Wpływ Słońca na temperatury na Ziemi – wywiad z Valentiną Zharkovą

Wpływ Słońca na temperatury na Ziemi – wywiad z Valentiną Zharkovą

 

Stuart McNish: Cykl Słońca wkracza w fazę zwaną minimum aktywności słonecznej lub minimum Maundera. Jest to faza, w której aktywność energetyczna Słońca, powodująca rozbłyski słoneczne oraz plamy czy plam słonecznych, spada.

Jest to zjawisko normalne, które często jest łączone z okresem tzw. małej epoki lodowcowej, która trwała ponad 50 lat a swój początek miała w pierwszej połowie XVII wieku. Jak możemy wyczytać na witrynie spaceweather.com, od 2015 r. liczba dni bez odnotowanych przypadków pojawienia się plam na Słońcu z roku na rok wzrasta.

NOAA, NASA oraz inne organizacje są jak się wydaje zgodne co do tego, że Słońce wkracza w fazę minimum aktywności. Co oznacza, że jest to problem do dyskusji. Ponieważ jak odpowiedział prof. William Hopper, gdy spytałem o rosnąca liczbę osób oraz różnorakich instytucji sugerujących, że minimum słoneczne może prowadzić do okresu ochłodzenia klimatu, odwołał się do duńskiego powiedzenia, że “przewidywanie jest bardzo trudną sztuką, zwłaszcza jeśli idzie o przyszłość”.

Innymi słowy, należy być ostrożnym w interpretowaniu tego zjawiska. Mówi się, że matematyka potrafi identyfikować prawidłowości, i przy wsparciu dowodami empirycznymi tworzyć model predykcyjne. Skontaktowaliśmy się z prof. matematyki Valentiną Zharkovą z Northumbria University, która jest jedną z pierwszych osób, które zwróciły naszą uwagę na spadki aktywności Słońca, w celu przeprowadzenia rozmowy na temat tej gwiazdy [Słońca], jej obniżonej aktywności oraz przewidywań pani prof. odnośnie wpływu tego zjawiska na przyszłe temperatury na Ziemi.

Conversations that matter (pl. Rozmowy, które mają znaczenie) to program realizowany w przy współpracy z Centrum Dialogu Uniwersytetu Simona Frasera. Program ten powstał dzięki podmiotom niżej wymienionym oraz naszym widzom.

Zachęcamy do wspierania nas. Więcej informacji na stronie www.conversationsthatmatter.tv

 

Bezpieczeństwo rozpylanego aluminium – dr David Keith, Dane Wigington

Stuart McNish: Dzień dobry z Vancouver.

Valentina Zharkova: Dzień dobry.

Stuart McNish: Zanim zaczniemy, czy mogłabyś powiedzieć moim widzom, czym się dokładnie zajmujesz w zakresie tematyki cykli słonecznych, które cechują aktywność Słońca, następnie omówmy fazę Słońca, w której obecnie się znajdujemy oraz jakie są Twoje predykcje odnośnie przyszłej aktywności na powierzchni Słońca.

Valentina Zharkova: Dobrze. Z wykształcenia jestem matematykiem stosowanym. Posiadam dyplomy z matematyki i fizyki, matematyka stosowana i fizyka. Doktorat zrobiłam z fizyki Słońca. Przeszłam powoli od matematyka do fizyka zajmującego się Słońcem. Tematem aktywności Słońca zaczęłam się zajmować w roku 2002, kiedy wygraliśmy grant europejski w ramach programu European Grid of Solar Observations (EGSO) wraz z 10 innymi partnerami, 8 z Europy oraz 2 z Ameryki, w ramach którego wykonywaliśmy projekt zautomatyzowanego identyfikowania wzorców na zdjęciach Słońca, tworząc olbrzymią bazę danych odnośnie różnych parametrów Słońca, plam słonecznych, regionów aktywności, itd.

W ciągu 3 lat stworzyliśmy taką bogatą bazę danych i w ten właśnie sposób rozszerzyliśmy naszą aktywność na obszar badawczy dotyczący aktywności słonecznej. Wcześniej prowadziliśmy badania w akceleratorach cząsteczek, nad zjawiskami transportu w plamach słonecznych, czy badania z zakresu spektroskopii Słońca. Od roku 2002 zaczęliśmy się zajmować bardziej ogólnie aktywnością Słońca, kiedy przyjęliśmy hipotezę, że skoro jesteśmy w stanie zautomatyzować detekcję plam na Słońcu, to może będziemy w stanie udoskonalić indeks aktywność słonecznej, definiowany na podstawie liczby plam słonecznych.

Uznaliśmy, że posiadamy wszystkie informacje, uzyskane na podstawie cyfrowych, zdjęć, pozwalające na wygenerowanie znacznie lepszych modeli wyjaśniających i tym samym formułowanie bardziej trafnych prognoz. Gdy zaczęliśmy statystycznie analizować zgromadzone dane, odkryliśmy, że posiadamy wszystkie dane, jakieś 20 różnych parametrów każdego najmniejszego artefaktu, jak plamy słoneczne, wszystko, czego byśmy sobie życzyli.

Wyprowadziliśmy na podstawie tych danych wszelkie prawa fizyki z tego obszaru, jak prawo Hale’a, prawo Joy’a, zmiany polaryzacji Słońca wraz ze zmianą nachylenia osi, ale nie udało nam się wypracować skutecznej metody prognozowania długoterminowego.

W tym okresie, w latach 2006 i 2007 rozpoczęła się ciekawość w tym obszarze. My zaczęliśmy poszukiwać innych wskaźników aproksymujących. W ten właśnie sposób zaangażowaliśmy się w badania aktywności słonecznej. Tak więc ogólnym badaniem aktywności słonecznej zajmuję się od 2002 aż do teraz, czyli jakieś 17 lat.

Jednakże okres ten można podzielić na różne fazy. Jeśli się nie mylę, przełom nastąpił w 2008 r., kiedy odkryliśmy, że pola magnetyczne wewnątrz plam słonecznych korelują lub raczej antykorelują z natężeniem pola magnetycznego całego Słońca.

To było bardzo ciekawe odkrycie, ponieważ taka wiedza pozwalała nam na analizę pola magnetycznego całego Słońca, na temat którego mamy znacznie więcej danych. Mamy obraz całego dysku Słońca, pokrytego polem magnetycznym, które możemy podzielić na pasma wyodrębniając konkretne szerokości heliograficzne i analizować pole magnetyczne na każdej z tych szerokości.

Taka analiza dostarcza znaczenie więcej informacji, niż analiza malutkich plam słonecznych, niekiedy od kilka rzędów wielkości. W ten sposób pozyskaliśmy nieco więcej informacji, co, jak mieliśmy nadzieję, poprawi trafność naszych prognoz.

W 2008 r. opublikowaliśmy artykuł na ten temat. Następnie zdecydowaliśmy, że na podstawie danych odnośnie pola magnetycznego Słońca przeprowadzimy analizę metodą głównych składowych.

Stuart McNish: Czyli jeśli dobrze rozumiem, w przypadku Słońca mamy do czynienia z 3 polami magnetycznymi.

Valentina Zharkova: Tak. Słońce posiada obszary podobne do oceanu, na Ziemi oceany to woda, a w przypadku Słońca jest to pole magnetyczne [tła]. W polu tym występują pętle pola magnetycznego, stanowiące część tego oceanu, osadzone w nim, a miejsca występowania tych pętli obserwujemy [z Ziemi] w postaci plam słonecznych. Plamy słoneczne to właśnie baza tych pętli magnetycznych, które wychodzą poza fotosferę Słońca, a osadzone na jego powierzchni.

Stuart McNish: Na podstawie materiałów, które zdążyłaś już wcześniej nam przekazać, jeśli dobrze zrozumiałem, stopień aktywności tych pół magnetycznych zmienia się i to w sposób cykliczny, i cykle te determinują obserwowaną aktywność plam słonecznych.

Valentina Zharkova: Te cykle aktywności słonecznej są w pierwszej kolejności definiowane obecnością plam słonecznych. W fazie minimum aktywności, plam słonecznych występuje niewiele lub nie ma ich w ogóle.

W fazie maksimum natomiast tych plam obserwuje się dużo, niekiedy nawet bardzo dużo, a następnie przy przejściu do kolejnego minimum liczba ta znów maleje. Wcześniej mieliśmy do dyspozycji wyłącznie dane w postaci obserwowanych plam słonecznych, ale ponieważ jak już wcześnie mówiłam, prowadziliśmy zautomatyzowane gromadzenie danych i analizę, co pozwoliło nam na pozyskanie również informacji odnośnie pola magnetycznego plam słonecznych, czego nikt wcześniej nie dokonał.

Postanowiliśmy porównać pola magnetyczne grup plam słonecznych do ogólnego pola magnetycznego całego Słońca. Odkryliśmy, że pola te są w przeciwfazie. Tzn. jeśli polaryzacja grup plam słonecznych jest w kierunku północnym, to pole magnetyczne tła Słońca jest spolaryzowane w kierunku bieguna magnetycznego południowego.

Jak się okazało, niemiecki naukowiec o nazwisku Stix już w roku 1976 dokonał tego odkrycia. Zauważył on, że te pola są w antyfazie. Wykonał on mnóstwo pomiarów i pokazał, że istnieje różnica faz o wartości 11 lat pomiędzy polami magnetycznymi plam słonecznych, a regionem aktywnym.

To nam dodało motywacji, ponieważ to, co nam udało się zidentyfikować, zostało także zaobserwowane wcześniej przez osoby badające pole magnetyczne Słońca. Dokonaliśmy także analizy korelacji pomiędzy aktywnością plam i pola magnetycznego Słońca i odkryliśmy, że istnieje wysoki wskaźnik korelacji pomiędzy tymi fenomenami oraz ich cykliczność o dwu i półrocznym okresie.

Wtedy jeszcze zajmowaliśmy się analiza zjawisk w ramach tych cykli 11-rocznych. Ten cykl z okresem wynoszącym 11 lat, można go nawet określić jako cykl 22-letni, ponieważ polaryzacja pola zmienia się co 11 lat, a powrót do poprzedniej polaryzacji wymaga dwóch takich okresów, w każdej z półkul powrót do wyjściowej polaryzacji wymaga tyle właśnie czasu.

Stuart McNish: Czyli wraz z tymi spadkami i wzrostami obserwujemy zmiany nasilania aktywności plam słonecznych, zgadza się?

Valentina Zharkova: Tak, dokładnie.

Stuart McNish: Czyli jeśli dobrze rozumiem, niekiedy obserwujemy wzrost aktywności plam na Słońcu w postaci koronalnego wyrzutu masy lub rozbłysku słonecznego, w zależności od kryteriów opisu efektów tej wzmożonej aktywności, te erupcje powodują, że Słońce, emituje dodatkowe promieniowanie do Układu Słonecznego.

Valentina Zharkova: Otóż to pole, zwane często poloidalnym polem magnetycznym, czyli ten nasz ocean, w którym zanurzone są te pętle magnetyczne, zwane polem poloidalnym, te pętle są wyrzucane i także są źródłem pola magnetycznego, które jest określane mianem toroidalnego pola magnetycznego.

Pętle te przedostają się na powierzchnię i nie działoby się nic takiego, gdyby nie rotacja różnicowa Słońca. Rotacja Słońca na równiku jest szybsza, niż rotacja na szerokościach bliższych biegunom.

Pętle te nie podążają dokładnie za rotacją, a raczej skręcają się i są nieco opóźnione względem Słońca. W uproszczeniu, skręcają się i tworzą pola toroidalne, co powoduje wzrost aktywności Słońca oraz liczby plam słonecznych i w konsekwencji, jak już wspomniałeś, zjawiska koronalnego wyrzutu masy, rozbłysków i emisji promieniowania.

Dzieje się tak dlatego, że te pętle na powierzchni są podtrzymywane przez Słońce, skręcają się wzajemnie na siebie oddziałując, te interakcje są podobne do spięć linii elektrycznych. Generują mnóstwo energii, ponieważ takie interakcje powodują wyładowania i emisję promieniowania do przestrzeni kosmicznej, a więc również w kierunku Ziemi.

Stuart McNish: Czyli jak rozumiem, w jądrze Słońca temperatura wynosi ok. 17 mln stopni Celsjusza, a w przypadku fotosfery jest to jakieś 5800 st. Celsjusza. To mniej więcej się zgadza?

Valentina Zharkova: Tak, średnia temperatura Słońca wynosi ok. 6000 st. Celsjusza.

Stuart McNish: I utrzymuje stale tę wartość, zgadza się?

Valentina Zharkova: Ściśle rzecz biorąc, nie do końca. W jądrze Słońca, gdzie zachodzą reakcje fuzji jądrowej, mamy do czynienia ze strefą silnego promieniowania, które to promieniowanie dociera aż do strefy konwektywnej.

Dolna warstwa strefy konwekcyjnej to miejsce, gdzie wspomniane pętle, które później stają się plamami, są formowane w wyniku procesów opisywanych w ramach teorii dynama magnetohydrodynamicznego.

Wpływ Słońca na temperatury na Ziemi

 

Temperatura Słońca się zmienia wraz z przechodzeniem przez tę strefę promieniowania, tak więc temperatury w strefie konwektywnej będą niższe, niż te 17 mln st. C, wprawdzie nie tak bardzo, jak na powierzchni, ale znacząco niższe.

Pętle tworzące się w dolnej warstwie strefy konwektywnej zaczynają przemieszczać się ku powierzchni w czasie od ok. 5,5 do 6 lat. Cała obserwowana aktywność w fazie maksimum jest w istocie zapoczątkowana w dolnej warstwie strefy konwektywnej już w poprzednie fazie minimum.

Pętle te generowane są już wcześniej, po czym przez koleje 5 czy 6 lat przemieszczają się ku powierzchni, po czym już na powierzchni zostają skręcone i rozrywane przez rotację różnicową Słońca.

Stuart McNish: W jakiej obecnie znajdujemy się fazie aktywności Słońca co to oznacza w kontekście ilości energii docierającej ze Słońca na Ziemię, oraz w jakim stopniu będzie to miało wpływ na zmianę temperatur na Ziemi. Pytam, ponieważ słyszy się różne wyjaśnienia odnośnie relacji pomiędzy aktywnością Słońca a temperaturami na Ziemi.

Valentina Zharkova: Tak. W przypadku wzrostu aktywności Słońca, jeśli przyjrzeć się zmianom temperatur na Ziemi, są one skorelowane ze zmianą aktywności Słońca.

W maksimum aktywności obserwuje się małe wzrosty temperatur na Ziemi, a w fazie minimum obserwuje się spadki. Zmiany te blisko podążają za 11-letnim cyklem aktywności Słońca. Zdecydowanie możemy mówić o…

Stuart McNish: Ale jest jednak pewne opóźnienie względem tego cyklu?

Valentina Zharkova: Tak, to nie jest liniowa współzależność, te zmiany nie mają takiej prostej zależności. Jeśli do Ziemi dociera więcej energii i ciepła, to procesy zachodzące na Ziemi na ten nadmiar ciepła będą musiały zareagować. To jest naturalna reakcja. To, z czym mamy do czynienia w przypadku tego “wielkiego minimum” aktywności, tak jak w przypadku minimum Maundera, mamy do czynienia z dwiema falami, które wzajemnie oddziałują, w wyniku czego obserwujemy interferencję konstruktywną, gdy amplituda fali wyjściowej się zwiększa.

Gdy fale te są w fazie, amplituda rośnie, jako funkcja w postaci sumy amplitud tych fal, nawet dwukrotnie, więc obserwujemy silną aktywność. Jednakże ponieważ fale te mają nieco inne fazy, gdzie jedna z fal cechuję się nieco inną częstotliwością, różnica jest to bardzo niewielka, nie jest to duża różnica.

Jedna z tych fal niejako ucieka od drugiej aż do momentu, gdy znajdą się przeciwnych fazach, generując interferencję destruktywną. Jedna z fal będzie znajdowała się w minimum, a druga w maksimum swojej amplitudy.

Te dwie fale, gdy doda się je do siebie, wygenerują falę wypadkową bliską zeru, jej amplituda będzie bardzo, bardzo mała. To właśnie ma miejsce w przypadku nadchodzącego “wielkiego minimum”.

Stuart McNish: W której fazie tego cyklu się obecnie znajdujemy?

Valentina Zharkova: Znajdujemy się dokładnie na początku “wielkiego minimum”, zaczynającego się w 2020 r. Przez następne 33 lata, czyli trzy cykle, będziemy znajdować się w pierwszej od wieków fazie “wielkiego minimum” aktywności Słońca i będziemy wszyscy mogli je obserwować bezpośrednio.

Stuart McNish: Jak Ci się wydaje, jaki będzie miało to wpływ na temperatury na Ziemi, bazując na swoich wyliczeniach.

Valentina Zharkova: Bazując na obliczeniach odnośnie temperatur wykonanych przez Lenę Tall, która w kilku artykułach pokazała, że temperatury na Ziemi w trakcie minimum Maundera oraz irradiancja zmalały o jakieś 0.3 proc.

Stuart McNish: Przepraszam, o ile?

Valentina Zharkova: Temperatura średnia w Anglii w tym czasie obniżyła się o jakieś 0,8 st. C. Patrząc na zmienność temperaturową w tym okresie, jest to spora różnica. Dokumenty historyczne pokazują, że w okresie minimum Maundera w XVII w., że główne rzeki europejskie zamarzały, ludzie ślizgali się na tych rzekach, mieliśmy znaczne opady śniegu, itd.

Spadek o taką wartość miał takie znaczące konsekwencje. Nasze prognozy odnośnie współczesnego “wielkiego minimum” wskazują, że spadek temperatur będzie nieco mniejszy, niż w przypadku minimum Maundera, ponieważ w przypadku minimum Maundera mieliśmy także do czynienia z oscylacjami bazowej wartości pola magnetycznego Słońca.

Od XVII w. aż po dzień dzisiejszy, temperatura na Ziemi wzrosła o ok. 1 st. C, co spowodowane jest pozycją Słońca, tak więc nawet jeśli temperatura spadnie o te w przybliżeniu 0.8 st., temperatury i tak będą wyższe, niż w okresie minimum Maundera.

Nie będzie aż tak zimno, jak w przypadku minimum Maundera, ale ochłodzenie będzie na pewno, nadal będzie, nastąpi ono niekoniecznie w ciągu kolejnych 11 lat, ale pomiędzy cyklem 25 i 26, cyklem o najmniejszej aktywności będzie cykl 26, kiedy będziemy mieli do czynienia ze wspomnianą interferencją destruktywną.

Tak więc te 11 lat pomiędzy cyklem 25 i 26 oraz lata pomiędzy cyklami 26 i 27, to będą najchłodniejsze okresy na Ziemi, co będziemy najprawdopodobniej odczuwać w postaci zmian okresów wegetacji warzyw, owoców, itd.

Nawet teraz, nie wiem, czy słyszałeś, ale mieliśmy opady śniegu siódmego, dwunastego i czternastego lipca w Karpatach w Rumunii oraz na Ukrainie, w lipcu.

Nie było tam śniegu w lipcu od 150 lat. Słyszałeś pewnie także od gradobiciach w Meksyku, gdzie napadało gradu na wysokość powyżej 1 metra.

Podobnie podczas Tour de France, kiedy również mieliśmy wielkie gradobicia. To jest przedsmak tego, co nasz może czekać.

Cykl 25 to nie będzie najchłodniejszy cykl. Będzie on nieznacznie chłodniejszy od cyklu 24, ale już mamy pierwsze tego objawy.

Stuart McNish: Czyli według Ciebie już mamy do czynienia z pierwszymi efektami?

Valentina Zharkova: Tak, efekty już odczuwamy. Skontaktowała się ze mną grupa biologów z Grecji oraz meteorolodzy z Finlandii, którzy już donoszą, że np. w Grecji okresy wegetacji drzew i innych krzewów zaczynają się o miesiąc później.

Przyroda czuje, że pole magnetyczne Słońca słabnie. My tego nie czujemy, dyskutujemy na ten temat, ale przyroda na swój sposób wie, że coś się dzieje.

Rośliny zaczynają zakwitać później, pierwsze liście pojawiają się później, okres ten przesuwa się z gdzie z marca na kwiecień. To właśnie mi powiedzieli. Przyroda czuje, gdy pole magnetyczne maleje i już możemy to obserwować.

Stuart McNish: Wiem, że już publicznie przyznałaś, że to nie ma związku z antropogenicznymi emisjami CO2, że wciąż musimy mieć na uwadze produkowane przez nas gazy cieplarniane,

Valentina Zharkova: Oczywiście.

Stuart McNish: … które emitujemy do atmosfery i że te dwie kwestie nie są bezpośrednio powiązane oraz że zaistniała okoliczność może zapewnić nam dodatkowy czas na zaadresowanie problemów związanych z CO2.

Valentina Zharkova: Tak. To co przedstawiliśmy w naszym ostatnim artykule na przykład, gdzie wyjaśnimy, że oscylacje temperatur na Ziemi wokół linii bazowej, jako oscylacje wokół średniej wartość funkcji cosinus, temperatury wzrastają powyżej tej linii i maleją poniżej.

Te wzrosty powyżej linii są wyższe, niż można by oczekiwać, co może być spowodowane emisją CO2 i innych gazów. Ten problem wymaga uwagi. My tego nie analizowaliśmy, zostawiamy to specjalistom zajmującym się tym zagadnieniem.

Nie zaprzeczamy istnieniu tego zjawiska, jest to pole pracy dla innych. Twierdzimy tylko, że Słońce ma swój wkład, ale my jako ludzkość również się do tego przyczyniamy i potrzeba, byśmy podeszli do kwestii ochrony środowiska poważnie oraz musimy zadbać o nasza planetę na rzecz przyszłych pokoleń.

Stuart McNish: Bardzo dziękuję za podzielenie się z nami tymi informacjami. Jest to temat które mnie zafascynował jakieś 4 czy 5 lat temu, kiedy natrafiłem na Twoje prace i nie mogłem się doczekać na naszą rozmowę. Dziękuję bardzo za poświęcenie czasu na tę rozmowę.

Valentina Zharkova: Proszę bardzo.

 

Wpływ Słońca na temperatury na Ziemi – wywiad z Valentiną Zharkovą [napisy PL]

https://www.youtube.com/watch?v=sb7Tkx3B3kU