni: <+0.5% RSŁ < zmiany wiekowe: 0.1%/2000 lat????, 0.2%/300 lat????

65 Wygładzone (11 pkt.) roczne temperatury powietrza w Krakowie, Warszawie oraz na wybrzeżu Bałtyku (Przybylak, 2010) Wygładzone (31 pkt.) roczne temperatury powierzchni morza Bałtyckiego (56N, 18E) (Marsz i Styszyńska, 2010)

66 Zmiany pokrywy chmur niskich (ISCCP-D2 data) oraz promieniowania kosmicznego ZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY GLOBALNĄ TEMPERATURĄ A AKTYWNOŚCIĄ SŁONECZNĄ Gray et al. (2005) Temperatura półkuli północnej i insolacja w ciągu 400 lat (Reid; 1999) Średnia globalna temperatura powierzchni mórz (SST) i liczby Wolfa.

67 Zmiany pokrywy chmur niskich (ISCCP-D2 data) oraz promieniowania kosmicznego ZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY GLOBALNĄ TEMPERATURĄ A AKTYWNOŚCIĄ SŁONECZNĄ Zmiany wysokości warstwy 30 hpa - miara zmian temperatury na wysokości do 24 km (Hawaje) Gray et al. (2005) (Reid; 1999) Keigwin, 1994 Temperatura Morza Sargassowego

68 Zmiany pokrywy chmur niskich (ISCCP-D2 data) oraz promieniowania kosmicznego ZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY GLOBALNĄ TEMPERATURĄ A AKTYWNOŚCIĄ SŁONECZNĄ Zmiany wysokości warstwy 30 hpa - miara zmian temperatury na wysokości do 24 km (Hawaje) Gray et al. (2005) (Reid; 1999)

69 Zmiany pokrywy chmur niskich (ISCCP-D2 data) oraz promieniowania kosmicznego ZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY GLOBALNĄ TEMPERATURĄ A AKTYWNOŚCIĄ SŁONECZNĄ Gray et al. (2005) (Reid; 1999)

70 WIEKOWE ZMIANY TEMPERATURY JAKO WSKAŹNIK ZMIAN KLIMATU Gray et al. (2005) (Reid; 1999) Grudd, 2008 Temperatura letnia na płw. Skandynawskim

71 WIEKOWE ZMIANY TEMPERATURY JAKO WSKAŹNIK ZMIAN KLIMATU Gray et al. (2005) (Reid; 1999) Grudd, 2008 Temperatura letnia na płw. Skandynawskim (książnica PAN w Gdańsku)

72 CYKLE MILANKOWICZA ΔI 0.2% okresowości: 100,000 lat i lat

73 CYKLE MILANKOWICZA ΔI (nachylenie i precesja) ~ 15% T = okresowość: lat

74 CYKLE MILANKOWICZA ΔI (nachylenie i precesja) ~ 15% okresowości: lat i lat

75 CYKLE MILANKOWICZA Ekscentryczność orbity okresowość: dwa główne okresy lat i lat Odległość Ziemia-Słońce w lipcu (precesja) okresowości: i lat Nachylenie osi ziemskiej okresowość: lat Ziemia Okresowe zmiany orbity ziemskiej - tzw. cykle Milankowicza - są istotnym czynnikiem wpływającym na insolację.

76 Antarktyda, stacja Vostok -deuter ( 2 H), CO 2, CH 4 ZMIANY TEMPERATURY GLOBALNEJ I INSOLACJI NA 65 N lat δtsi= 25 Wm δtsi=110 Wm -2 Insolacja, 65 N [ lat]

77 ZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY GLOBALNĄ TEMPERATURĄ A CZYNNIKAMI WYMUSZAJĄCYMI ZMIANY Dotychczas zmiany temperatury globalnej były proporcjonalne do zmian insolacji i aktywności wulkanicznej, w XX wieku czynniki wywołane przez człowieka, w szczególności wzrost emisji gazów cieplarnianych, są czynnikiem dominującym. Haigh, Living Rev. Solar Phys., 2007), 2? 1-D Energy Balance Model sezonowe zmiany insolacji (lato do zimy): 8% wieloletnie zmiany stałej słonecznej: 0.2% 1% zmiana stałej słonecznej => 1K zmiana globalnej temperatury

78 Wymuszenie radiacyjne wielkość zmiany strumienia energii przechodzącej w postaci promieniowania przez granicę stratosfery i troposfery. Dodatnie wymuszenie radiacyjne (przewaga energii docierającej) prowadzi do grzania systemu. wymuszenie całkowite 3-D General Circulation Model wymuszenie naturalne

79 GWAŁTOWNE ZMIANY KLIMATU CZY CZYNNIKI ANTROPOGENICZNE MOGĄ WYWOŁAĆ KOLEJNE EPIZODY TYPU PETM/YD? Alley et al., Science, 2003 Zmiany temperatury centralnej Grenlandii epizody: młodszy dryas (YD) i 8ka YD: Grenlanda spadek o 15 C, globalnie spadek od 5 do 7 C PETM: Grenlanda wzrost o 10 C, globalnie wzrost o 6 C

80 Z PERSPEKTYWY ASTRONOMA + +?

81 SOL SOL OMNIA OMNIA REGIT