Wpływ promieniowania kosmicznego na zachmurzenie i temperaturę paradygmat w kosmoklimatologii

Transkrypt

1 Wpływ promieniowania kosmicznego na zachmurzenie i temperaturę paradygmat w kosmoklimatologii Jan Degirmendžić, Katedra Geografii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego

2 Układ prezentacji 1. Henrik Svensmark twórca hipotezy. 2. Charakterystyka promieniowania kosmicznego skład promieniowania związek z aktywnością Słońca. 3. Hipoteza Svensmarka w pigułce. 4. Rola chmur niskiego piętra w kształtowaniu temperatury. 5. Związki statystyczne między GCR a zachmurzeniem i temperaturą skala czasu kilkudniowa skala czasu kilkudziesięcioletnia skala czasu milenijna skala czasu geologiczna. 6. Fakty, które podważają wiarygodność hipotezy. 7. Eksperymenty CLOUD i SKY. 8. Dlaczego aktualny spadek aktywności Słońca może stanowić naturalny eksperyment, który zweryfikuje hipotezę Svensmarka? 9. Podsumowanie przesłanki za i przeciw hipotezie. Skrót GCR oznacza Galactic Cosmic Rays promieniowanie kosmiczne

3 Twórca hipotezy Henrik Svensmark Profesor Henrik Svensmark jest dyrektorem Centrum Badań Słońca i Klimatu (Center for Sun-Climate Research) na Politechnice w Kopenhadze. Fizyk znany z badań wpływu promieniowania kosmicznego na powstawanie chmur. Jego prace wywołały kontrowersje w temacie globalnego ocieplenia. Hipoteza Svensmarka ma mocne i słabe strony. Co roku pojawiają się kolejne artykuły, które dostarczają argumentów za oraz przeciw tej hipotezie. Ważne jest, że hipoteza Svensmarka skupia ogromną uwagę świata nauki! Liczba cytowań ( ): 1375; H indeks = 14; Najczęściej cytowany artykuł: 489 Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage - A missing link in solar-climate Relationships. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, t. 59, nr 11, 1997

4 Promieniowanie kosmiczne i jego związek z aktywnością Słońca Promieniowanie kosmiczne (GCR): cząstki wysokoenergetyczne (protony (90%), cząstki alfa (9%), elektrony (ok 1%) dochodzące do Ziemi z dalekiego kosmosu (supernowe). Promieniowanie pierwotne dochodzące z kosmosu generuje wtórne cząstki w kontakcie z atmosferą Ziemi, które nazywamy promieniowaniem wtórnym. GCR Wiatr słoneczny Zmiany w czasie GCR są odwrotnie proporcjonalne do poziomu aktywności Słońca źródło: Global Warming Awareness Blog:

5 Zmiany GCR odwrotnie proporcjonalne do aktywności Słońca Zmiany promieniowania kosmicznego oraz liczby plam na Słońcu wartości miesięczne źródło danych: Cosmic Ray Monitor in Kiel (GCRM) and NOAA's National Geophysical Data Center (NGDC)

6 Hipoteza Svensmarka w pigułce (wzrost intensywności promieniowania kosmicznego powoduje zwiększenie zachmurzenia) Słaby wiatr słoneczny silne GCR duże zachmurzenie, spadek temperatury Silny wiatr słoneczny słabe GCR małe zachmurzenie, cieplej źródło:

7 GCR chmury temperatura Wierzchołki chmur charakteryzuje wysokie albedo dlatego odbijają dużą część promieniowania słonecznego w kosmos, które, gdyby chmur nie było, ogrzałoby powierzchnię Ziemi. warto wiedzieć, że......chmury niskiego piętra pokrywają więcej niż 1/4 powierzchni Ziemi i wywołują silny efekt ochładzający w atmosferze Ziemi....zmiana o 2% pokrywy chmur niskich w 11-letnim cyklu słonecznym związana jest z wymuszeniem radiacyjnym ok. 1,2 W/m2....1,6 W/m2 przypisuje się łącznej ilości CO2 wyemitowanej przez człowieka. źródło: źródło: Astronomy & Geophysics Volume 48, Issue 1, pages , 25 JAN 2007 Houghton J T i in., 2001, Climate Change 2001: The Scientific Basis (Cambridge University Press)

8 Eksperymenty Natury skala czasowa kilkudniowa spadek GCR Dzień 0 największe spadki pokrywy chmur Porównywane są zmiany GCR i zachmurzenia, czyli pierwsze pochodne Spadek zachmurzenia źródło:

9 Eksperymenty Natury skala czasowa kilkudniowa Spadek Forbusha (w czasie kilku godzin) Ewolucja koncentracji aerozolu (lewy panel) i pokrywy chmur niskich (prawy panel) w sąsiedztwie 5 największych spadków Forbusha źródło: GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 36, L15101, 4 PP., 2009 Cosmic ray decreases affect atmospheric aerosols and clouds

10 Piętro wysokie Eksperymenty Natury skala czasu kilkudziesięcioletnia (korelacja GCR z chmurami niskiego piętra) Piętro niskie Piętro średnie Linia niebieska pokrywa chmur z bazy danych International Satellite Cloud Climatology Project. Linia czerwona miesięczne wartości GCR na stacji Huancayo źródło: źródło:astronomy & Geophysics, 2007, Cosmoclimatology: a new theory emerges Volume 48, Issue 1, pages , 25 JAN 2007

11 Eksperymenty Natury skala czasu kilkudziesięcioletnia. cd. (korelacja GCR z chmurami niskiego piętra utrzymuje się w dłuższym okresie) Linia niebieska pokrywa chmur z bazy danych International Satellite Cloud Climatology Project. Linia czerwona miesięczne wartości GCR na stacji Huancayo źródło: Astronomy & Geophysics Volume 48, Issue 1, pages , 25 JAN 2007

12 Problem 1 W latach silne GCR nie wywołało wzrostu zachmurzenia GCR obserwowane na stacji Kiel (Niemcy) i pokrywa chmur niskiego piętra W okresie ostatniego minimum aktywności Słońca (między cyklami 23 i 24 rok 2007 i 2008) zaobserwowano silne GCR (linia ciągła). Jednak zachmurzenie nie wzrosło ale pozostało na niskim poziomie! (linia przerywana) źródło: Ernest M. Agee, Kandace Kiefer i Emily Cornett Journal of Climate 2011 ; w druku, Relationship of Lower Troposphere Cloud Cover and Cosmic Rays: An Updated Perspective źródło: nasa, solar physics, marshall space flight center

13 Problem 2 Od lat 80. kiedy temperatura zaczęła intensywnie rosnąć nie obserwuje się spadku natężenia GCR Wzrost temperatury od lat 80-tych Wzrost GCR od lat 80-tych źródło: NASA p/graphs_v3/ GCR z różnych stacji: Pekin Climax Moskwa (+ trend) Moskwa średnia ruchoma 11-letnia źródło: opracowanie własne na podstawie danych z NGDC

14 Problem 2 odpowiedź Svensmarka GCR jest silnie skorelowane z temperaturą troposfery (a nie powierzchni Ziemi!) GCR (czerwona linia) i odchylenia temperatury troposfery ( hpa) (niebieska lina) źródło: Dolny panel temperatura po wyeliminowaniu wpływu El Nino, NAO, pyłów wulkanicznych oraz trendu 0,14K / dekadę

15 Eksperymenty Natury Skala czasu kilkaset lat Zmiany GCR (na podstawie 10Be z rdzenia lodowego Grenlandii) i przebieg temperatury na półkuli północnej źródło: Minima (maksima) w przebiegu GCR (10Be) odpowiadają okresom ciepła (chłodu)

16 Eksperymenty Natury Skala czasu milenijna Zmiany GCR w ostatnim milenium odzwierciedlone w koncentracji węgla 14C Ciepłe średniowiecze Mała epoka lodowa Minimum Sporera Odwrócona skala! źródło: Minima (maksima) w przebiegu GCR (14C) odpowiadają okresom ciepła (chłodu)

17 Eksperymenty Natury Skala czasu geologiczna Cykl GCR ~140 mln lat Cztery epoki ciepłe i chłodne w fanerozoiku wyrażone w kilkustopniowych zmianach temperatury powierzchni oceanu (czerwony). Cztery okresy zbliżenia ramion Mlecznej Drogi do Układu Słonecznego i związane z nimi wzrosty GCR (niebieski, odwrócona skala) Ramię Perseus Ordowik-Sylur Ramię Norma Karbon Ramię Scutum-Crux Jura wczesna Kreda Ramię Sagittarius-Carina Miocen i potem: Ramię Oriona pliocen-plejstocen Cztery epoki chłodu w okresie 550 mln lat pokrywały się z okresami przechodzenia w pobliżu Słońca ramion spiralnych Drogi Mlecznej. W ramionach galaktyki występuje więcej supernowych, w rezultacie GCR jest bardziej intensywne. źródło: Shaviv N., Veizer J., 2003, Celestial driver of Phanerozoik climate. GSA Today 13 (July) 4-10.

18 Problem 3 Anomalia Laschamp'a (wydarzyła tys. lat temu) Koncentracja izotopu 18O odzwierciedlająca warunki termiczne Koncentracja 10Be odzwierciedlająca natężenie GCR Epizod Laschamp'a był związany z zerowym polem magnetycznym Ziemi i zwiększonym GCR. Zwiększenie GCR nie spowodowało żadnej wyraźnej zmiany klimatu Wyjaśnienie Svensmarka Wzrost natężenia GCR związany był ze zwiększonym udziałem w GCR niskoenergetycznych cząstek, które reagują na zmiany ziemskiego pola magnetycznego. Te niskoenergetyczne cząstki nie powodują zwiększonej jonizacji w troposferze, w rezultacie nie mogą wywołać wzrostu zachmurzenia. źródło:

19 Eksperymenty symulujące wpływ GCR na powstawanie jąder kondensacji Eksperyment przeprowadzony w CERN w 2010 roku CLOUD Eksperyment CLOUD wskazuje na to, że GCR wpływa na zwiększenie koncentracji jąder kondensacji, ALE najefektywniej te procesy przebiegają w środkowej i górnej troposferze. Pytanie: Czy GCR wpływa na klimat pozostaje nadal bez odpowiedzi. źródło: źródło: Fabienne Marcastel / CERN

20 Eksperymenty symulujące wpływ GCR na powstawanie jąder kondensacji Eksperyment przeprowadzony przez zespół Svensmarka SKY Koncentracja aerozoli źródło: Astronomy & Geophysics, Volume 48, Issue 1, pages , 25 JAN 2007 Miony elektrony klasteryzacja aerozolu kwasu siarkowego CCN Po wzroście GCR najwyżej 1 dzień trwa wzrost liczby CCN, kilka dni po wzroście GCR tworzą się chmury. Stopień jonizacji CCN jądra kondensacji chmur źródło: Yu, Turco, 2000, Ultrafine aerosol formation via ion-mediated nucleation. Geophysical Research Letters 27 (6).

21 Niedaleka przyszłość odpowie na pytanie czy promieniowanie kosmiczne modyfikuje klimat (będzie to miało związek z malejącą aktywnością Słońca) Codzienna prasa internetowa donosi...

22 Słabnie pole magnetyczne Słońca Po roku 2020 pole magnetyczne Słońca obniży się do tak niskiego poziomu, że znikną plamy. źródło: M. Penn and W. Livingston, NSO/AURA, w druku, materiały Sympozjum IAU, nr 273.

23 Słabnie aktywność Słońca (maleje amplituda cyklu 11-letniego) Prognoza kolejnego (24) słabego cyklu 11-letniego źródło: Solar Cycle Progression presented by the NOAA/Space Weather Prediction Center

24 Czy grozi Nam kosmiczna zima? Aktualnie obserwowany spadek aktywności Słońca powoduje wzrost natężenia GCR, w wyniku powinniśmy zaobserwować wzrost zachmurzenia i spadek temperatury Jeżeli w nadchodzących dekadach globalna temperatura nie zacznie spadać, to będzie oznaczać, że CO2 silniej wpływa na klimat niż promieniowanie kosmiczne

25 Podsumowanie Istotne korelacje między GCR a zachmurzeniem i temperaturą w skali czasowej: dni, dziesiątek lat, milenium, geologicznej wskazują na prawdopodobny wpływ GCR na klimat Ziemi. Problemem do rozwiązania pozostaje fakt, iż aktualnie obserwowany wzrost GCR NIE jest związany ze wzrostem zachmurzenia

26 Dziękuję za uwagę

27 Warto prowadzić dalsze badania dotyczące wpływu GCR na klimat Odwrotność natężenia GCR Ciśnienie w centrum Wyżu Azjatyckiego Wzrost GCR jest synchroniczny ze spadkiem ciśnienia w centrum Wyżu Azjatyckiego (wzrost GCR zwiększenie zachmurzenia w piętrze niskim osłabienie wychładzania radiacyjnego (odwrotna zależność!) spadek ciśnienia źródło: opracowanie własne

28 Dygresja: Beryl-10 jako dane odzwierciedlające intensywność promieniowania kosmicznego r = 0,64

29 Eksperymenty nie potwierdziły związku GCR klimat A jedynie ogniwo w tym związku: jonizacja aerozole We were clear in the 2006 post that establishing a significant GCR/cloud/climate link would require the following steps (given that we have known that ionisation plays a role in nucleation for decades). One would need to demonstrate: that increased nucleation gives rise to increased numbers of (much larger) cloud condensation nuclei (CCN) and that even in the presence of other CCN, ionisation changes can make a noticeable difference to total CCN and even if there were more CCN, you would need to show that this actually changed cloud properties significantly, and that given that change in cloud properties, you would need to show that it had a significant effect on radiative forcing.

30

31 Hipoteza Svensmarka w pigułce (wzrost intensywności promieniowania kosmicznego powoduje zwiększenie zachmurzenia) Aktywność Słońca Wiatr słoneczny GCR Chmury niskiego poziomu Temperatura Źródło:

32 Słabnie aktywność Słońca (znikają prądy strumieniowe na Słońcu) W roku 2010 powinny pojawić się prądy strumieniowe w wysokich szerokościach heliograficznych związane z cyklem 25 (2019?-2030?). Nie pojawiły się! źródło:

33 Problem 2 Od lat 70. nie obserwuje się spadku natężenia GCR Zmiany GCR w różnych skalach czasu na podstawie 10Be (niebieski) i wiatru słonecznego z dziur koronalnych (granat) oraz npdst. odczytów z detektora Oulu (prawy panel) GCR zmalało w ostatnich 300 latach, GCR zmalało w XX wieku, również w pierwszej fazie ocieplenia klimatu obserwowano spadek GCR, problem pojawia się w II fazie ocieplenia (rok 1970-chwila obecna) kiedy to GCR przestało maleć, a temperatura globalna nadal rośnie. Astronomy & Geophysics, Volume 48, Issue 1, pages , 25 JAN 2007