1

Solens påvirkning af Jordens klima

Silkeborg Højskole 10. august 2007Astronomikursus – Det Gådefulde Univers

Center for

Sun-Climate Research

Del 1

Martin Bødker Enghoff

Fra opdagelse til eksperiment

- eller hvordan eksploderende stjerner kan lave skyer

Del 2Klima-effekt gennem tiden

OversigtDel 1 – fra opdagelse til eksperiment

Kosmiske stråler gennem tiden

Forklaring af teorien

Eksperimenter, udførte og fremtidige

Del 2 – Klima-effekt gennem tiden

Beviser fra fortiden

Observationer fra nutiden

Perspektivering for fremtiden

KAFFE!

FROKOST!

Spørgsmål/Diskussion

Spørgsmål/Diskussion

Der var engang i 1895…

C.T.R. Wilson, Skotland Det første skykammer

Nobelpris 1927Proceedings of the Royal Society of London, 1895

Röntgen-stråler fremmer dannelsen af skydråber1896: Becquerel opdager radioaktiv stråling

H. Becquerel, Frankrig

Jagten går ind på kilder til radioaktiv stråling

Man finder dem overalt

Elektrometer

Ligegyldigt hvordan man skærmer er der altid et signal!

Nobelpris 1903

V. F. Hess, Østrig

Nobelpris 1936

1912: Kosmiske stråler opdages- en energikilde fra rummet

Hess sender en ballon op i 5 kilometers højde

Strålingen faldt efter den første kilometer, men steg så igen!

Ingen forskel på dag og nat –solen kan ikke være kilden.

Men hvor kommer de så fra?

Stråler fra rummet

I 1925 konkluderedeRobert Millikan fra Caltech, at strålingen kom ind i skykammeret ovenfra ogikke nedefra.

Pierre Auger opdagede, at to detektorer flere meter fra hinanden registreredepartikler på samme tid.

Millikan eksperimenterer

2

Et sted i Mælkevejen, for et par millioner år siden… Efter en lang rejse når de kosmiske stråler til vores Solsystem

Kun de stærkeste stråler når frem til Jorden Kosmisk Brusebad

Primær kosmisk stråler (H, He)

Sekundære kosmiske stråler

(pioner -> muoner, gamma stråling)

Kollision m. atmosfæren

Interaktion m. luftens molekyler

Ladede molekyler (ioner)

Stjernernes sidste krampetrækning

Alkoholdampe

Stjernernes sidste krampetrækning

3

N. Marsh og H. Svensmark (2003) - opdateret

1997: Kosmiske stråler og skyer

Skydække (%) – lave skyer Kosmiske stråler (%)

Hvorfor skyer er vigtige for klimaet

Reflekterer Solens indstråling- Parasol-effekten

Skyer dækker ca. 63% af Jorden

Fanger Jordens varmeudstråling - Dyne-effekten

Skyer i tal

High Clouds MiddleClouds

LowClouds

Thin Thick Thin Thick AllTotal

GlobalFraction % 10.1 8.6 10.7 7.3 26.6 63.3Net Cloud

ForcingWm-2

2.4 -7.0 1.1 -7.5 -16.7 -27.7

ERBE

En sky bliver til

+

Vand-molekyler H2O

Svovlsyre-molekyler

H2SO4

Klynger (H2SO4)x(H2O)y

Dråber

Skyer

En sky bliver til – ionerne kan hjælpe

+

Vand-molekyler Svovlsyre-molekyler

Klynger (ustabile)

+ --

Vand-molekyler Ladede svovlsyre-molekyler

- -

Klynger (stabile)

Dråber

Skyer

Den hyper-aktive Sol

4

Maksimum og minimum Pletter på Solen afslører aktiviteten

Set af SOHO-satellitten,2000

Set af Galileo, 1610

Fortidens solpletter Hundreder af års stigende aktivitet

Sunspot Number

Ion Chamber

Neutron Counter

Kosmiske stråler, ioner og solaktivitet Kosmiske stråler og klima -opsummering

Supernova

Solaktivitet Kosmiske stråler Ioner Lave skyer

Opvarmning

5

Kosmiske stråler og klima - status

1. Kosmiske stråler kommer fra supernovaerFakta!

2. Kosmiske stråler reguleres af solaktivitetFakta!

3. Kosmiske stråler ioniserer atmosfærenFakta!

4. Kosmiske stråler påvirker skydannelsen Ikke bevist!

5. Lave skyer køler JordenFakta!

Der er brug for et eksperiment!

Design af et eksperiment

1. Atmosfærisk realistiske betingelser

2. Mulighed for at danne og måle små partikler

3. Mulighed for at kunne regulere mængden af ioniserende stråling

Eksperiment!

Radon Myoner

Partikel-tæller

Ion-tæller

O3

MS

P,T,RH

O2,N2H2O

SO2

UV

V = ~7000 L

Partikel-tæller

SO2-analysator

Ozone-analysator

Ion-tæller

Befugter

Masse-spektrometer

Hvad foregår der i det kammer?

1: O3 + hv O(1D) + O2

2: O(1D) + H2O 2 OH

3: OH + SO2 HSO3

4: HSO3 + O2 SO3 + HO2

5: SO3 +H2O H2SO4

6: nH2SO4 + mH2O H2SO4n(H2O)m ~ Aerosoler

Gasser i blandingen: Luft (O2, N2), Vand (H2O), Ozon (O3) og SO2

Så tændes UV-lamperne:

6: nH2SO4 + mH2O H2SO4n(H2O)m ~ Aerosoler

To slags eksperimenter

1. Burst: En puls af H2SO4 genereres og det resulterende partikeltal måles

UV UV UV UV

6

To slags eksperimenter2. Steady-state: Konstant svovlsyreproduktion.

Time (hours)

Resultater – burst-eksperimenter

Resultater – Steady-stateAerosoler (cm-3) Ionstrøm (fA)

En mærkværdig top

Måske skyldes det et underliggende reservoir?

2. generations eksperiment

Rustfrit stål Ren luft fra flydende N2/O2

Justerbar ioniseringsstråle Ion-spektrometer

Flere partikel-tællere Svovlsyremålinger

CERN-kampagne

CERN-kampagnen 2006

Data analyseres stadig.

For tidligt at sige noget

om resultaterne.

7

At fjerne kosmiske stråler – et elektrisk felt

Relativt partikeltal

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Eksperiment 2

Spænding (V)

Eksperiment 1

Idéen: At lave et eksperiment uden ioner.

MEN: Feltet fjerner ikke ionerne helt – det reducerer bare deres levetid.

Spørgmål: Hvor lang tid tager det for ionerne at gøre det de gør?

Mekanisme – et forslagKrav:

Det går stærkt Det danner et reservoir af partikler Ionerne er med Derfor kan det ikke involvere UV-lys

OHOOHOOOHO nn 22123322 )()( ++⋅→+⋅ −−−

223232 )()( OOHSOOHOSO nn +⋅→⋅+ −−

124223 )()( −−− ⋅→⋅ nn OHSOHOHSO

Hvordan man stopper kosmiske stråler

Mønsted Kalkminer: 20-30 meter dyb, halvering af de kosmiske stråler

Dybt under jorden…

Boulby Mine, 1,1 km under jorden.

Transportabelt eksperiment

Ingen kosmiske stråler, men radioaktivitet fra jorden – indkapsling i bly og kobber!

Opsummering, Del 1- fra opdagelse til eksperiment

1. Meget tyder på at de kosmiske stråler, som reguleres af Solens aktivitet, påvirker Jordens klima gennem skyerne

2. De første eksperimenter er positive

3. Flere eksperimenter er nødvendige

4. For at forstå hvad der sker nu og hvad der vil ske i fremtiden kan det være nyttigt at kigge tilbage i tiden

Del 2 handler de kosmiske strålers indvirken på klimaet gennem tiden.

8

Solens påvirkning af Jordens klima

Silkeborg Højskole 10. august 2007Astronomikursus – Det Gådefulde Univers

Center for

Sun-Climate Research

Del 1

Martin Bødker Enghoff

Fra opdagelse til eksperiment

- eller hvordan eksploderende stjerner kan lave skyer

Del 2Klima-effekt gennem tiden

OversigtDel 1 – fra opdagelse til eksperiment

Kosmiske stråler gennem tiden

Forklaring af teorien

Eksperimenter, udførte og fremtidige

Del 2 – Klima-effekt gennem tiden

Beviser fra fortiden

Observationer fra nutiden

Perspektivering for fremtiden

KAFFE!

FROKOST!

Spørgsmål/Diskussion

Spørgsmål/Diskussion

År800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Osborn og Briffa, Science, 2006

Varm

Kold

Klimaet ændrer sig hele tiden

Vi vil gerne vide hvorfor!

E. Friis-Christensen og K. Lassen, Science 254, 1991

År

Temperatur- afvigelse (oC)

Solaktivitet

Det første spor –Solaktivitet og Temperaturændringer på

den Nordlige Halvkugle

Hundreder af års stigende aktivitet

Der må en forstærkning til!

∆T= ∆F*λ(1-α)/4

λ =0,5 KW-1m-2 (IPCC)

α =0,3

∆F=1,5 Wm-2 -> ∆T=0,1 K

Observeret: 0.6 K

Med IPCCs forcering: < 0.04 K

N. Marsh og H. Svensmark (2003) - opdateret

Kosmiske stråler og skyer

Skydække (%) – lave skyer Kosmiske stråler (%)

9

Pudovkin og Veretenenko, JASTP, 1995

Forbush decreases, data fra 1969-1986

Skydækket=0 <-> Forbush decrease

Harrison and Stevenson, Proc. Royal Soc. A, 2006

Høj Diffus Fraktion (DF) = Flere skyer, Lav DF = Færre skyer

Skyer over England (1951-2000)

19% større chance for overskyet når der er mange kosmiske stråler.

Havene

Atmosfæren

Biomasse

Træer

Kosmiske stråler

Børstekoglefyr

• τ1/2 = 5370 years • < qG > = 2 atomer cm-2s-1

Kulstof-14 skabt af kosmiske stråler

Hvad træerne fortæller

Færre stråler

Flere stråler

1700-1720: Stradivarius

1658: Svensken krydser isen

Vikingerne tager hjem

Themsen fryser til

Muscheler et al, Quat. Sci. Rev. 2007

Få kosmiske stråler

Mange kosmiske stråler

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Osborn og Briffa, Science, 2006Varm

Kold

1000 år tilbage

År

Stalagmitter i Oman

U. Neff et al., Nature, 2001

kosmiske stråler monsun-aktivitet

10

Spor fra driv-is

Grus fra driv-is14C/10Be

14C

10Be

Bond et al, Science 294, 2001

Spiralarmenes indgriben

De 4-5 spiral-arme Modeller og Meteorer

Shaviv and Veizer, GSA, 2003

Modeller, Meteorer og Skaldyr

Slinger i den galaktiske vals

Periode på ~34 mio. år

Svensmark, Astronomical Notes 327 (9), 2006

Data

11

Tids-skala for påvirkninger

Dage

Forbushdecreases

År Mio. år

Solaktivitet Bevægelser i galaksen

Milliarder af år – stjernedannelsesrate og liv på Jorden

Svensmark, Astronomical Notes 327 (9), 2006

Den unge, svage sols paradoks

4 mia. år siden: Solen var 25% svagere

-> Jorden 25 grader koldere

-> vand frosset til is(

MEN – geologiske beviser for flydende vand!

Mulige forklaringer

Meget methan i atmosfæren

Høj radioaktivitet i skorpen

Ingen kosmiske stråler -> nedsat albedo (Svensmark, A&G 48, 2007)

En sjov observation

Mulig forklaring:

Albedo for lave skyer: 50-65%, Is-albedo: 80%

Så forceringen fra lave skyer er omvendt i is-dækkede regioner

Earth Radiation Budget Experiment

Sky-forcering

Sky-dække

Forcering pr. % ændring i sky-dække

Den Antarktiske klima-anomali, i nyere tid

NASA-GISS

Opsummering – fortidens klima

1. De kosmiske stråler ser ud til at have påvirket fortidens klima kraftigt

2. Påvirkningerne finder sted på mange forskellige tidsskalaer og med mange forskellige mekanismer

3. Hvis fortidens klima har været påvirket kan nutidens også være det og fremtidens kan blive det

12

Betydning for nutidens klima

IPCC, AR4, 2007

Carslaw, Harrison and Kirkby, Science 298, 2002

Lave skyer: -16.7 W/m2.

(Marsh og Svensmark, SSR, 2000: -1.4 W/m2.)

2/30%*(-16.7)= -1.1 W/m2.

(Pallé og Butler, Astron. Geohpys., 2000: -0.32 to -0.92 W/m2.)

Nutidens klima

Klimaet i tal

Solen total: 343 W/m2

Strålings-effekt W/m2

Kosmisk Stråling:

Fremtidens klima med kosmiske briller

Vi er på vej ud af en spiral-arm (opvarmning)

Vi er på vej ud af et sol-minimum (opvarmning)

Solens aktivitet usædvanlig høj de sidste 70 år (?) (Solanki et al, Nature 431, 2004)

Konklusion

1. Spor i fortidens klima og eksperimenter peger på at kosmiske stråler spiller en rolle for klimaet

2. Flere eksperimenter er nødvendige for at bevise det endeligt

4. Det ene udelukker ikke det andet –både kosmiske stråler og drivhusgasser kan spille ind samtidig

3. Hvis teorien holder skal den medtages i klima-modeller for at kunne forudsige den fremtidige udvikling

Tak for opmærksomheden!

Gruppen:Henrik Svensmark Jens Olaf P. Pedersen Torsten Bondo Freddy Christiansen

Ulrik I. Uggerhøj Josef Polny Michael Avngaard

enghoff@space.dtu.dk