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”