Hogyan befolyásolja Napunk az éghajlatot? (Frissítve)

A 20. század technikai vívmányai óriási lökést adtak a fizikai kutatások minden területének, így a napfizikának is. Az elmúlt évtizedek eredményei kibővítették ismereteinket, és sok mindent érthetőbbé tettek a Napban lezajló folyamatokról és ezeknek bolygónkra gyakorolt hatásairól. A kutatások természetesen ma is folytatódnak.

1. ábra. Napfoltok és éghajlat összefüggései

Csillagászok már négy évszázada ismerik a napfoltok jelenségét.
Magasabb napfolttevékenység melegebb éveket, alacsonyabb napfolttevékenység hidegebb időszakokat prognosztizál.

Valentina Zsarkova napfizikus, a Northumbria University (Newcastle) professzora egyike azoknak, akik a Nap működésének mechanizmusait kutatják évtizedek óta.

Napfizikusok a Nap ciklikus működését egy, a Nap belsejében működő, nap-dinamónak nevezett mechanizmusnak tulajdonítják, amely erővonalakat gerjeszt a Nap konvektív zónájának alján.

Ezek az erővonalak a Nap belsején áthaladva a Nap felszínén napfoltokként jelennek meg. Ezekből ki lehet számítani az erővonalak sarokpontjait, amelyeken ezek be vannak ágyazva a fotoszférába.

A napfoltok mágneses tere toroidális (körgyűrűhöz hasonló), míg a Nap háttér mágneses tere poloidális jellegű (azaz pólusokból kiinduló) . A napdinamó a poloidális teret ciklikusan átalakítja toroidális térré, ami saját maximumát a napciklus maximumánál éri el, majd a napdinamó a szoláris minimumnál a toroidális teret poloidális térré alakítja vissza.

A napfoltok eltűnése majd újbóli megjelenése egy 11 éves ciklus szerint következik be.

Azt is megfigyelték, hogy ezek a ciklusok, illetve a napfoltok gyakorisága összefüggésben van a földi időjárás változásával.

A Napban végbemenő folyamatoknak a modelljei jól leképezik a Nap mágneses mezejében ténylegesen megfigyelteket:

  • Ciklikus viselkedés oszcillációkkal a mágneses mező amplitúdójában.
  • A felszín mágneses régiói a napciklus előrehaladtával a magas szélességi körökről az Egyenlítő felé vándorolnak. Ez reprodukálja a “Pillangó diagram” mintát.
  • A felületi mágneses polaritások minden ciklussal megfordulnak.

A szoláris minimum idejében egyszerű a mágneses mező erővonalak struktúrája. 

Ha a rendszer közeledik a napfoltok maximumához, a poláris régiók térerővonalai torzulásokat mutatnak.

A toroidális mező intenzív régiói sűrű térerő-vonalakat mutatnak, és egy nyalábra emlékeztetnek ebben a modellábrában.

 

A ciklus vége felé a térerővonalak kevésbé képeznek nyalábokat.

Az animációkat a NASA Scientific Visualization Studio honlapjáról töltöttük le.

Zsarkova és munkatársai[1] szerint a napfoltok mágneses térváltozása alapján a napciklus hosszát 22 évben célszerű meghatározni. Felfedezésük lényege, hogy a háttér mágneses tér két fő komponensből tehető össze. A kutatók ennek a két görbének az összegzését javasolják a Nap aktivitásának új jellemzőjeként (proxy) figyelembe venni.

2. ábra Felső diagram: a szoláris háttér mágneses mezőjének két fő összetevője (kék és piros görbék), amelyeket a 21–23. ciklusra kaptunk (mért adatok), illetve prognózisok a 24–26. ciklusra ([1] adataiból). Az alsó grafikon: A fenti két görbe értékeinek összegzésével kapott görbe ([1] adataiból).

3. ábra. A két mágneses hullám összegző görbéje megmagyarázza a 11 éves ciklusok számos jellemzőjét, mint például a dupla maximumot bizonyos ciklusokban, vagy a naptevékenység aszimmetriáját az ellenkező féltekéken a különböző ciklusok során. Zsarkova és munkatársai 2015-ben összekapcsolták a modulus-összegző görbét a 21–23. ciklus átlagos napfoltszámaival, amint az a 3. ábrán látható (felső diagram), és kiterjesztették ezt a görbét a 3. ábrán látható 24–26. ciklusra (alsó diagram). Zsarkova szerint az összesített szoláris mágneses mező amplitúdója, amely az összegző görbén látható, a 24-25. ciklus felé haladva csökken, és a 26. ciklusban közel nulla lesz.

Az alábbi ábrákon be van jelölve a napfoltciklusok számozása.

4. ábra: Napfoltciklusok

 

5. ábra: Az elmúlt évtizedek napfoltciklusai

 

6. ábra A naptevékenységi (összegző) görbe az i.sz. 1200-2015-ig számított, illetve 3300-ig prognosztizált adatok alapján ([1]).

Zsarkova és munkatársai azt javasolták, hogy az összegző görbét használják a naptevékenység új proxyjaként, amely nemcsak a napciklus amplitúdóját veszi figyelembe, hanem a szoláris mágneses mező vezető mágneses polaritását is. A 6. ábra a levezetett matematikai képletekkel számított összegző görbét mutatja időben vissza 800 évre és előre 1200 évre. Ez a görbe 350-400 éves Grand Solar Ciklusokat tár elénk, amelyeket két mágneses hullám interferenciája okoz. Ezeket a nagy ciklusokat a nagy szoláris minimumok, vagy a nagyon alacsony naptevékenység időszakai választják el (Zsarkova és munkatársai, 2015). A legutóbbi Grand Solar Minimum a Maunder minimum (1645-1710), a másik pedig korábban Wolf minimum (1270-1350) volt. Amint az a 6. ábrán látható, Zsarkova és munkatársai szerint a következő 500 évben két modern Grand Solar Minimum várható: a 21. századi (2020-2053) és a második a 24. században (2370-2415)
A teljes napsugárzás (Total solar irradiance TSI) csökkenése a Maunder Minimum alatt 

Vizsgáljuk meg, mi történt a napsugárzással az előző Grand Solar Minimum – Maunder Minimum – idején. Ebben az időszakban nagyon kevés napfolt jelent meg a Nap felszínén, és a Nap teljes fényereje kissé csökkent. A ciklus átlagos teljes napsugárzás 1610-ig visszamenő rekonstrukciója (3. ábra, felső diagram) arra enged következtetni, hogy a napsugárzás a Maunder-minimum alatt körülbelül 3 W/m2 értékkel csökken (Lean és munkatársai 1995), ami a teljes napsugárzás 0,22%-ának felel meg. Ez a sugárzáscsökkenés a Maunder-minimum 1710-es megszűnése után is megmaradt.

Hőmérséklet-csökkenés Maunder minimum alatt

7. ábra. Felső diagram: A teljes napsugárzás rekonstrukciója, Lean és munkatársai, 1995. módosította Easterbrook (2016), Lean, JL, Beer, J. Bradley, R. 1995. Alsó diagram: Közép-Angliában 1658 óta folyamatosan mérik a hőmérsékletet (CET). A kék területek ismétlődő hűvös időszakok; a piros területek meleg időszakok. Közép-Angliában a szoláris minimumok mindig egybeestek a hűvös időszakokkal. Easterbrook, 2016.

1645 és 1710 között, amikor a Nap egy csendes, a Maunder-minimumnak nevezett fázisba lépett. A Föld északi féltekéjének nagy részén süllyedt a hőmérséklet. A sugárzás 0,22 %-os csökkenése az európai átlagos földi hőmérséklet 1,5 °C-os csökkenéséhez vezetett, ahogy azt a 7. ábra alsó rajzán láthatjuk. (Easterbrook, 2016). Az északi féltekén az átlaghőmérsékletnek ez a látszólag csekély csökkenése befagyott folyókhoz, hideg hosszú telekhez és hűvös nyarakhoz vezetett.

A Föld felszíni hőmérséklete az egész Földön csökkent (lásd 1. ábra Shindell és munkatársai 2001), különösen az északi félteke országaiban. Európa és Észak-Amerika mélyfagyásba került: az alpesi gleccserek a völgyi mezőgazdasági területeken is megjelentek, tengeri jég érkezett délre az Északi-sarkról. Ezekben az években rendszeresen befagyott a Duna és a Temze, valamint Hollandia híres csatornái.

A mágneses tér szerepe a földi hűtésben a Grand Solar Minimumban

A Maunder minimum alatt azonban nemcsak a napsugárzás változott. A Maunder-minimum idején a földi hőmérséklet csökkenéséhez egy másik tényező is hozzájárul – ez a szoláris háttér mágneses mező, amelynek szerepét eddig figyelmen kívül hagyták. Miután felfedezték (Zsarkova és munkatársai, 2015) a mágneses tér jelentős csökkenését a közelgő modern Solar Minimumban és a Maunder-minimum idején, felismerték, hogy a szoláris mágneses mező szabályozza a Naprendszer bolygóinak légköreit elérő kozmikus sugarak szintjét – beleértve a Földet is. A Nap mágneses mezőjének jelentős csökkenése a Grand Solar Minimumok idején kétségtelenül a galaktikus és az extragalaktikus kozmikus sugarak intenzitásának növekedéséhez vezet, ami viszont magas felhők kialakulását eredményezi a földi légkörben. Ez hozzájárul a légkör lehűléséhez, amint azt Svensmark és munkatársai (2017) megállapítják.

Az előző szoláris minimumban a 23. és 24. ciklus között a kozmikus sugárzás intenzitása 19%-kal nőtt. Jelenleg radikálisan csökken a Zsarkova és munkatársai által előrejelzett napi mágneses tér, ami viszont a Nap bolygóközi mágneses mezejének meredek csökkenéséhez vezet a jellemző 6-8 nanoTesla (nT) értékről, mindössze 4 nanoTeslára. A bolygóközi mágneses tér csökkenése természetesen a bolygó légkörébe jutó kozmikus sugarak intenzitásának jelentős növekedéséhez vezet, amint arról a közelmúltbeli űrmissziók is beszámoltak (Schwadron és munkatársai, 2018). Így a szoláris mágneses tér csökkenésének ez a folyamata Zsarkova és munkatársai (2015)[1] előrejelzése szerint halad. Ez hozzájárulhat a Grand Solar Minimum 2020-ban kezdődött további hőmérséklet-csökkenéséhez.

Zsarkova az alábbiakban foglalja össze prognózisát:

  • 2020-2053 között egy Grand Solar Minimum fog bekövetkezni
  • Ez egy egyedülálló esemény a Nap-Föld kapcsolat terén, amely verifikálja vagy falszifikálja a szoláris dinamós modelleket
  • A Total Solar Irradiance (TSI) és a mágneses tér csökkenése hatással lesz a földi hőmérsékletre (hideg tél és nyár, ózonkoncentráció csökkenés, magas felhőképződés, légáramlás-változások)
  • A vulkáni és földrengési tevékenységek növekednek
  • A vegetációs időszakok szűkülése 2028-2042-ben élelmiszerhiányhoz vezethet
  • Kormányközi erőfeszítésekre van szükség a katasztrófák elkerülése érdekében.

Kommentárunk:
A széndioxidra fókuszáló klímamodellek kivétel nélkül megbuknak (megbuktak), akár ha az elmúlt évszázadok hőmérséklet-ingadozásait kellene megmagyarázniuk, akár, ha a közeljövőt próbálják meg prognosztizálni. Zsarkova modelljei evvel szemben logikusan követhető magyarázatot adnak a múlt eseményeire több ezer évre visszamenőleg. Hogy a jövő vonatkozásában is helytállók-e prognózisai, azt a következő évtizedek, egészen pontosan a következő három évtized fogja eldönteni. Zsarkova mindenesetre határozott prognózisokat ad az elkövetkező évtizedekre, szemben a CO2-re fókuszáló modellekkel, amelyek – az elmúlt évtizedek kínos felsülései miatt – már csak 2100-ra mernek prognózist adni. Mindazonáltal azonban a puding próbája az evés, de viszonylag rövid időn – 30 éven – belül biztosan tudjuk, helyesek-e Zsarkova számításai.

Zsarkova természetesen csak egy az asztrofizikusok között, aki próbálja a jelenségeket értelmezni.

Feltétlenül meg kell említenünk Willie Soon és Muraközy Judit nevét, akik munkatársaikkal közösen tavaly adták közre munkájukat a Solar Physics folyóiratban.

Group Sunspot Numbers: A New Reconstruction of Sunspot Activity Variations from Historical Sunspot Records Using Algorithms from Machine Learning

– Csoportos napfoltszámok: A napfoltaktivitás variációk új rekonstrukciója a történelmi napfolt-feljegyzések alapján a gépi tanulásból származó algoritmusok segítségével

címmel.

Idézünk a mű kivonatából:

A napfoltok történeti feljegyzései és egy átfogó adatbázis létrehozása a napfizika legfontosabb kutatási tevékenységei közé tartozik. Itt újra megvizsgáljuk az úgynevezett csoportos napfoltszámok (GSN) rekonstrukciójával kapcsolatos problémakört, melyet D. Hoyt és munkatársai kezdtek el kutatni. A GSN adatokat a mesterséges intelligencia (AI) modern eszközeivel vizsgáljuk különféle gépi tanuláson (ML) alapuló algoritmusok alkalmazásával.

A cél egy új szempont felkínálása a napfoltaktivitás-variációk rekonstrukciójában, azaz egy Bayes-féle rekonstrukció, hogy teljes valószínűségi GSN-feljegyzéseket kapjunk az 1610 és 2020 közötti időszakra. Ez az új GSN-rekonstrukció összhangban van a történelmi GSN-feljegyzésekkel.

Ezenkívül összehasonlítjuk az így elkészült GSN-feljegyzéseket a legfrissebb GSN-rekonstrukciókkal, amelyeket számos asztrofizikus készített.

AI algoritmusaink különféle új mögöttes mintákat és variációs csatornákat képesek feltárni, amelyek teljes mértékben képesek figyelembe venni a teljes GSN időbeli variabilitását, beleértve a rendkívül alacsony vagy gyenge napfoltaktivitású intervallumokat is, mint például a Maunder-minimum 1645 és 1715 között.

Eredményeink azt mutatják, hogy a GSN-adathalmazok nem követik kizárólag a 11 éves ciklusokat, hanem 5,5 éves, 22 éves, 30 éves, 60 éves és 120 éves ingadozásokat is megállapítottunk. Az AI/ML átfogó GSN-rekonstrukciója segítségével nemcsak a 11 éves napfolt-ciklusok természetéről és jellemzőiről nyerünk új ismereteket, hanem a Maunder-minimum idején fellépett 22 éves Hale-féle polaritási ciklusokról is, melyek ezideig rejtve voltak.

Az 1850-es évek elején Wolf az eredeti napfoltszám-rekonstrukciót 1,25-szörösére szorozta, hogy megkapja a kanonikus Wolf napfoltszámokat (WSN). Ha ezt a szorzótényezőt eltávolítjuk, azt találjuk, hogy a GSN és a WSN csak néhány százalékkal tér el az 1700 és 1879 közötti időszakban. Összehasonlítva a Clette és munkatársai által nemrégiben javasolt nemzetközi napfoltszámmal (ISN) (Space Sci. Rev. 186, 35, 2014) számos eltérést találunk, ami további napfolt megfigyeléseket tesz szükségessé. Cikkünk olyan napfolt-regisztrálásokat is figyelembe vesz, melyek eddig még nem szerepelnek a GSN adatbázisában.

Beillesztünk továbbá egy ábrát a műből:

 

8. ábra. Az éves napfoltcsoport-számok a Bayes-modell standardizált teljesítmény-anomáliái szerint a 12–24. ciklusokra (szürke sávok) az 1610 és 2020 közötti időszakra. – σ + és σ− szórás az átlagos teljesítmény-anomália értéke felett, illetve alatt. – A 0,5σ + értéknél szaggatott vonal kerül hozzáadásra, hogy a napfoltciklus teljesítmény-anomáliáját „magasnak” minősítse. A szekuláris minimum egy olyan időszak, amelyben két vagy több egymást követő negatív ciklus teljesítmény-anomália van. Történelmileg pontosabb nevet javaslunk a négy szoláris minimumnak, amelyek egyértelműen és tartósan negatív értékekkel rendelkeznek a teljesítmény-anomália indexében: Maunder-minimum, a Dalton-Wolf (más néven Dalton) minimum, a Gleissberg-Waldmeier (Modern néven ismert) minimum és a huszonegyedik századi minimum. A pozitív összteljesítmény-anomáliákat rózsaszín, a negatív anomáliákat sárga árnyalatú sávokkal jelöljük.

Ami figyelemre méltó:
Úgy Zsarkova, mint Soon és munkatársai szoláris minimumot jeleznek előre a következő évtizedekre.

2022 január

Közzéteszi az idézett művek alapján:
Király József
okl. vegyészmérnök

Frissítés 2022. február

Időközben az EIKE honlapon is fölhívták a figyelmet a Zsarkova téziseivel foglalkozó honlapra, melyet mi is linkelünk.

Az angol nyelvű szakmai közönség szenvedélyesen tárgyalja a fizikus állításait pro és kontra a https://andthentheresphysics.wordpress.com/2020/03/04/zharkova-et-al-retracted/   és  https://pubpeer.com/publications/3418816F1BA55AFB7A2E6A44847C24
honlapokon. Akit érdekel a téma, bizonyára sok érdekes részletre fog bukkani. A stílus hagy néha kívánnivalót  maga után, helyenként nem mentes a személyeskedéstől sem.

[1] Heartbeat of the Sun from Principal Component Analysis and prediction of solar activity on a millenium timescale – A Nap szívverése a fő komponensek elemzésének alapján, valamint a naptevékenység előrejelzése egy évezredes időskálán
https://www.nature.com/articles/srep15689 illetve ennek egyszerűsített változata:
Szoláris aktivitás

 

 

Tetszett a cikk? Amennyiben igen, fejezze ki tetszését a
Reális Zöldek Klub
társadalami szervezet részére juttatott támogatásával 300 Ft értékben.
Bankszámlaszámunk:
11702036-20584151 (OTP)
A Fővárosi Bíróság végzése a társadalmi szervezet nyilvántartásba vételéről itt található.
Print Friendly, PDF & Email