Του Άγγελου Καρανικόλα
Φυσικός - Μεταπτυχιακός φοιτητής Φυσικής Περιβάλλοντος ΑΠΘ
Επιμέλεια: Πελαγία Αγγουράκη
Είδαμε και στο προηγούμενο άρθρο, ότι το κλίμα της Γης είναι γενικά μεταβλητό συνεχώς. Αυτά που ποικίλουν μέσα στο χρόνο είναι το μέγεθος και η ταχύτητα με την οποία αλλάζουν οι διάφορες παράμετροι, η κατεύθυνση των μεταβολών αυτών, αλλά και οι αιτίες τους. Το κλίμα εξαρτάται από τη σύσταση και τη μορφή των επιμέρους τμημάτων της Γης (ατμόσφαιρα, ύδατα, παγετώνες, έδαφος και οργανισμοί) και την αλληλεπίδρασή της με το περιβάλλον της (δηλαδή το διάστημα). Οι αιτίες φυσικής κλιματικής αλλαγής είναι διάφορες. Σε αυτό το άρθρο θα εστιάσουμε στην αλληλεπίδραση της Γης με το περιβάλλον της. Η κύρια πηγή ενέργειας είναι ο Ήλιος, αλλά ενέργεια εισέρχεται και από τα υπόλοιπα ουράνια σώματα. Παρακάτω θα δούμε πώς αυτά σχετίζονται με το κλίμα.
Ηλιακή δραστηριότητα
Η ηλιακή ακτινοβολία, αποτελεί το συντριπτικά μεγαλύτερο τμήμα της εισερχόμενης ενέργειας στη Γη. Ένα μέρος αυτής απορροφάται, είτε στην ατμόσφαιρα, είτε στην επιφάνεια της Γης, ενώ το υπόλοιπο ανακλάται πίσω στο διάστημα (κοντά στο 30%). Η ενέργεια που απορροφάται φυσικά, εξαρτάται από την ενέργεια που φτάνει στο όριο της ατμόσφαιρας, με αποτέλεσμα οι μεταβολές στην ενέργεια αυτή, να επηρεάζουν τη θερμοκρασία του πλανήτη.
Με την ανάπτυξη της διαστημικής εξερεύνησης και της σύγχρονης αστρονομίας και αστροφυσικής, γνωρίζουμε ότι η επιφάνεια του Ηλίου είναι δραστήρια και παρουσιάζει συνεχώς μεταβολές. Ο δείκτης για την ηλιακή δραστηριότητα, είναι σκοτεινά «σημάδια» (ψυχρές περιοχές αναλογικά με το περιβάλλον τους) στην επιφάνειά του, που ονομάζονται ηλιακές κηλίδες. Μετρήσεις από όργανα εντός και εκτός της γήινης ατμόσφαιρας έδειξαν, ότι δραστηριότητα αυτή επηρεάζει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και τα σωματίδια (ηλιακός άνεμος) που εξέρχονται από αυτόν. Η δραστηριότητά του γενικά έχει μια περιοδικότητα γνωστή ως "ενδεκαετής κύκλος", όπου ανά 8-14 χρόνια ξεκινάει εναλλάξ μείωση ή αύξηση των κηλίδων του. Στα μέγιστα εκπέμπει περισσότερη ακτινοβολία και δυναμώνει ο ηλιακός άνεμος. Τα μέγιστα και τα ελάχιστα δεν είναι ίσα, αλλά τα κοντινά μεταξύ τους δεν έχουν μεγάλες διαφορές. Συνεπώς, σε λίγες δεκαετίες, ο Ήλιος δεν μπορεί να κάνει το κλίμα συνεχώς θερμότερο ή ψυχρότερο, αλλά να συνεισφέρει εναλλάξ προς ψύξη ή θέρμανση του πλανήτη και να μεταβάλλει σε κάποιο βαθμό την κυκλοφορία της ατμόσφαιρας και των ωκεανών. Σε κλίμακες αιώνων μπορεί να έχει μια γενική τάση αλλά πάλι αρκετά αργή , η οποία κάποια στιγμή αντιστρέφεται. Για παράδειγμα το 17ο αιώνα, οι ηλιακές κηλίδες είχαν παρουσιάσει μεγάλη μείωση και έφτασαν να παραμένουν απειροελάχιστες στο 2ο μισό του αιώνα (ελάχιστο του Maunder), αλλά στη συνέχεια άρχισαν να αυξάνονται, μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, όπου έχουμε άλλη μία σημαντική μείωση (ελάχιστο του Dalton) και στη συνέχεια αυξήθηκαν πάλι (εικόνα 1).
Η δραστηριότητα του Ηλίου μεταβάλει τη συνολική ενέργεια που εξέρχεται από αυτόν (εικόνες 3α και 3β), αλλά άνισα. Οι μεγαλύτερες μεταβολές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ποσοστιαία συμβαίνουν στις ακτίνες Χ, τμήματα του υπεριώδους με τις υψηλότερες ενέργειες και τα ραδιοκύματα, τις περιοχές που ο Ήλιος εκπέμπει τη λιγότερη ακτινοβολία. Οι ακτίνες Χ και η αντίστοιχη περιοχή του υπεριώδους απορροφώνται πλήρως στην ανώτερη ατμόσφαιρα, ενώ στα ραδιοκύματα (που είναι και πολύ χαμηλών ενεργειών) υπάρχουν περιοχές που απορροφώνται και οι υπόλοιπες τη διαπερνούν, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι απορροφώνται πλήρως από την επιφάνεια (εικόνα 2). Οι περιοχές στις οποίες ο Ήλιος εκπέμπει τη συντριπτικά περισσότερη ακτινοβολία (κοντινό υπεριώδες, ορατό, κοντινό υπέρυθρο), είναι και αυτές που φτάνουν στην κατώτερη ατμόσφαιρα και την επιφάνεια της Γης, αλλά ταυτόχρονα αυτές που επηρεάζονται λιγότερο από την ηλιακή δραστηριότητα.
Οι μεταβολές τις ηλιακής ακτινοβολίας δεν αφήνουν ανεπηρέαστο το κλίμα, αλλά δεν είναι αρκετά ισχυρές για να προκαλέσουν δραματικές αλλαγές. Στην εικόνα 3 μάλιστα, γίνεται σαφές ότι οι διαφορές της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας από την ηλιακή δραστηριότητα είναι αρκετά μικρότερες από αυτές που προκαλούνται επειδή η Γη το χειμώνα είναι πιο κοντά στον Ήλιο κατά περίπου 5 εκ. χλμ. Είναι χαρακτηριστικό, ότι ακόμη και για το ελάχιστο του Maunder, που ήταν στη μέση της «μικρής εποχής παγετώνων» (αν και δεν είναι σίγουρο ότι η Γη συνολικά ήταν ψυχρότερη κατά μέσο όρο και όχι συγκεκριμένες διαφορετικές περιοχές, δεν είναι αρκετό για να μας πείσει, ότι η χαμηλή ηλιακή δραστηριότητα μόνη της προκάλεσε τέτοια ψύξη στη Γη. Πολλές πιθανές εξηγήσεις εξετάζονται ως συμπληρωματικές ή ακόμη και εναλλακτικές, όπως για παράδειγμα αυξημένη ηφαιστειακή δραστηριότητα και η άφιξη των Ευρωπαίων στην Αμερική (προκλήθηκε μείωση του ανθρώπινου πληθυσμού που έφερε ανάπτυξη στα δάση).
Ας δούμε τι συμβαίνει τη σύγχρονη εποχή. Στις εικόνες 4α και 4β είναι εμφανές ότι αν η θερμοκρασία της Γης μεταβαλλόταν κυρίως λόγω της ηλιακής δραστηριότητας, θα αυξανόταν και θα μειωνόταν εναλλάξ περίπου κάθε δεκαετία, με το μέσο όρο κάθε δεκαετίας να μην αλλάζει σημαντικά, εκτός ίσως της τελευταίας. Τη διετία 2008-2009 η ηλιακή δραστηριότητα ήταν ασυνήθιστα χαμηλή, με το μέγιστο που ακολούθησε να είναι το μικρότερο των τελευταίων τουλάχιστον 90 ετών. Ωστόσο, η θερμοκρασία διατήρησε την ανοδική τάση. Είναι εμφανές ότι τα ηλιακά ελάχιστα συμπίπτουν με καθόδους της θερμοκρασίας της Γης, αλλά αυτές είναι συνεχώς σε μεγαλύτερες τιμές, ενώ τα ηλιακά ελάχιστα γίνονται πιο ισχυρά. Το 2014 η ηλιακή δραστηριότητα ήταν σε μέγιστο και ξεκίνησε να μειώνεται ξανά. Ωστόσο, το 2015 ήταν θερμότερο από το 2014 (το οποίο μέχρι τότε ήταν το θερμότερο καταγεγραμμένο έτος σε παγκόσμιο μέσο όρο). Το 2016 ήταν ακόμη θερμότερο, ενώ το 2017 ήταν περίπου ίδιο με το 2015. Το 2018 ήταν επίσης θερμότερο από το 2014 (4ο θερμότερο έτος για τη Γη), παρ’ ότι η ηλιακή δραστηριότητα έφτασε τα εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα του προηγούμενου ελαχίστου. Ακολούθησε, το 2019, ο 4ος θερμότερος Ιανουάριος και ο 3ος θερμότερος Φεβρουάριος παρά το ασυνήθιστο κύμα ψύχους σε περιοχές των Η.Π.Α. και του Καναδά, παράλληλα με τη διατήρηση του πολύ χαμηλού ηλιακού ελαχίστου. Η Γη λοιπόν θα έπρεπε να γίνεται ψυχρότερη, αλλά συμβαίνει το αντίθετο.
Κοσμική ακτινοβολία και ηλιακός άνεμος
Εκτός από τον Ήλιο, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία φτάνει στη Γη από τα υπόλοιπα ουράνια σώματα. Αυτά του ηλιακού συστήματος, απλώς ανακλούν τμήμα της ηλιακής. Αυτά που βρίσκονται έξω από αυτό εκπέμπουν φως που φτάνει σε εμάς αν είναι άστρα ή ανακλώμενο από το κοντινότερο άστρο σε αυτά αν είναι μικρότερα (εξαιρετικά μικρής έντασης, σε σημείο που να παρατηρούνται κυρίως έμμεσα). Η ακτινοβολία αυτή ωστόσο είναι πολύ μικρής έντασης σε σχέση με αυτή του Ηλίου και οι μεταβολές της συνολικά ακόμη μικρότερες (μηδαμινές ή ανύπαρκτες αν δεν τις εξετάσουμε σε μεγάλα χρονικά διαστήματα), συνεπώς δεν έχουν ιδιαίτερη επίδραση στο κλίμα. Παράλληλα, φθάνουν και σωματίδια από τον ήλιο (ονομάζονται «ηλιακός άνεμος»), αλλά και γενικότερα από το διάστημα (κοσμική ακτινοβολία). Τα σωματίδια αυτά σε μεγάλο ποσοστό απομακρύνονται ή παγιδεύονται από το μαγνητικό πεδίο της Γης, αλλά ένα μέρος φτάνει μέχρι και στο έδαφος (κοντά στους πόλους, φτάνουν αρκετά χαμηλά πολύ περισσότερα, λόγω της μορφής του μαγνητικού πεδίου της Γης). Τα σωματίδια από τον Ήλιο επηρεάζουν τη σύσταση της ανώτερης ατμόσφαιρας σε κάποιο βαθμό, αλλά έχουν χαμηλότερες ενέργειες από σημαντικό τμήμα της την κοσμικής ακτινοβολίας οπότε η τελευταία είναι πιθανό να έχει μεγαλύτερη επίδραση. Η εξέλιξη του ηλιακού ανέμου στο χρόνο ακολουθεί την ηλιακή δραστηριότητα, την οποία εξετάσαμε παραπάνω, οπότε σε κάθε περίπτωση δεν προκαλεί την υπερθέρμανση του πλανήτη.
Η κοσμική ακτινοβολία που εισέρχεται στη Γη, εξαρτάται από αυτή που φτάνει στο ηλιακό σύστημα, τον ηλιακό άνεμο και η ένταση του μαγνητικού πεδίου της Γης. Οι μεταβολές της εισερχόμενης στο ηλιακό σύστημα είναι εξαιρετικά μικρές, αν δεν τις εξετάσουμε σε περιόδους τουλάχιστον χιλιετιών, αν όχι πολλών εκατομμυρίων ετών. Κάποια βίαια αστρονομικά φαινόμενα σχετικά κοντά) στο ηλιακό σύστημα (αναλογικά με τις αποστάσεις στο σύμπαν) επίσης, μπορούν να προκαλέσουν κάποια αύξηση προσωρινά (ακόμη και στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία), όπως εκρήξεις αστέρων, oι οποίες ονομάζονται «supernova». Το μαγνητικό πεδίο της Γης παρουσιάζει μια εξασθένιση κατά μέσο όρο, αλλά όχι αρκετά ισχυρή για να δούμε απότομη αυξητική τάση στις κοσμικές ακτίνες σε λίγα χρόνια. Γενικά, οι μεταβολές της σε διάστημα μερικών δεκαετιών κυριαρχούνται από τον ηλιακό άνεμο (εικόνα 5). Είναι εμφανές ότι ισχυρότερος ο ηλιακός άνεμος (ηλιακό μέγιστο) μειώνει την εισερχόμενη κοσμική ακτινοβολία, την παρεμποδίζει και φτάνει λιγότερη και στο ελάχιστο συμβαίνει το αντίθετο. Η κοσμική ακτινοβολία αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, 86% πρωτόνια, 11% πυρήνες ηλίου(He) και 3% άλλα σωματίδια, τα οποία αλληλεπιδρούν με τα μόρια του αέρα και επηρεάζουν σε κάποιο βαθμό τη σύστασή του, τη δυνατότητα σχηματισμού νεφών και κεραυνών. Όταν έρχεται περισσότερη, ενδέχεται να αυξηθούν τα σύννεφα, άρα να μειωθεί η απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία από τη Γη και το αντίθετο. Αυτό συμβαίνει κυρίως από τα σύννεφα της κατώτερης τροπόσφαιρας (τα νέφη μεγαλύτερων υψομέτρων μπορούν να προκαλέσουν θέρμανση, αλλά αυτό θα περιγραφεί σε επόμενο άρθρο) και υπάρχει η θεωρία ότι ίσως η κοσμική ακτινοβολία επηρεάζει αυτά περισσότερο. Το ζήτημα μάλλον είναι ανοιχτό, αλλά δε φαίνεται οι διαφορές να είναι σημαντικές (εικόνα 6). Μάλιστα, επειδή είναι περισσότερη στο ηλιακό ελάχιστο, ενδέχεται να εντείνει την ψύξη στα ηλιακά ελάχιστα και τη θέρμανση στα ηλιακά μέγιστα. Οι μεταβολές που έχουν παρατηρηθεί ωστόσο δε φαίνονται ικανές να αλλάξουν απότομα τη νεφοκάλυψη, ούτε έχουν παρατηρηθεί τόσο μεγάλες αλλαγές στα σύννεφα, ώστε να προκαλέσουν αλλαγές στο κλίμα του παρατηρούμενου μεγέθους.
Επειδή η κοσμική ακτινοβολία ακολουθώντας την ηλιακή δραστηριότητα, με αντίθετη φάση, αν έχει πράγματι αυτή την επίδραση στη χαμηλού ύψους νεφοκάλυψη σε επαρκή βαθμό, θα προκαλεί διαδοχικά αύξηση και μείωση σε αυτή, άρα και την ηλιακή ακτινοβολία στο έδαφος και όχι μία διαρκή μείωση των νεφών (κάτι που δεν έχει παρατηρηθεί ούτως ή άλλως), η οποία θα επέτρεπε περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία να φτάσει στο έδαφος, άρα και θερμότερο κλίμα. Αν και αποτελεί από τα νεότερα αντικείμενα έρευνας, είναι αρκετά σαφές ότι δεν μπορούν να προκαλέσουν την παρατηρούμενη υπερθέρμανση του πλανήτη τον τελευταίο αιώνα. Η μέγιστη δυνατή επίδρασή τους είναι να την ενισχύουν και να την ελαττώνουν σε μικρό βαθμό περιοδικά, ενώ κάποιοι από τους σχετικούς ερευνητές υποστηρίζουν ότι ακόμη και σε κλίμακες εκατομμυρίων ετών, δεν μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες αλλαγές.
Συμπερασματικά, η μεταβολές που συμβαίνουν στον Ήλιο και την κοσμική ακτινοβολία, δεν αφήνουν ανεπηρέαστο το κλίμα, αλλά οι αλλαγές που προκαλούν έχουν διαφορετική πορεία στο χρόνο από την κλιματική αλλαγή που παρατηρούμε τη σύγχρονη εποχή, συνεπώς δεν μπορούν να την έχουν προκαλέσει ανεξάρτητα αν το μέγεθος αυτών είναι επαρκώς μεγάλο ή όχι. Απλώς συνεισφέρουν άλλοτε στο να γίνει πιο έντονη η υπερθέρμανση και άλλοτε τη ασθενέστερη. Αυτός είναι και ένας από τους βασικούς λόγους που η θερμοκρασία του πλανήτη δεν είναι κάθε χρόνο μεγαλύτερη από τον προηγούμενο, παρά τη σαφή τάση της προς άνοδο μέσα στις δεκαετίες. Τα φαινόμενα που εξετάστηκαν σε αυτό το άρθρο δεν είναι οι μόνες αιτίες για φυσική μεταβολή του κλίματος. Συνεπώς, το επόμενο άρθρο θα είναι επίσης αφιερωμένο σε αυτό το θέμα.
Πηγές:
Ηλιακή δραστηριότητα
2. Evolution of the Sun’s Spectral Irradiance Since the Maunder Minimum, Judith Lean, E. O. Hulburt Center for Space Research, Naval Research Laboratory, Washington, DC
3. Εισαγωγή στη Ραδιοαστρονομία, Γιάννης Χ. Σειραδάκης, Πλανητάριο Θεσσαλονίκης
4. Εισαγωγή στη σύγχρονη αστρονομία, Χαράλαμπος Βάρβογλης-Γιάννης Χ. Σειραδάκης, Τρίτη έκδοση, Εκδόσεις Γαρταγάνη
5. Solar Ultraviolet Variability Over Time Periods of Aeronomic Interest, Thomas N. Woods, Gary J. Rottman, Laboratory of Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, Boulder, Colorado
6. A new SATIRE-S spectral solar irradiance reconstruction for solar cycles 21–23 and its implications for stratospheric ozone, William T. Ball, Natalie A. Krikova, Yvonne C. Unruh, Joanna D. Haigh, Sami K. Solanski
7. Recent variability of the solar spectral irradiance and its impact on climate modeling-I. Ermolli, K. Matthes, T. Dudok deWit, N. A. Krivova, K. Tourpali, M.Weber, Y. C. Unruh, L. Gray,U. Langematz, P. Pilewskie, E. Rozanov, W. Schmutz, A. Shapiro, S. K. Solanki, and T. N. Woods
9. https://www.noaa.gov/news/2018-was-4th-hottest-year-on-record-for-globe
Κοσμική ακτινοβολία και ηλιακός άνεμος
2. Cosmic ray effects on cloud cover and their relevance to climate change, A.D. Erlykin and A.W. Wolfendale
3. Long term time variability of cosmic rays and possible relevance to the development of life on Earth, A.D.Erlykin and A. W. Wolfendale
4. Influence of Galactic Cosmic Rays on atmospheric composition and dynamics, M. Calisto, I. Usoskin, E. Rozanov and T. Peter
6. Εισαγωγή στις Κοσμικές Ακτίνες, Αναστάσιος Λιόλιος, Εκδόσεις Copy City
7. https://www.pnas.org/content/112/11/3253
9. https://www.researchgate.net/figure/Standardized-Cosmic-ray-flux-and-sunspot-time-series-illustrating-the-negative_fig4_303685082
10. https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field#Secular_variation
Comments