solens påvirkning af jordens klima - users-phys.au.dkusers-phys.au.dk/hans/silkeborg/e01.pdf · 1...
TRANSCRIPT
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