WIELKIE MINIMA AKTYWNOŚCI SŁOŃCA. Paweł Rudawy Zakład Heliofizyki i Fizyki Kosmicznej Instytut Astronomiczny Uniwersytetu Wrocławskiego

Transkrypt

1 WIELKIE MINIMA AKTYWNOŚCI SŁOŃCA Paweł Rudawy Zakład Heliofizyki i Fizyki Kosmicznej Instytut Astronomiczny Uniwersytetu Wrocławskiego

2

3 NASZE SŁOŃCE ZUPEŁNIE PRZECIĘTNA GWIAZDA Temperatury słoneczne: - jądro Słońca K - fotosfera (powierzchnia) K - korona słoneczna K Gwiazda ciągu głównego: - typ widmowy: G2V - jasność: M bol =4.83 M vis = (M bol >85% gw. w Galaktyce) - wiek: 4.6*10 9 lat - średnica: km - moc: 3.85*10 26 W (L z = MW) - masa: 1.99*10 30 kg

4 WEWNĘTRZNA BUDOWA SŁOŃCA T cent =15.71 mln K, P cent = atm, cent =153.1 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

5 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!

6 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

7 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

8

9 ŚWIATŁO WIDZIALNE MAGNETOGRAM (LOS) SSVTT, LaPalma

10 ROZBŁYSKI SŁONECZNE CZYLI ARMAGEDON W OGRÓDKU E J

11 E J = 2.4 mld Mt TNT = lat NASA/SOHO 1 Mt TNT = 4, J EU = J/rok = Mt TNT

12 Model rozbłysku w pętli magnetycznej Here put a couple of figures from satellite Observations.

13 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

14

15 ERUPCJE PROTUBERANCJI SŁONECZNYCH

16 WL korona i tarcza

17 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

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

19 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).

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

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

22 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

23 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)

24 11-LETNI CYKL AKTYWNOŚCI SŁONECZNEJ

25 KRÓTKO-OKRESOWE, ROCZNE I 11-LETNIE ZMIANY STRUMIENIA ENERGII SŁONECZNEJ zmienność krótkookresowa zmienność średniookresowa (roczna) Klaus Froehlich stała słoneczna (~ 1366 Wm -2 ) nie jest ściśle stała 11-letni cykl zmienności Bolometryczny strumień Słońca zmienia się o ok. ±0.2%

26 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????

27 149.6 mln km Moc promieniowania (światłość) Słońca L = MW Moc docierająca do Ziemi L E = MW

28 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.

29 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]

30

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

32 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)

33 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

34 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

35 -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)

36 Miliony lat p.n.e. CIEPŁO ZIMNO ZLODOWACENIA Vaizer et al., 2000

37 MIĘDZYPLANETARNE POLE MAGNETYCZNE Struktura: - >> 1 -Spirala Archimedesa B (1 AU) = (1-37) 10-9 T średnio 4 nt Plazma w przestrzeni porusza się ścisle radialnie od Słońca, ale zachowuje moment pędu

38 HELIOSFERYCZNA WARSTWA PRĄDOWA (WARSTWA PARKERA) przejście przez warstwę prądową nachylnie - oś pola dipolowego nie jest równoległa do osi rotacji Słońca wygięcie oddziaływanie momentu kwadrupolowego słonecznego pola magnet.

39 Uproszczony schemat kaskady atmosferycznej kolizja rozpad antykorelacja strumienia promieniowania kosmicznego oraz liczb plamowych 14 N + n 14 C + p średnio: 2 atomy/cm 2 /s atmosferyczna synteza termonuklearna z udziałem O i N średnio: atomów/cm 2 /s fermiony bozony N atom p proton n neutron e + - pozytron miony hadrony - mion - pion - foton e - - elektron

40 Potencjał modulacyjny Φ Łańcuchy produkcji oraz depozycja 14 C oraz 10 Be T 1/2 C 14 = 5730 lat T 1/2 Be 10 = lat

41 WIELKIE MINIMA 1810 AC 40 l Dalton (-0.08% energ.) AC 80 l Maunder (typ I) (-0.25%) 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

42 WIELKIE MINIMA 1810 AC 40 l Dalton (-0.08% energ.) AC 80 l Maunder (typ I) (-0.25%) 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

43 Aktywność magnetyczna Słońca vs. produkcja 14 C

44 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

45 140 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

46 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)

47 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.

48 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)

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

50 Temperatury globalne WIELKIE MINIMA WIELKIE MAKSIMA SPADKI TEMPERATURY WYLICZONE DLA DWU MODELI AKTYWNOŚCI SŁOŃCA ORAZ Z DANYCH POMIAROWYCH DLA WIELKICH MINIMÓW Feuler & Rahmstrof, 2010

51 WIEKOWE ZMIANY TEMPERATURY JAKO WSKAŹNIK ZMIAN KLIMATU SKORELOWANYCH Z POZIOMEM AKTYWNOŚCI SŁOŃCA Gray et al. (2005) (Reid; 1999)

52 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

53 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

54 Wielkie minima nie oznaczają całkowitego przerwania procesu generacji pól magnetycznych Plamy słoneczne pojawiają się gdy pole magnetyczne przekracza Gs

55 LICZBY PLAMOWE (WOLFA) W LATACH CYKL 23 CYKL 24

56 JEDNA Z WIELU PROGNOZ KOLEJNEGO WIELKIEGO MINIMUM

57 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

58 SPODZIEWANE SKUTKI KOLEJNEGO WIELKIEGO MINIMUM AKTYWNOŚCI minimum 40-letnie C minimum 80-letnie C

59 SOL SOL OMNIA OMNIA REGIT

60 Źródła, transport i magazynowanie CO 2 na Ziemi: Czynniki zwiększające bilans CO 2 w systemie: zanik lasów = mld ton CO 2 rocznie spalanie = mld ton CO 2 rocznie atmosfera przechwytuje 2.5 mld ton CO 2 /rok oceny przechwytują 4.5 mld ton CO 2 /rok