Svensmark/Marsh: Solens indflydelse på jordens klima, 2000

Solens indflydelse på jordens klima

Henrik Svensmark og Nigel D. Marsh, Dansk Rumforsknings Institut

Indledning

Jordens overfladetemperatur er steget med ca. 0.7 °C gennem de sidste hundrede år. Samtidig har afbrændingen af fossile brændstoffer fået koncentrationen af drivhusgasser, især kuldioxid (CO2), til at stige markant i atmosfæren. Dette har affødt en bekymring for, at den registrerede klimaændring er skabt af mennesker. Men jordens klima har altid været underkastet variationer, og for at bestemme en eventuel menneskelig indflydelse er det nødvendigt først at forstå de naturlige årsager til, at klimaet forandrer sig. En af disse, den tilsyneladende sammenhæng mellem solaktivitet og jordens klima, har været særlig vanskelig at forklare. Spekulationer om en sammenhæng mellem solens aktivitet og jordens klima har eksisteret lige siden astronomen William Herschel for snart 200 år siden bemærkede, at prisen på hvede varierede med antallet af solpletter. Indtil nu har man ikke kunnet finde en acceptabel fysisk forklaring på denne sammenhæng, der derfor stadig mødes med skepsis og tilskrives tilfældigheder. Men nu tegner der sig måske alligevel en fysisk forklaring. Nye resultater baseret på satellitobservationer af jorden's skydække peger på skyer, som en mulig forbindelse mellem variationer i solaktiviteten og ændringer i jordens klima.

I det følgende vil baggrunden for denne tilsyneladende sammenhæng mellem ændringer i solaktiviteten og jordens klima blive præsenteret. Først er det nødvendigt at introducere solaktivet. Dernæst gives et par eksempler på den tilsyneladende overenstemmelse mellem solaktivitet og jordens klima. Tilsidst diskuteres forbindelsen til jordens skydække.


Figur 1: Måske har stjerner i vores mælkevej indflydelse på jordens skydække.

Solaktivitet

Det er påvist, at solens udstråling varierer med den ca. 11 årige solplet cyklus. Imidlertid viser satellitobservationer, at solens udstråling gennem de sidste to solpletcykler kun variereret ganske lidt. Soludstrålingen er en lille smule større ved solpletmaksimum end ved solpletminimum til trods for, at solpletter er koldere og derfor har en mindre udstråling end den øvrige overflade. Dette skyldes, at særligt lysende områder på solen, kaldet fakler og "plages" mere end kompenserer for de mørke solpletter. Soludstrålingen er gennemsnitlig ca. 0.1% større ved solpletmaksimum end ved solpletminimum.


Figur 2: Heliosfæren - Solen og planetsystemet ses i billedets midte. Fra Solen blæser til stadighed en solvind bestående af ladede partiker. Denne vind fører solens magnetfelt hele vejen ud i heliosfæren, hvor det danner et varierende skjold mod den energirige galaktiske kosmiske stråling, der muligvis har indflydelse på jordens skydække. To forskellige baner af kosmisk stråling er skitseret. En med høj energi og en med lav energi. På grund af solsystemets bevægelse gennem rummet dannes en shockfront på grænsefladen til det interstellare medie. Kuglefladen der omslutter solsystemet viser solvindens overgang fra hastigheder hurtigere end lyden til hastigheder langsommere end lyden.

Ændringer i solens aktivitet har også indflydelse på andet end den totale udstråling. Ud over udsendelsen af lys udsender solen således også en strøm af partikler der kaldes solvinden. Solens magnetfelt bæres af solvinden, som hermed skaber et kæmpemæssigt dråbeformet område omkring solen. Dette område kaldes heliosfæren, og er i sin form og sine egenskaber påvirket af aktiviteten på solens overflade.

Endvidere tilflyder der heliosfæren fra vores galakse et konstant bombardament af meget energirige partikler, bestående hovedsageligt af positivt ladede hydrogen atomer og et mindre antal tungere grundstoffer. Dette bombardement af partikler kaldes den kosmiske stråling. Den kosmiske stråling opstår, når kæmpestjerner i mælkevejen går til grunde i supernova-eksplosioner. Når disse kæmpestjerner eksploderer, slynges det yderste lag af stjernen væk under en enorm energiudladning. I vores mælkevej sker der i gennemsnit en supernovaeksplosion hvert 25. år. Siden 1935 har man målt intensiteten af den kosmiske stråling der når frem til jorden. Ud fra disse målinger er det blevet klarlagt, at den kosmiske stråling varierer med solaktiviteten. Når der er mange solpletter og dermed høj solaktivitet, formindskes intensiteten af den kosmiske stråling, og når der er lav solaktivitet, forøges intensiteten. Dette skyldes solvinden og det tilhørende magnetfelt. Når solvinden og magnetfelt tiltager i styrke, er heliosfæren bedre istand til at skærme mod den kosmiske stråling, men når solaktiviteten er lav, formindskes solens magnetfelt og dermed dens evne til at skærme mod den energirige kosmiske stråling.

Solaktivitet og Jordens klima

Når den energirige kosmiske stråling kolliderer med atomkerner i jordens atmosfære dannes der nye grundstoffer. Et af disse kosmogent dannede grundstoffer er kulstof-14. Denne kulstofisotop giver information om solens aktivitet gennem tiderne. Det skyldes, at ændringer i solaktiviteten, og dermed den kosmiske stråling, har indflydelse på, hvor meget kulstof-14 der dannes i atmosfæren. Jo større solaktivitet des mindre kosmisk stråling, og dermed lavere produktion af kulstof-14 der, oplagres i organisk matriale som f.eks. træ. Ved at måle hvor meget kulstof-14 der er i en given årring i en træstamme, kan solens aktivitet på tidspunktet for årringens dannelse aflæses.


Figur 3: Ændringen i dannelsen af kulstof-14 gennem de sidste 1000 år. Grafen viser variationer som er af længere varighed end ca. 50 år. Bemærk grafen for kulstof-14 er vendt på hovedet.

Variationer i solaktiviteten har således været kendt langt tilbage i tiden. Figur 3 viser ændringerne i kulstof-14 koncentrationen gennem de sidste 1000 år. Fra år 1000-1300 dannedes ikke så meget kulstof-14 og man må antage at solaktiviteten har været høj. Denne periode, som stort set dækker vikingetiden, var en varm periode, hvor blandt andre Erik den Røde omkring år 985 sejlede til Grønland og bosatte sig. Her dyrkede vikingerne korn og holdt køer og får. I træ fra 1300-tallet kan aflæses en stigning i kulstof-14 koncentrationen hvilket afspejler et fald i solens aktivitet. Klimaet blev koldere og denne periode kaldes den lille istid (1300 -1850). Denne klimaændring gav store problemer for vikingerne i Grønland, og de sidste uddør omkring 1450. I den lille istid var perioden fra 1645 til 1715 specielt kold. Denne periode kaldes Maunder minimum og er karakteriseret ved, at der næsten ingen solpletter blev observeret. Ydermere måltes de laveste temperaturer gennem de sidste 1000 år 1690-1700. Netop dette årti udviste en meget kraftig stigning i kulstof-14 koncentrationen. Gennem de sidste hundrede år er solaktiviteten steget til det højeste man har observeret i de sidste 700 år. Nye resultater opnået ved at sammenholde satellitmålinger af solvinden med observationer af forstyrelser i jordens magnetiske felt, har vist, at solens magnetfelt er blevet fordoblet gennem de sidste hundrede år. Disse observationer sammenholdt med flere andre tyder på, at ændringer i solens aktivitet påvirker jordens klima.

Forbindelsen til Jordens skydække

Beregninger af soludstrålingens variation gennen det sidste århundrede giver en gennemsnitlig stigning på ca. 0.3 watt pr. kvadratmeter hvilket er for lidt til at forklare de observerede temperaturvariationer. Derfor er det nødvendigt af finde en anden forklaring. En mulig forklaring ligger i ændringer i jordens skydække, og det er her den galaktiske kosmiske stråling får betydning. Den kosmiske stråling er årsag til næsten al ionisation i den nederste del af atmosfæren, og netop ionisationen udviser en stor variation gennem en solplet cyklus. I gennemsnit indeholder en kubikcentimeter luft ca. 2000 ioner som er elektrisk ladede partikler. Ioner i atmosfæren kan have betydning for dannelsen af de små støvkorn, også kaldet skykondensations kerner, hvorpå vandamp fortættes til skydråber. Ved at ændre på for eksempel antallet af skykondensations kerner, forandres antallet og størelsen af dråberne i en sky. Herved ændres skyens indflydelse på energibalancen. Eftersom skyer i dækker gennemsnit 65% af jordens overflade og forårsager en køling af atmosfæren med 17 til 35 watt pr. kvadratmeter, har de stor betydning for jordens energibalance. Så hvis skyerne påvirkes af variationerne i den kosmiske stråling vil det være en meget effektiv måde at ændre på jordens strålingsbalance og dermed på jordens temperatur.


Figur 4: Statistisk sammenhæng mellem ændring i mængden af lave skyer og kosmisk stråling gennem den seneste solplet periode. Forskellige typer af skyer påvirker hver især stråingsbalancen forskelligt. Lave skyer køler atmosfæren, mens høje tynde skyer varmer. Den samlede indflydelse af skyer er en køling af jordens atmosfære.

Denne formodede sammenhæng underbygges af satellitobservationer af jordens skydække gennem den seneste solplet cyklus. Figur 4 viser, hvorledes ændringer i mængden af skyer lavere end 3 km følger variationerne i den kosmiske stråling. Forandringer i skyernes mikrofysik kan også vise sig på andre måder end i skymængden. Figur 5 illustrerer dette forhold. Figuren viser den rumlige korrelationen mellem den kosmiske stråling og lave skyers strålingstemperatur ved 10.4 mikrometer. Det ses at et meget stort område af jorden udviser sammenfaldende variation mellem kosmisk stråling og lave skyers strålingstemperatur. At både skymængden og skyernes strålingstemperatur begge viser en overenstemmelse med variationen i den kosmisk stråling antyder, at skyernes mikrofysik er påvirket.


Figur 5. Rumlig korrelation mellem kosmisk stråling og lave skyers strålings temperatur ved 10.4 mikrometer. Røde områder (posivtiv korrelation) betyder sammenfaldende variation mellem den kosmiske stråling og lave skyers strålingstemperatur. Blå områder (negativ korrelation) betyder modsat variation mellem den kosmiske stråling og lave skyers strålingstemperatur. Det er kun den posivtive korrelation der kan tillægges en statistisk betydning. De små hvide områder angiver manglende data.

Selvom der er et sammenfald mellem ændringer i kosmisk stråling og ændringer i egenskaberne af jordens skydække, så er det ikke tilstrækkeligt som bevis for en eksisterende mikrofysisk sammenhæng. Med henblik på en undersøgelse af skyernes mikrofysik er der netop blevet etableret et stort internationalt samarbejde ved CERN, det europæiske center for partikelfysik i Geneve. Formålet er at se nærmere på forbindelsen mellem kosmisk ståling og skydannelse. Dette kan ske under kontrollerede eksperimentelle omstændigheder ved benyttelse af et skykammer og en af CERN?s partikelaccelerator. Den indflydelse ladninger og elektriske felter har på dråbedannelse er kun i meget begrænset omfang klarlagt, og det eksperimentelle arbejde vil kaste nyt lys over disse processer.

Viser det sig at jordens skydække påvirkes af den kosmiske stråling, betyder det at processer i universet påvirker os mere direkte end vi nogensinde havde drømt om. Forhåbentligt får vi svaret inden for nogle få år.

Litteratur:

J.A. Eddy, The Maunder minimum, Science, 192, 1189 (1976).

H. Svensmark and E. Friis-Christensen, Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage - a missing link in solar-climate relationships, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 59, 1225-1232 (1997);

H. Svensmark, Influence of cosmic rays on Earth's climate , Phys. Rev. Lett., 81, 5027 (1998).