Od czasów Galileusza naukowcy śledzą pojawianie się plam na powierzchni Słońca, które są wskaźnikiem aktywności słonecznej. Zmiany aktywności powodują nie tylko częstsze, bądź rzadsze pojawianie się plam, ale także zmiany w ilości promieniowania docierającego ze Słońca do Ziemi i zmiany w ilości wiatru słonecznego, który do niej dociera. Pojawiło się więc pytanie, czy i jak zmiany aktywności słonecznej wpływają na zmiany klimatyczne na Ziemi.

Powstawanie plam słonecznych 

Plamy słoneczne są to obszary na powierzchni Słońca o temperaturze obniżonej o ok. 1000 K od temperatury otoczenia, fragmenty powierzchni gwiazdy o utrudnionym dopływie ciepła z wnętrza gwiazdy. Powstają one w wyniku koncentracji pola magnetycznego obracającego się Słońca. Obszary równikowe gwiazdy obracają się szybciej od obszarów okołobiegunowych, przez co linie pola magnetycznego ulegają skręcaniu. Gdy linie pola magnetycznego przebijają się przez powierzchnię gwiazdy, obserwujemy różne przejawy aktywności słonecznej: plamy słoneczne oraz rozbłyski i protuberancje, czyli olbrzymie erupcje rozrzedzonych gazów. Cykl zmian pola magnetycznego trwa około 11 lat.

Ułożenie linii pola magnetycznego Słońca w okolicach plam słonecznych.

Zwiększona liczba plam na Słońcu jest jednym z możliwych do obserwowania skutków większej aktywności słonecznej. Innym, znanym nam skutkiem tego zjawiska jest wzmożenie się wiatru słonecznego, strumienia cząstek wyrzucanych przez gwiazdę z prędkościami od 1000 do 3000 km/s. Gęstość wiatru słonecznego w pobliżu kuli ziemskiej osiąga od 10 do 100 cząstek na 1 cm3, powodując zmiany pola magnetycznego i zorze polarne.

Oddziaływanie wiatru słonecznego z atmosferą Ziemi

Wiatr słoneczny i promieniowanie kosmiczne reagują z atmosferą, jonizując gazy zawarte w jej górnych warstwach. Powstałe w wyniku tego procesu jony ułatwiają kondensację pary wodnej, są zarodkami skraplania. Powoduje to wzrost zachmurzenia. Tezę o wpływie wiatru słonecznego i promieniowania kosmicznego na wzrost zachmurzenia potwierdzają dane zebrane przez satelity:  Nimbus-7, DSMP, ISCCP-C2, ISCCP-D2.

T Wibig

Wykres przedstawia zestawienie danych z satelitów o zachmurzeniu (czarne punkty na wykresie), promieniowaniu kosmicznym, (czerwona linia) i promieniowaniu słonecznym (niebieska linia).

Skutki klimatyczne wzrostu zachmurzenia

Chmury nie są przezroczyste dla promieniowania podczerwonego. Można wyróżnić dwa skutki tej właściwości. Po pierwsze odbijają światło słoneczne i zmniejszają ilość promieniowania docierającego do Ziemi, a po drugie zatrzymują ciepło oddawane przez naszą planetę. Ten drugi skutek powoduje wzrost temperatury powietrza, dzięki czemu na Ziemi panują warunki, w których możliwe jest życie. Każdy z nas może zaobserwować, jak zmienia się temperatura powietrza w zależności od zachmurzenia. Nocą ziemia nie jest nagrzewana przez promieniowanie słoneczne i oddaje ciepło do atmosfery, kiedy nocne niebo jest zachmurzone, obserwowana temperatura powietrza jest wyższa, niż gdy niebo jest  bezchmurne.

Jednak pojawia się pytanie, czy chmury rzeczywiście przyczyniają się do podwyższenia temperatury na Ziemi? Z jednej strony powodują naturalny efekt cieplarniany, ale z drugiej strony odbijają część promieniowania słonecznego, co powoduje obniżenie temperatury powietrza. Okazuje się, że w zależności od rodzaju chmury, wzrost zachmurzenia inaczej wpływa na zmiany temperatury. Chmury piętra wysokiego takie jak np. Cirrusy przyczyniają się do podwyższenia temperatury powietrza, powstrzymując emisję ciepła do przestrzeni kosmicznej. Natomiast chmury piętra niskiego np. Stratocumulusy powodują ochłodzenie, odbijając część promieniowania słonecznego. Obecnie uważa się, że chmury w skali globalnej przyczyniają się do obniżenia temperatury.

Mała epoka lodowcowa a zmiany aktywności Słońca

Natężenie wiatru słonecznego wpływa na ilość węgla 14C powstającego w górnych piętrach atmosfery, który następnie jest pochłaniany przez rośliny. Jeśli aktywność słoneczna jest wysoka, wtedy w atmosferze powstaje mniej radioaktywnego izotopu węgla. Badając pnie drzew i porównując stężenia 14C w słojach, odpowiadających poszczególnym latom możemy uzupełnić dane dotyczące aktywności słonecznej w dalekiej przeszłości, np. w renesansie lub średniowieczu.

W latach 1570-1900 zaobserwowano znaczny spadek temperatury w Europie i całej północnej części Atlantyku, który nastąpił po średniowiecznej epoce ciepła. Wtedy średnia temperatura powietrza spadła w tym regionie o 1oC. Jest to czas, w którym występowało Minimum Maundera, czyli okres bardzo niskiej aktywności Słonecznej.

Wykres przedstawiający liczbę plam na Słońcu, a więc poziom aktywności słonecznej w latach 1600-1800.

Skutkiem niskiej aktywności Słońca, w górnych warstwach atmosfery powstawało mało zjonizowanych gazów, czyli ośrodków skraplania. W efekcie obserwowano mało chmur piętra wysokiego, które ograniczają ucieczkę ciepła oddawanego przez powierzchnię Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Długotrwałym efektem niskiej aktywności słonecznej, a co za tym idzie, mniejszego zachmurzenia było obserwowane w obniżenie średniej temperatury powietrza.

Cykliczne zmiany klimatu powodowane zmianami aktywności słonecznej

Dzięki obserwacjom satelitarnym wiemy, że ilość promieniowania słonecznego, docierającego do naszej planety, waha się w cyklu 11-letnim o około 0,1%. Ta zmienność powoduje globalne zmiany temperatury w troposferze o 0,5oC/1oC.  Podczas najsilniejszej aktywności Słońca obserwujemy najsilniejsze promieniowanie, a gdy aktywność jest najniższa, dociera do Ziemi najmniej promieniowania.

Biorąc pod uwagę oba efekty, czyli zmienny poziom zachmurzenia i zmienne natężenie promieniowania, postanowiono sprawdzić zależności pomiędzy zmianami temperatury powietrza na Ziemi a zmianami aktywności słonecznej. Wyniki badań wykazywały sporą zgodność obu zależności, zwłaszcza dla okresu sprzed roku 1950.

Zestawienie zmian temperatury, koncentracji CO2 w atmosferze i zmian temperatury.

Na powyższym wykresie przedstawiono zmiany temperatury powietrza na Ziemi i zmiany aktywności Słońca w ostatnich 150 latach. Wahania temperatury sprzed roku 1950 są silnie powiązane ze zmianami liczby plam na Słońcu, co widać na wykresie. Jednak od drugiej połowy XX wieku obserwujemy stały wzrost temperatury powietrza, niezwiązany ze zmianami aktywności Słońca. Na wykresie jednak widać silną zależność między obserwowaną zmianą temperatury i wzrostem koncentracji CO2 w atmosferze. Uważa się, że jest to kolejny czynnik wpływający na zmiany klimatyczne obserwowane na naszej planecie.

Wpływ cyklicznych zmian aktywności Słońca na klimat na Ziemi nie jest nam do końca znany. Zmiany temperatury powietrza z przeszłości, wydają się wręcz podążać za zmianami aktywności słonecznej. Obecnie obserwowany wzrost temperatury nie jest jednak z tym zjawiskiem bezpośrednio związany. Zmiany na Słońcu nie są jedynymi przyczynami zmian klimatu Ziemi, jednak ich wpływ jest bardzo wyraźny i bardzo złożony. Odpowiedź na pytanie, jak dokładnie zmiany na naszej gwieździe wpływają na zmiany klimatu, mogą przynieść nam wysyłane przez nas sondy takie jak SOHO i Solar Orbiter. Prawdopodobnie najbliższe lata przyniosą nam wiele nowych odkryć w tej dziedzinie.

Autor

Krystyna Syty