Petele solare si TerraLa nivel galactic, Soarele este o stea remarcabil de constantă. În timp ce unele stele prezintă pulsaţii spectaculoase, cu fluctuaţii de mărime şi strălucire, uneori chiar explodând, luminozitatea Soarelui variază cu numai 0,1% pe parcursul ciclului solar de 11 ani.

 

 

 

Există, totuşi, o concepţie care răsare în rândul cercetătorilor că până şi aceste variaţii, aparent mici, pot avea un efect semnificativ asupra climei terestre. Un nou raport emis de Consiliul Naţional de Cercetare (NRC), „Efectele variabilităţii solare şi clima Pământului”, stabileşte câteva dintre modalităţile surprinzător de complexe prin care activitatea solară se poate face simţită pe planeta noastră.

Imagini ultraviolet

Aceste şase imagini în ultraviolet ale Soarelui, luate de satelitul Solar Dynamics Observatory lansat de NASA, urmăresc nivelul de creştere a activităţii solare pe măsură ce Soarele urcă spre vârful celui mai recent ciclu de 11 ani al petelor solare. 

Înţelegerea conexiunii soare-climă necesită o specializare foarte mare în domenii ca fizica plasmei, activitatea solară, chimie atmosferică şi dinamica fluidelor, fizica particulelor energetice şi chiar istoria Terrei. Nici un cercetător nu are singur gama completă de cunoştinţe necesare pentru a rezolva problema.  Pentru a face progrese, Consiliul Naţional de Cercetare (NRC) a trebuit să adune zeci de experţi din mai multe domenii pentru o reuniune de lucru. Raportul rezumă eforturile lor combinate pentru a încadra problema într-un context cu adevărat multidisciplinar.

Unul dintre participanţi, Greg Kopp de la Laboratorul pentru Fizica Atmosferei şi Spaţiului de la Universitatea din Colorado, a subliniat faptul că, în timp ce variaţiile de luminozitate pe parcursul ciclului solar de 11 ani ating doar o zecime de procent din ceea ce produce în total Soarele, o astfel de fracţiune, deşi mică, este totuşi importantă. „Chiar variaţiile tipice pe termen scurt de 0,1% în iradierea incidentă depăşesc toate celelalte surse de energie (cum ar fi radioactivitatea naturală din miezul Pământului) combinate", spune el.

De o importanţă deosebită este radiaţia ultravioletă extremă (EUV) a Soarelui, ale cărei vârfuri pe parcursul anilor sunt în jurul maximului solar. În cadrul benzii relativ înguste a lungimii de undă a EUV, ieşirile solare variază nu cu minusculul 0,1%, ci cu factori enormi de 10 sau mai mult. Acest lucru poate afecta puternic chimia şi structura termică a atmosferei superioare.

 

IST masuratori

Măsurătorile spaţiale ale iradierii solare totale (IST) indică variaţii de ~ 0,1 procente ale activităţii solare la 11 ani şi termene mai scurte. Aceste date au fost corectate pentru compensarea calibrării între diferitele instrumente folosite pentru măsurarea IST. Sursa: Greg Kopp, Universitatea din Colorado.

Mai mulţi cercetători au discutat modul în care schimbările din atmosfera superioară se pot face simţite pe suprafaţa Pământului. Există multe căi „de sus-în jos” pentru influenţa Soarelui. De exemplu, Charles Jackman de la Centrul de Zboruri Spaţiale Goddard descrie cum oxizii de azot (NOx) creaţi de particulele energetice solare şi razele cosmice din stratosferă pot reduce nivelul de ozon cu câteva procente. Din cauza faptului că stratul de ozon absoarbe radiaţiile ultraviolete (UV), ozon mai puţin înseamnă că mai multe raze UV de la Soare ajung la suprafaţa Pământului.

Isaac Held de la Administraţia Naţională a Oceanelor şi Atmosferei (NOAA) a făcut un pas înainte. El a descris modul în care pierderea de ozon din stratosferă ar putea modifica dinamica atmosferei de sub ea. „Răcirea stratosferei polare, asociată cu pierderea de ozon, duc la creşterea gradientului de temperatură pe orizontală în apropierea tropopauzei", explică el. „Acestea modifică fluxul momentului cinetic prin vârtejurile de latitudine mijlocie. Momentul cinetic este important, căci bilanţul momentului cinetic al troposferei controlează vânturile predominante de suprafaţă”. Cu alte cuvinte, activitatea solară prezentă în atmosfera superioară poate, printr-o serie complicată de influenţe, să abată furtunile de suprafaţă de la cursul lor.


Radiatia cosmica. Influente

Cum penetrează atmosfera razele cosmice şi protonii veniţi din galaxie. Sursa: C. Jackman de la Centrul de Zboruri Spaţiale Goddard, „Impactul precipitaţiilor de particule energetice asupra atmosferei”, prezentare de la reuniunea de lucru „Efectele variabilităţii solare asupra atmosferei Pământului”, 09 septembrie 2011 

Multe dintre mecanismele propuse în cadrul reuniunii de lucru au fost de tipul mecanismelor Rube Goldberg. Ele s-au bazat pe interacţiunile în mai mulţi paşi între multiplele straturi ale atmosferei şi ocean, unele bazându-se pe chimie pentru a-şi atinge scopul, altele sprijinindu-se pe termodinamică sau fizica fluidelor. Dar, doar pentru că ceva este complicat, nu înseamnă că nu este real.

Într-adevăr, Gerald Meehl de la Centrul Naţional pentru Cercetări Atmosferice (NCAR) a prezentat dovezi convingătoare că variabilitatea solară lasă o amprentă asupra climei, în special în Oceanul Pacific. Potrivit raportului, când cercetătorii urmăresc datele cu temperatura suprafeţei mării în anii de vârf ai petelor solare, Pacificul tropical prezintă un pronunţat model asemănător cu fenomenul La Niña, o răcire de aproape 1°C în estul Pacificului ecuatorial. În plus, „există semne de precipitaţii sporite în zona de convergenţă inter-tropicală şi zona de convergenţă a Pacificului de Sud”, precum şi o presiune a nivelului mării, peste normal, la latitudinea medie din Pacificul de Nord şi de Sud, corelate cu vârfuri în ciclul petelor solare.  

Semnalele ciclului solar sunt atât de puternice în Pacific, încât Meehl şi colegii săi au început să se întrebe dacă nu cumva ceva în sistemul climatic al Pacificului acţionează pentru a le amplifica. „Unul din misterele legate de sistemul climatic al Pământului este cum de fluctuaţia relativ scăzută a ciclului solar de 11 ani poate produce amploarea semnalelor climatice observate în Pacificul tropical”. Folosind modele pentru climă obţinute pe supercalculatoare, ei au arătat că sunt necesare nu numai mecanismele „de sus-în jos”, dar, de asemenea, şi cele „de jos-în sus” implicând interacţiunile atmosferă-ocean, pentru a amplifica forţa solară la suprafaţa Pacificului.

 

Valori medii compuse

Valorile medii compuse ale lunilor decembrie-ianuarie-februarie pentru anii cu activitate solară de vârf. Sursa: G.A. Meehl, J.M. Arblaster, K. Matthes, F. Sassi şi H. van Loon,  „Amplificarea răspunsului sistemului climatic al Pacificului la o forţă mică a unui ciclu solar de 11 ani”, Science 325:1114-1118, 2009.

În ultimii ani, cercetătorii au luat în considerare posibilitatea ca Soarele să joace un rol în încălzirea globală. La urma urmei, Soarele este principala sursă de căldură pentru planeta noastră. Raportul Consiliului Naţional de Cercetare sugerează, cu toate acestea, că influenţa variabilităţii solare este mai mult regională decât globală. Regiunea Pacificului este doar un exemplu. Caspar Amman de la NCAR, notează în raport că: „Atunci când echilibrul radiativ al Pământului este modificat, ca în cazul unei schimbări în forţa ciclului solar, nu toate locurile sunt la fel afectate. Pacificul central ecuatorial este în general mai rece, debitul râurilor din Peru este mai redus, iar condiţiile secetoase afectează partea de vest a SUA ”.

Raymond Bradley de la Universitatea Massachusetts (UMass), care a studiat înregistrările istorice ale activităţii solare imprimate de radioizotopi în inelele copacilor şi miezurile gheţarilor, spune că precipitaţii regionale par a fi mai afectate decât temperatura. „Dacă există într-adevăr un efect solar asupra climei, acesta se manifestă prin modificări în circulaţia generală, mai degrabă decât într-un semnal direct de temperatură.”  Acesta se potriveşte în concluzii cu cele ale Grupului interguvernamental de experţi privind schimbările climatice (IPCC) şi cu rapoartele anterioare ale Consiliul Naţional de Cercetare (NRC), că variabilitatea solară NU este cauza încălzirii globale din ultimii 50 de ani. Multe s-au scris despre legătura probabilă dintre „Minimum Maunder”, un deficit de 70 de ani al petelor solare între sfârşitul secolului 17 şi începutul secolului 18 şi cea mai rece perioadă a Micii Ere Glaciare, în timpul căreia Europa şi America de Nord au fost supuse unor ierni crunte, foarte reci. Mecanismul acestei răciri regionale ar fi putut fi o scădere în emisia de radiaţie ultravioletă extremă (EUV) de către Soare; oricum, acest lucru este speculativ.

 

Medie pete solare
Numărul mediu anual de pete solare pentru o perioadă de 400 de ani (1610-2010)


Dan Lubin de la Institutul de Oceanografie Scripps, a subliniat importanţa de-a studia stelele asemănătoare Soarelui din alte părţi ale Căii Lactee pentru a determina frecvenţa unor „grand minima” similare (notă: „grand minima” sunt perioade lungi, de decenii sau secole, de cicluri solare cu activitate redusă faţă de cea medie). „Primele estimări ale frecvenţei pentru 'grand minima' în cazul stelelor asemenea Soarelui variază de la 10% la 30%, implicând faptul că influenţa Soarelui ar putea fi copleşitoare”. Mai multe studii recente folosind date de la Hipparcos (un satelit astrometric al Agenţiei Spaţiale Europene), precum şi o contabilizare adecvată a metalicităţii stelelor, plasează estimarea la ordinul de mai puţin de 3%.” Acesta nu reprezintă un număr mare, dar este semnificativ.

Într-adevăr, Soarele ar putea fi în pragul unui eveniment mini-Maunder chiar acum. Ciclul solar 24 în curs de desfăşurare, este cel mai slab în mai mult de 50 de ani. Mai mult decât atât, există dovada (controversată) tendinţei pe termen lung de slăbire a intensităţii câmpului magnetic asociat petelor solare. Matt Penn şi William Livingston de la Observatorul Solar Naţional prezic că în momentul sosirii ciclului solar 25, câmpul magnetic al Soarelui va fi atât de slab, încât puţine, dacă nu niciuna din petele solare, nu se vor forma. Linii independente de cercetare care implică helioseismologia şi câmpurile polare de suprafaţă, tind să susţină concluzia lor. (Notă: Penn şi Livingston nu au participat la reuniunile de lucru NRC). 

„Dacă Soarele intră într-adevăr într-o fază nefamiliară a ciclului solar, atunci noi trebuie să ne dublăm eforturile pentru a înţelege legătura soare-climat”, observă Lika Guhathakurta de la programul „Viaţa cu o stea” al NASA, care a contribuit la fondarea studiului NRC. „Raportul oferă câteva idei bune pentru cum să începeţi”.  

Într-o discuţie a comitetului pentru stabilirea unor concluzii, cercetătorii au identificat un număr de posibili paşi de urmat. Cel mai important dintre aceştia a fost implementarea imagisticii radiometrice. Dispozitivele utilizate în prezent pentru măsurarea iradierii solare (TSI) reduc întregul Soare la un singur număr: luminozitatea totală însumată pentru toate latitudinile, longitudinile şi lungimile de undă. Această valoare integrată devine un punct solitar într-o serie cronologică de urmărire a emisiilor solare. De fapt, aşa cum  Peter Foukal de la Heliophysics Inc. a subliniat, situaţia este mai complexă. Soarele nu este o minge lipsită de trăsături caracteristice, cu o luminozitate uniformă. În schimb, discul solar este punctat de nucleele întunecate ale petelor solare şi stropit cu spumă magnetică strălucitoare cunoscută sub numele de facule. Imagistica radiometrică ar fi, în esenţă, harta suprafeţei solare şi dezvăluie contribuţia fiecăreia la luminozitatea Soarelui. De interes special sunt faculele. În timp ce petele solare întunecate tind să dispară în timpul minimei solare, faculele strălucitoare nu dispar. Acesta poate fi motivul pentru care înregistrări paleoclimatice cu izotopi sensibili la soare C-14 şi Be-10 indică un ciclu de 11 ani slăbit, activând chiar şi în timpul minimului Maunder. O imagistică radiometrică desfăşurată de câteva observatoare spaţiale viitoare ar permite cercetătorilor să tragă concluziile de care au nevoie pentru a proiecta conexiuni soare-climat într-un viitor lipsit de pete solare, pe o perioadă prelungită.

 

Fotosfera superioara

Această imagine a fotosferei superioare a Soarelui arată structurile magnetice luminoase şi întunecate responsabile pentru variaţiile iradierii solare TSI.

Unii participanţi au subliniat nevoia de a pune datele soare-climat în format standard şi să le facă larg disponibile pentru studii multidisciplinare. Deoarece mecanismele de influenţă ale Soarelui asupra climei sunt complicate, cercetători din mai multe domenii vor trebui să lucreze împreună pentru a le  modela cu succes şi să compare rezultatele concurente. Continuarea şi îmbunătăţirea colaborării dintre NASA, NOAA şi NSF sunt cheile acestui proces.

Hal Maring, un climatolog de la sediul central al NASA care a studiat raportul, observă că: „O mulţime de posibilităţi interesante au fost sugerate de către vorbitori. Cu toate acestea, puţini, dacă vreunul, au cuantificat momentul în care noi putem definitiv evalua impactul lor asupra climei”. Transformarea posibilităţilor în modele fizice concrete şi complete este o provocare cheie pentru cercetători.

În final, mulţi participanţi au remarcat dificultatea în descifrarea legăturii dintre Soare şi climat din înregistrările paleoclimatice, cum ar fi inelele copacilor şi miezurile de gheţari. Variaţiile în câmpul magnetic al Pământului şi circulaţia atmosferică pot afecta depunerea de radioizotopi mult mai mult decât activitatea solară actuală. O înregistrare pe termen lung mai bună a iradierii Soarelui, ar putea fi codată în roci şi sedimente de pe Lună sau Marte. Studiind alte lumi, am putea obţine cheia pentru propria noastră lume.      

Raportul complet, intitulat „Efectele variabilităţii solare asupra climei Pământului” este disponibil la adresa:
http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=13519.

Traducere de Mircea Ştefan Moldovan după Solar Variability and Terrestrial Climate.