22/04/23 1
Vaikuttaako avaruussää maanpäälliseen säähän?
Geomagnetismin luento, sl. 2005Heikki Nevanlinna
22/04/23 2
Vaikuttavatko auringonpilkut säähän ja ilmastoon?
• W. Herschel (v. 1801) esitti ajatuksen, että auringonpilkkujen vaihtelu vaikuttaa maapallon suursäätilaan ja sitä kautta esim. vehnän hinnan vuosivaihteluihin
• H. Schwabe keksi v. 1843 auringonpilkkujen esiintymisen 11-vuotisen jaksollisuuden
• Revontulien ja geomagneettisten häiriöiden esiintymistiheyden 11-vuotinen vaihtelu havaittiin 1850-luvulla
• Ilmatieteen laitoksen ensimmäinen johtaja J.J.Nervander (1805-1848) tutki Auringon pyörähdysajan (27 d) mukaisia lämpötilan vaihteluja
Aurinko 16.1.2005
Aurinko 16.1.2005
22/04/23 3
Pilkut ovat osa Auringon muuttuvaa magneettikenttää
Kenttäviivoja
22/04/23 4
Auringonpilkkujen 11-vuotinenjakso
200
150
100
50
0200019501900185018001750170016501600
Vuosi
AURINGONPILKUT 1600-2005
Maunderin minimi
150
100
50
0
200620042002200019981996
Vuosi
Pilkut
keskimäärin
Auringonpilkkumaksimi
heinäkuu 2000
Maksimi v. 2000.Seuraavapilkkuminimion v. 2006-07
Pilkkujakson keskimääräinen kesto ajanjaksolle 1610-1996 on 11.0 vAuringon magneettikenttä vaihtaa napaisuuttaan 22 v jaksossa (Halen j.)
22/04/23 5
Auringon pilkkulukujen hitaat vaihtelut
Gleissberg: 90-110 v.De Vries: 200-220 v.
22/04/23 6
Auringon aktiivisuuden lähteitä
Aurinkotuuli
Korona-aukot CME
Flare
Pilkkujen ympäristö CME 16.1.2005
22/04/23 7
550
500
450
400
35020001995199019851980197519701965
Year
200
150
100
50
0
Solar Wind Velocity & Sunspot Number Solar Wind
Sunspots
Aurinkotuuli puhaltaa voimakkaimmin pilkkuminimin lähellä, hitaammin
pilkkumaksimissa
22/04/23 8
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
08
8
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
-1
-1
-2
-2
-3
-3
-4
-4
-5
-5
Years From Sunspot Maximum (= 0)
140
120
100
80
60
40
20
Sunspots
Magnetic Storms 1868 - 1998
Magneettisia myrskyjä ja revontulia on eniten 2-3v. pilkkumaksimin jälkeen
22/04/23 9
Auringon aktiivisuus ja geomagneettiset häiriöt 11-vuotisen pilkkujakson (R) aikana
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––Pilkkujakson Auringon magneettikentän Auringon aktiivisuuden Geomagneettistenvaihe rakenne pääasiallinen lähde häiriöiden luonne
kasvava R multipoli, toroidi, epävakaa flare, CME transientti, shokkialku,myrskyfrekvenssillä hyväR-korrelaatio
≈ maksimi R multipoli/dipoli, dipolin flare, CMEnapaisuus vaihtuu aktiivisuuden taso laskee transientti,
myrskyjen määrälaskee 1-2 vuodeksi
laskeva R stabiili poloidi, Nopea aurinkotuuli 27 d myrskytoistuvuusavoimia kenttäviivoja korona-aukoista aktiivisuusmaksimi
2-5 v maks. R:n jälkeen
1-2 v. Korona-aukot hidas aurinkotuuli aktiivisuuden minimiminimi R:n jälkeen vetäytyvät napa-alueille ekvaattorialueelta
22/04/23 10
Suuria hiukkaspurkauksia on Auringossa eniten pilkkujakson laskevalla kaudella
22/04/23 11
Avaruussää - mitä se on?• Avaruussää on maapallon
lähiavaruuden sähkömag-neettisen voimien ja sähköi-sesti varattujen hiukkasten muutos. Avaruussääilmiöt (esim. revontulet) tapahtuvat pääasiassa maapallon ioni- ja magneettikehissä noin 100 km korkeudelta lähtien.
• Avaruussäähäiriöt aiheutuvat auringon aktiivisuudesta ja liittyvät auringonpilkkuihin. Aurinkotuuli tuo varattuja hiuk-kasia maapallon lähiavaruu-teen
250
200
150
100
50
02000198019601940192019001880
Vuosi
40
35
30
25
20
15
10
5
Sininen: AuringonpilkutPunainen: Geomagneettiset myrskyt (aa)
AVARUUSILMASTO ON AURINGON AKTIIVISUUDEN HIDAS MUUTOS
Avaruusilmasto on” lämmennyt” 1900 -luvun alusta lähtien: magneettisten myrskyjen ja revontulien määrä on kasvanut
22/04/23 12
Auringon purkauksien voimaa
• Coronal Mass Ejection eli CME on auringon massapurkaus, jonka aikana auringon materiaa sinkoutuu avaruuteen tyypilli-sesti miljardi tonnia nopeudella 1000 km/s. Purkaus havaitaan maapallolla 1-2 vrk myöhemmin
• Maapallo vastaanottaa lisä-energiaa suunnilleen 500 GW teholla jopa useiden tuntien ajan. Lisäenergia on kuitenkin vain promillen osia auringon jatkuvasta säteilystä
CME vaikuttaa maapallon magneettikehässä suurimmillaan noin 500 GW teholla, jokavastaa yli kymmenkertaisesti koko Suomentehonkulutusta
Revontulikaari USA:n yllä8.11.2004
22/04/23 13
Auringon aktiivisuus säätelee yläilmakehää (h > 80 km)
• Auringonpilkkumaksi-mista -minimiin ionosfää-rin ja termosfäärin lämpö-tila vaihtelee tekijällä ≈ 2, neutraalihiukkasten ja elektronien tiheys tekijällä ≈ 100
• Auringon aktiivisuus kontrolloi täysin ylä-ilmakehän ominaisuuksia kaikilla aikaväleillä
22/04/23 14
Ionosfäärin tila seuraa auringonpilkkujen määrää
• Auringon aktiivisuus säätelee olennaisesti yläilmakehän fysikaalista tilaa
• Onko auringon aktiivisuudella myös vaikutusta alailmakehäs-sä, missä tavalliset sääilmiöt tapahtuvat?
12
10
8
6
2005200019951990198519801975197019651960
Vuosi
150
100
50
f0f2 - Sodankylä 1958-2003
Auringon-pilkkuluku
AURINKO SÄÄTELEE MAAN IONIKEHÄN ELEKTRONITIHEYTTÄ
22/04/23 15
Sääteleekö Auringon aktiivisuus myös sääilmiöitä?
22/04/23 16
Kasvihuoneilmiö ylläpitää elämää maapallolla
Kasvihuoneilmiön vaikutuksesta maapallon keski-lämpötila on +15°C, ilman kasvihuoneilmiötä se olisi -18°C
22/04/23 17
Lämpötila on kasvanut kahdessa “aallossa” 1900-luvun alusta
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
20001980196019401920190018801860Vuosi
Maapallon lämpötilamuutos1856-2003
Sininen: Vuosikeskiarvot
Punainen: 11-vuoden tasoitus
Lähde: Climatic Research Unit; www.cru.uea.ac.uk
SAT =SurfaceAirTemperature
22/04/23 18
Kasvihuoneilmiö vahvistuu - maapallon ilmakehä lämpiää
• Ilmakehän lämpötila on noussut 150 vuoden aikana 0.6 °C (∆T)
• Nousuvauhti ei ole ollut tasais-ta. Lämpötilan nousu oli vähäis-tä 1940-60 ja 1800-luvun lopul-la
• Voidaanko lämpötilan nousu selittää kasvihuonekaasujen lisääntyneillä päästöillä?
• Hallitusten välisen ilmaston-muutospaneelin (IPCC) tutki-joiden mielestä kyllä; ihmisen “sormenjälki” näkyy lämpö-tilan nopeana kasvuna
360
340
320
300
2000196019201880
Vuosi
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
CO2
∆T
MAAPALLON LÄMPÖTILA KASVAA
22/04/23 19
Maapallon ilmakehän lämpötilan kasvu: alhaalla lämpiää ylhäällä kylmenee
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6200520001995199019851980
Vuosi
Pinatubo 1991El Chichon 1982
(1)
(2)
(3)
1.“Mittarilukemat” maanpinnalla
2. Satelliittimittauksettroposfäärissä 4-5 km
3. Satelliittimittaukset stratosfäärissä n. 20 km
Lämpöpiikit tulivuoren purkauksista
22/04/23 20
Maapallon ilmakehällä on kuumetta 0,6 °C
22/04/23 21
Ilmakehän säteilypakotelähteet
22/04/23 22
Ilmastonmuutoksen syitä - 1• Luonnolliset syyt:• Aikavälillä 1-1000 v: Auringon säteilymuutokset,
tulivuorien kaasut ja pöly, ilmakehän sisäsyntyiset muutokset ilmakehä-valtamerikytkennöissä (esim. El Nino-ilmiö)
• Aikavälillä 1000 - 100 000 vuotta: Maapallon kiertoradan ja pyörimisakselin kallistuskulman muutokset rytmittävät jääkausien esiintymistä (Milankovichin säteilyteoria), vulkanismi, aurinko
• Aikavälillä >> 100 000 vuotta: Mannerliikunnot, vuoristojen muodostumiset muuttavat meri- ja ilmavirtoja ja ilmastoa
22/04/23 23
Ilmastonmuutoksen syitä - 2• Ihmisen aiheuttamat muutokset:• Aikaväli 10-200 vuotta• Kasvihuonekaasujen (mm. CO2, CH4) lisääntyneet
päästöt nostavat maapallon ilmakehän alaosan lämpötilaa ja vaikuttavat ilmastoon. Stratosfääri jäähtyy
• Freonit eli CFC-yhdisteet tuhoavat stratosfäärin (15-30 km) otsonia (arktiset otsoniaukot), joka muuttaa ylemmän ilmakehän ilmastoa
• Teollisuuden aerosolipäästöistä ilma samenee ja jäähtyy
22/04/23 24
Auringon säteilyenergian vaihtelut
• Aurinkovakio (S) 1360 W/m2. Ilmakehän muutosten tärkein energialähde
• Energiamaksimi näkyvän valon (≈ 500nm) alueella
• S vaihtelee auringon-pilkkujakson aikana max. ±0.1%. Säteily on suurin pilkkumaksimissa
• Auringon säteilyn intensiteetin vaihtelut suuria, kun < UV tai >> IR (radioaallot MHz, GHz)
0.001
0.01
0.1
1
2 3 4 5 6 7 8 9103
2 3 4 5 6 7 8 9104
2 3 4 5
Wavelength (nm)
Black Body at 5800 K
I n f r a r e d
Solar Energy at Sea Level
Solar Energy Outside Atmosphere
Black Body Infrared Emissionfrom Earth's Surface (300 K)
22/04/23 25
Auringon kokonaissäteily ja maapallon lämpötila 1856-2003
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
20001980196019401920190018801860
Vuosi
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
∆F Auringon säteilyn
muutos
∆T (CRU)Lämpötilan muutos (°C)
1856 - 2003
22/04/23 26
Auringon säteily riippuu heikosti auringonpilkuista
• Satelliittimittaukset osoit-tavat, että auriko on hie-man kuumempi pilkku-maksimissa kuin mini-missä
• Ero säteilyvoimakkuu-dessa on noin 0.1 %, joka aiheuttaa maapallolla korkeintaan 0.1 °C lämpö-tilamuutoksen.
1367.2
1366.8
1366.4
1366.0
1365.620052000199519901985198019751970
Vuosi
200
150
100
50
0
Aurinkovakiosatelliitti-
mittauksista
Auringon-pilkut
AURINKO SÄTEILEE LÄMPIMÄMMIN, KUN PILKKUJA ON ENITEN
22/04/23 27
Auringonpilkkulukujen määrä ei vaikuta maapallon lämpötilaan
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
15010050
Auringonpilkkuluku (tasoittamattomat vuosiarvot)
Korr.kerr. r = 0.29
T18
56-2
003
Auringonpilkut
22/04/23 28
Vaikuttaako kosminen säteily pilvisyyteen?
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2000199519901985
7000
6500
6000
5500
5000
4500
Alapilvienmäärä
Kosminensäteily
H. Svensmark, 2000.Space Sci. Rev, 93.
22/04/23 29
Auringon aktiivisuus ja maapallon lämpötila
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
2000197519501925190018751850
Vuosi
12.0
11.5
11.0
10.5
10.0
9.5
Lämpötila
Auringonaktiivisuus
Friis-Christensen & Lassen, 1991. Science, 254.
22/04/23 30
Lämpötilan muutoksessa mukana myös auringon vaikutus
• Lämpötilan muutoksia aiheuttavat ns. luonnolliset tekijät (aurinko, tulivuoret ja ilmakehän omat sisäiset muutokset mm. El Nino)
• Auringon säteilymuutokset selittävät korkeintain 20% lämpötilan muutoksesta ennen vuotta 1960
• Nykyinen lämpötilan kasvu-vauhti todistaa voimistuneen kasvihuoneilmiön vaikutuksesta
40
35
30
25
20
15
10
Aur
ingo
n ak
tiivi
suus
(aa)
2000196019201880
Vuosi
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
Läm
pötilan muutos
aa
∆T
∆T(aa, CO2)
LÄMPÖTILAAN VAIKUTTAVAT SEKÄAURINKO ETTÄ HIILIDIOKSIDIN KASVU
22/04/23 31
1930-luvun lämpökausi: alueellinen ilmiö
1930-luvun lämmin kausirajoittui pohjoisille leveysasteillelokaalina ilmiönä
Keskileveysasteet
Napaseutu
Nyt käynnissäoleva lämpeneminen on globaalia laajuutta
22/04/23 32
Lämpenemisen selitysmalli(Delworth & Knutson, 2000. Science, 287)
Coupled Ocean-Atmospheric Model
22/04/23 33
Auringon muutokset vaikuttavat lämpötilan hitaissa muutoksissa
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
Maa
pallo
n lä
mpö
tilan
muu
tos (
°C)
2000190018001700160015001400
Vuosi
Maapallon lämpötila
Auringon aktiivisuudenennuste lämpötilalle
Mann et al, 1998
Lämpötilan“Jääkiekko-mailakäyrä”
22/04/23 34
Jäänlähtö Tornionjoesta aikaistuu: onko Auringolla osuutensa?
• Tornionjoen jäänlähtö-päivän hitaat vaihtelut 1693-2002 kertovat ilmastonmuutoksista. Jäänlähtöpäivät ovat 300 vuodessa aikaistuneet noin 2 viikkoa
• Auringon kokonais-säteilyn muutoksella on tietty korrelaatio jään-lähtöpäivien vaihteluun
8
4
0
-4
-8
Bre
akin
g up
of I
ce (D
ays S
ince
May
15)
2000195019001850180017501700
Year
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
Change in the Solar Irradiance (W
/m^2)
Date of the Breaking-up of Ice
Solar Irradiance
22/04/23 35
Auringon säteily ja revontulien esiintyminen 1000 vuoden aikana
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.320001900180017001600150014001300120011001000
Year
1
2
3
4
56789
10
2
3
456789100
Irradiance
AuroralOccurrence
(11-yr smoothed)
Maunder's Minimum
22/04/23 36
Selitysmalleja auringon aktiivisuuden ja
maapallon sääilmiöiden välille
Vaikuttajia:*Säteilymuutokset (UV)*Hiukkaset (elektr., prot.)
Auringon aktiivisuus-vaikutuksia vahvistavia mekanismeja ilmakehässä: * ionisaatio, josta syntyy pilviä* otsonipitoisuuden muu-tokset, jotka vaikuttavat lämpötilaan stratosfäärissä
22/04/23 37
Kokemuksia Auringon aktiivisuus vs. sää- & ilmastotutkimuksista 30 vuoden
ajalta• “Auringon aktiivisuuden vaikutus
sääilmiöihin” (H. Nevanlinna, 1974), Ilmatieteen laitos, Tutkimusraportti No.53
• “Auringon aktiivisuus ja maapallon lämpötilan vaihtelut 1856-2003”(H. Nevanlinna, 2004), Ilmatieteen laitos, Raportteja 2004:4
22/04/23 38
Kokemuksia Auringon aktiivisuus vs. sää- & ilmastotutkimuksista 30 vuoden
ajalta• Tutkimusmetodi on yleensa tilastollinen, missä
Auringon aktiivisuusparametriä (esim. pilkkuluku) verrataan jonkin ilmastomuuttujan (esim. lämpötila) pitäaikaissarjaan
• Vertailu antaa esim. korrelaatiokertoimia (k) tai spektrianalyysin avulla saatuja jaksollisuuksia (T), joiden statistisen yhteensopivuuden katsotaan todistavan Auringon vaikutuksista ilmakehään
22/04/23 39
Kokemuksia Auringon aktiivisuus vs. sää- & ilmastotutkimuksista 30 vuoden
ajalta• Yleensä ei ole mitään fysikaalista selitysmallia saaduille
korrelaatioille tai jaksollisuuksille. Implisiittisenä oletuksena on, että “Auringon säteilymuutos kuitenkin vaikuttaa maapallon ilmastoon”. Fysikaaliset selitykset ovat kvalitatiivisia tai spekulatiivisia.
• Toistuva ongelma näissä tutkimuksessa on saatujen korrelaatioiden pysymättömyys aikasarjaa jatkettaessa, mikä todistaa, ettei todellista syy-seuraussuhdetta ole, vaan kysymys on sattumasta
22/04/23 40
Without a plausible mechanism, it is much more likely that we are seeingphysically unrelated, though correlated, internal variations in the Sun andinternal variations in the atmosphere or ocean-atmosphere system. M.Geller, 1989 (Nature, 342, p. 15-16)
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
AIKA
Auringonaktiivisuustekijä
(A)
Ilmasto-muuttuja
(B)
Hyvä korrelaatio
A:n ja B.n välillä
Korrelaatioheikkenee
Korrelaatiohäviää
22/04/23 41
Jääkausien syntyyn vaikuttaa auringon säteily
• Maapallon kiertorata auringon ympärillä muuttuu hitaasti. Radan muoto vaihtelee ympyrästä ellipsiin. Kun rata on soikeimmillaan maapallon saama auringon säteily muuttuu etäisyyden muuttuessa auringosta. Säteilymuutokset ovat suurimmillaan ± 20 %
22/04/23 42
Maapallon kiertoradan muutokset vaikuttavat ilmastoon hitaasti
Kiertoradan soikeusvaihtelee 100 000 v jaksossa
Kiertoakselin kallistus-kulma ja suunta muut-tuu 21 000 ja 43 000 v jaksoissa
22/04/23 43
Jäätiköt kasvavat ja supistuvat Milankovichin jaksoissa
45
40
35
30
25
20
15
10
220200180160140120100806040200
Aika ennen nykyhetkeä (tuhansia vuosia)
110
105
100
95
90
Jäätiköiden tilavuus
Auringon säteilyvoimakkuus maapallon ratavaihteluista
22/04/23 44
Jääkaudet vuorottelevat 100 000 vuoden jaksoissa
400
350
300
250
200
150400380360340320300280260240220200180160140120100806040200
Aika ennen nykyhetkeä tuhansina vuosina
Nykyaika
Edellinen lämmin kausi(interglasiaali) 120 000
vuotta sitten
CO2
Kyl
mää
Kyl
mää
Läm
min
tä
Läm
min
tä
Kyl
mää
Läm
pötil
a
22/04/23 45
CO2-pitoisuus ja lämpötila 150000 vuoden ajalta
• Ilmakehän hiilidioksidi-pitoisuus on nyt noin 30 % korkeampi kuin kertaakaan noin 400 000 vuoteen
• Miten se nostaa maapallon lämpötilaa kasvihuone-ilmiön kautta?
Nykytaso
200 v sitten
Jääkausipäättyy
22/04/23 46
Päätelmiä (aikaväli 10-200 vuotta)
• Auringon kokonaissäteily muutos pilkkujakson aikana < 1 ‰. Se voidaan havaita heikkona vaihteluna globaalilämpötilassa (∆T ≈ ±0.05°C)
• Auringon säteilyn systemaattinen kasvu noin vuodesta 1850 voi selittää ilmakehän lämpötilan hitaasta vuosikymmeniä kestävistä heilahteluista ehkä 20 - 40 %. Auringon pakote on pitkäaikais-vaihteluissa (> 11 v) kääntynyt laskuun
• Epäsuorat auringon aktiivisuuden vaikutukset: stratosfäärin otsonipitoisuuden (UV) muutokset ja kosmisten säteiden pilvisyysvaikutukset, ovat spekulaatioiden tasolla. Vaikutus-mekanismit osittain tuntemattomia
22/04/23 47
Päätelmiä (aikaväli >> 200 v)• Ihmisen aiheuttamista kasvihuonekaasupäästöistä johtuen
(lähinnä hiilidioksidi) ilmakehän CO2-pitoisuus on korkeampi kuin koskaan 400 000 vuoden aikana
• Kasvihuoneilmiön voimistumisesta ja siitä johtu-vasta maapallon lämpötilan noususta huolimatta ilmastokehitys kulkee kohti seuraavaa jääkautta 10 000 - 15 000 vuoden kuluttua; ihmiskunnan aiheuttaman kasvihuoneilmiön vahvistumisen ansiosta sen alku voi myöhästyä
• Ennusteiden mukaan siitä tulee heikompi kuin edellisestä
22/04/23 48
Lisää päätelmiä
• Auringon aktiivisuus vaikuttaa hitaissa ilmastonmuutoksissa. Voi olla merkittävä tekijä, kun T > 100 v.
• Harhaa on väittää kaiken ilmastonmuutoksen johtuvan auringosta
• Suurin osa maapallon viimeaikaisesta lämpötilankasvusta johtuu ihmiskunnan kasvihuonepäästöistä. Kyseessä ei ole “luonnollinen muutos”