Promieniowanie kosmiczne a klimat na Ziemi
wahania strumienia promieniowania kosmicznego w dłuższych okresach czasu
Żyjemy na Ziemi. Jest ona jedną z planet krążących wokół Słońca (w odległości jednej jednostki astronomicznej AU). Cały Układ Słoneczny (o rozmiarach powiedzmy 39 AU) zanurzony jest w bezkresnej (w pewnej, rzecz jasna, skali odległości) przestrzeni kosmicznej, z której dochodzi do nas promieniowanie kosmiczne (oczywiście poza tą jego cześcią, jaką produkuje samo Słońce). Oddziela nas od niej odszar (rozmiarów, powiedzmy 200 AU - zależy, w którą stronę patrzeć), w którym wpływ Słońca stopniowo maleje, aż wreszcie zanika zupełnie.

heliosfera

Promieniowanie kosmiczne, aby dotrzeć do granic ziemskiej atmosfery musi przedostać się przez pola magnetyczne Słońca i Ziemi. W porównaniu z polami w przestrzeni międzygwiezdnej są one całkiem duże i cząstki kosmiczne, jako obdarzone ładunkiem elektrycznym odchylane są w tych polach i to tym bardziej, im mniejsze mają energie. Jeśli dodać do tego cząstki wiatru słonecznego, czyli to, co produkuje najbliższa nam gwiazda, sytuacja staje się naprawdę bardzo skomplikowana.
Od czasu, gdy Słonce przestało być bogiem, nie ma powodów, aby przyjmować, że jest ono doskonałe i niezmienne w swej wielkości. Wykrycie plam na Słońcu i ich obserwacje przyczyniły się do okrycia, że gwiazda nasza z całkiem dobrą dokładnością podlega okresowym zmianom i okres ten jest z grubsza równy 11 latom. Dziś wiadomo, że w ciągu tych jedenastu lat dziwne i nie do końca zrozumiałe rzeczy dzieją się z polem magnetycznym Słońca. Co jedenascie lat zmienia się jego kierunek, a każdej takiej zmianie towarzyszy silna aktywnońć na widocznej jego powierzchni objawiająca się (miedzy innymi) rozbłyskami i wybuchami, wyrzucaniem w przestrzeń strumieni materii, co powoduje niemałe zaburzenia w całym Układzie Słonecznym.
Poza tymi gwałtownymi zjawiskami badanie długookresowych zmian sytuacji w polach magnetycznych Układu Słonecznego także okazuje się być ciekawym i prowadzić może do ważnych (i praktycznych) wniosków.
Okazuje się, że cykl jedenastoletniletni nie jest jedynym rodzajem zmienności. Jeśli sprawdzić, jak liczba plam na Słońcu zmieniała się w przeszłości, okaże się, że był taki czas, że nie było ich prawie wcale.

Maunder minimum

Okres ten zwykło się nazywać "minimum Maundera". Powstaje istotne pytanie, czy liczba plam na Słońcu ma jakiś wpływ na to, co dzieje się na Ziemi. Pomijając tu (z braku miejsca) wiele potencjalnie możliwych, acz do końca niejasnych i z gruntu niefizycznych efektów (natury np. historycznej, socjologicznej, czy polityczno-militarnej), skupmy się najpierw na związku liczby plam z intensywnością promieniowania kosmicznego.
Promieniowanie kosmiczne wykryto dopiero 100 lat temu (niecałe), a więc mogłoby wydawać się, że nie ma szans na odpowiedź na pytanie, ile go było w okresie minimum Maundera. Okazuje się, że nie jest to prawda.
W atmosferze ziemskiej, obok innych (typowych) izotopów węgla wystepuje radioaktywny izotop C 14. Jest on produkowany stale właśnie przez promieniowanie kosmiczne o niskich energiach w górnych warstwach atmosfery. Węgiel, ten radioaktywny także, asymilowany jest w organizmach roślin i odkłada się w nich przez całe życie, a więc, przyglądając się, ile jest radioaktywnego węgla w szczątkach organizmów z odległych epok, możemy z grubsza powiedzieć, jaki strumień promieniowania kosmicznego docierał wtedy do Ziemi. Wyniki takich pomiarów pokazane są na wykresie:

Maunder minimum

Na rysunku pokazano także czas minimum Maundera i kilka innych faktów z historii. Okres minimum (liczby plam jak i zawartości węgla C14) zbiega się z tak zwaną małą epoką lodową znaną z zapisków historycznych. Poprzedzająca minimum epoka dużej aktywności Słońca przypada na "ciepłe średniowiecze". Wtedy to Wikingowie dotarli na Grenlandię i nazwali ją właśnie "Ziemią Zieloną". Dziś chyba nikomu taka nazwa nie przyszła by do głowy! Jeśli dodać do tego zapiski o krainie winorośli gdzieś w Kanadzie (może i na Labradorze), zbiezność (korelacja) strumienia promieniowania kosmicznego i średniej temperatury na Ziemi wydaje się całkiem realna.
Aby powiedzieć o tym coś więcej, trzeba się jednak odwołać do czasów, w których dane, tak o aktywnoś Słońca, jak i o strumieniu promieniowania kosmicznego znane są dokładniej.

Maunder minimum

Rysunek pokazuje zmiany strumienia powolnych neutronów produkowanych w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne niskich energii mierzone przez jeden z najsłynniejszych monitorów neutronowych: Climax w Kolorado (linia i skala zielona) Wcześniejsze dane o strumieniu promieniowania kosmicznego pochodzą z komór jonizacyjnych. Komory takie mierzą cząstki o wyższych energiach. Wyniki otrzymane za ich pomocą pokazuje linia czerwona. Kolorem niebieskim pokazano, jak zmieniała się w tym czasie średnia liczba plam słonecznych. Widać wyraźnie, że im więcej plam, im aktywniejsze jest Słońce, tym mniej cząstek dociera do nas z kosmosu.
Ale jak to może wpływac na temperature na Ziemi?
Już starożytni Grecy (napewno) zastanawiali się, skąd biorą się chmury. Dziś wiemy, że składają się on głównie z wody w postaci małych kropelek (lub kryształków), jakie powstały z zawartej w atmosferze pary wodnej. Aby para mogła się skroplić (lub zestalić), potrzebne są dwie rzeczy: odpowiednio niska temperatura i tak zwane zarodzie kondensacji. O ile z tym pierwszym nie ma problemów, wystarczy wznieść się odpowiednio wysoko, z drugim mogą być kłopoty. Wysoko w górze nie zawsze jest dostatecznie dużo pyłów i różnych "niejednorodności" w atmosferze.
Okazuje się (na szczęscie!), że doskonałymi zarodkami dla skraplania się pary mogą być zjonizowane atomy powietrza. Jony powstają przede wszystkim, gdy z jakiegoś neutralnego atomu, czy cząsteczki chemicznej z użyciem brutalnej siły wybije się choćby jeden elektron. A skąd wziać wysoko w atmosferze brutalną siłę?
Odpowiedź jest zupełnie prosta: dostarczyć jej mogą cząstki promieniowania kosmicznego. Mogą one z łatwością i w dużej liczbie jonizować powietrze i robią to przez cały czas. Spodziewać by się można, że im tego promieniowania więcej, tym łatwiej będą tworzyć się nad nami chmury.
Gdyby mechanizm taki w rzeczywistości pracował, wyjasniałby on natychmiast pochodzenie małej epoki lodowej i nazwę Grenlandii. Im więcej promieniowania, tym więcej chmur nad ziemia, a chmury zmniejszają ilość wysyłanego z ziemi w niebo ciepła (o czym najlepiej przekonać się w bezchmurne zimowe noce), a więc tym cieplej, średnio rzecz biorąc oczywiście.

Maunder minimum

Na rysunku powyżej porównano stopień zachmurzenia nieba (w skali globalnej) zestawiając dane z czterech satelitów Nimbus-7, DSMP, ISCCP-C2, ISCCP-D2 (punkty na wykresie) i strumień neutronów stacji Climax (linia czerwona). Dodatkowo pokazano także (linia niebieska i przerywana) ilość promieniowania radiowego (na fali o długości 10.7 cm) docierającego do nas ze Słońca. Gdyby ktoś nieuważnie popatrzył na ten rysunek, mogłby powiedzieć, że za temperaturć (klimat) na Ziemi bardziej odpowiada promieniowanie kosmiczne, niż promieniowanie Słońca. Oczywiście nie jest to prawda, ale z drugiej strony wpływu promieniowania kosmicznego na temperaturę na Ziemi nie należy rownież pomijać.

Copyright © T.Wibig. All rights reserved.
E-mail: wibig@zpk.u.lodz.pl
WWW: www.u.lodz.pl/~wibig