Mróz i aktywność słoneczna: kosmiczne nici ziemskiej pogody

Wprowadzenie: poszukiwanie związku w klimatycznym chaosie

Pytanie o wpływ aktywności słonecznej na zjawiska pogodowe, w szczególności na surowość mrozów, jest jednym z najbardziej fascynujących i dyskusyjnych w współczesnej klimatologii i heliofizyce. W codziennym życiu często można usłyszeć twierdzenia o związku między «słonecznymi burzami» a anomalią pogodową. Jednak obraz naukowy jest znacznie bardziej złożony: bezpośrednie i jednoznaczne oddziaływanie wybuchów słonecznych lub liczby Wольфа na temperaturę jutrzejszego dnia to mit. Mówimy o słabych, ale statystycznie znaczących korelacjach w długoterminowych cyklach i poprzez skomplikowane łańcuchy procesów atmosferycznych. Poszukiwanie tych związków to detektywistyczna gra z wieloma pośrednikami: magnetosfera, stratosfera, prądy oceaniczne.

Aktywność słoneczna: główne wskaźniki

KLuczowymi wskaźnikami aktywności Słońca są:

Liczba Wольфа (W) — wskaźnik uwzględniający liczbę plam słonecznych i ich grup. Odzwierciedla 11-letni cykl aktywności słonecznej.

Wiatr słoneczny — strumień naładowanych cząsteczek (głównie protonów i elektronów), prędkość i gęstość którego zmieniają się.

Promieniowanie ultrafioletowe (UV) i rentgenowskie — znacznie wzrasta podczas wybuchów.

Galaktyczne kosmiczne promienie (GKЛ) — cząstki wysokiej energii zewnętrzne od Słońca. Ich strumień antykorreluje z aktywnością słoneczną: w lata maksimum Słońca jego pole magnetyczne i wiatr słoneczny lepiej ekranują Ziemię przed GKЛ.

Hipotetyczne mechanizmy wpływu na pogodę i klimat

Bezpośredniego ogrzewania atmosfery od wybuchów (energia jest nikczemna w porównaniu do ogólnego przepływu promieniowania słonecznego) nie ma. Naukowcy rozważają kilka pośrednich kanałów:

Wpływ poprzez zmianę ogólnego strumienia ultrafioletowego (UV): W okresie wysokiej aktywności słonecznej promieniowanie UV może wzrastać o 6-8%. To prowadzi do dodatkowego nagrzewania i zmiany cyrkulacji w stratosferze (warstwa na wysokości 10-50 km). Wiatry stratosferyczne, z kolei, mogą «proekstrować» w dół, wpływając na troposferyczne fale (np. arktyczne wibracje — AO) i rozkład ciśnienia atmosferycznego. Przesunięcie AO w fazę ujemną sprzyja wydostawaniu się zimnego powietrza arktycznego na średnie szerokości, co może prowadzić do surowych mrozów w Europie, Ameryce Północnej i Azji.

Hipoteza o związku poprzez galaktyczne kosmiczne promienie (GKЛ) i chmury (Teoria Swensmarka): To najbardziej kontrowersyjny, ale aktywnie badany mechanizm. Duński naukowiec Henrik Swensmark przypuszczał, że GKЛ, docierając do dolnych warstw atmosfery, mogą służyć jako centra kondensacji, sprzyjając powstawaniu niskiej chmury. Więcej GKЛ (w minimum Słońca) > więcej niskich chmur -> większe albedo (odzwierciedlenie światła słonecznego) -> ochłodzenie na powierzchni. Jednak w środowisku naukowym nie ma konsensusu co do znaczenia tego efektu dla klimatu, i wiele badań nie znajduje przekonujących dowodów na silną związek.

Wpływ na intensywność planetarnych fal i blokujące antycyklony: Niektóre prace (np. rosyjskiego heliofizyka Ю.И. Witinskiego) wskazywały na statystyczną związek między cyklami słonecznymi a wzmacnianiem procesów meridionalnych w atmosferze. To może prowadzić do tworzenia się stałych blokujących antycyklonów zimą, które «zamknięte» zimne powietrze nad kontynentami, wywołując długotrwałe mrozy (np. anormalnie zimna zima 1978-79 w Ameryce Północnej).

Czym mówi statystyka i paleoklimatologia?

Analiza danych instrumentalnych z ostatnich 100-150 lat nie wykazuje prostej i silnej korelacji. Zimy w latach maksimum i minimum słonecznych mogą być zarówno anormalnie ciepłe, jak i zimne.

Indywidualne dowody: Istnieją badania pokazujące, że w minimumy aktywności słonecznej (np. w okresie głębokiego minimum Daltona na początku XIX wieku, który przypadł na «mały okres lodowcowy») zwiększa się prawdopodobieństwo ekstremalnych zimy ochłodzeń w Eurazji. Jednak to tylko niewielkie zwiększenie prawdopodobieństwa, a nie gwarancja.

Wielki minimum Maundera (1645-1715 r.): Okres wyjątkowo niskiej aktywności słonecznej (prawie całkowite brak plam) przypadł na najzimniejszą fazę Małego okresu lodowcowego w Europie. To najbardziej przekonujący argument historyczny na rzecz długoterminowego wpływu klimatycznego. Jednak współczesne oceny wskazują, że bezpośrednie zmniejszenie radiacji słonecznej było niewielkie (około 0,1%), i prawdopodobnie odgrywały rolę i inne czynniki (aktywność wulkaniczna, wewnętrzna zmienność klimatu).

Dlaczego nie można przewidzieć mrozów po wybuchu słonecznym?

Inercja systemu klimatycznego: Głównym «dyrygentem» sezonowej pogody w szerokościach południowych jest cieplna inercja oceanów i stan pokrywy śnieżno-lodowej. Ich wpływ jest znacznie silniejszy niż słabe sygnały od Słońca.

Hałas cyrkulacji atmosferycznej: Atmosfera — system chaotyczny, w którym efekt «butterfly» jest ogromny. Wyodrębnienie słabego sygnału oddziaływania słonecznego na tle potężnych wewnętrznych wibracji (El Niño, North Atlantic Oscillation) jest niezwykle trudne.

Opóźnienie czasowe i nieiloczność: Nawet jeśli istnieje związek, manifestuje się on nie natychmiast, ale z opóźnieniami od tygodni do miesięcy i nie lokalnie, ale w zmianach globalnych wzorców cyrkulacji.

Interesujące fakty i przykłady

Rekordowe mrozy przy wysokiej aktywności: Jeden z najsilniejszych zimowych mrozów w Europie Wschodniej w XX wieku miał miejsce w styczniu 1940 roku (pod Moskwą poniżej -40°C), gdy Słońce znajdowało się na wzroście do maksimum 17-go cyklu. To jasny przykład braku bezpośredniej korelacji.

「Efekt grzbietu」nad Rosją: Rosyjscy badacze (G.В. Kuzniecowa i in.) zauważyli, że w minimumy aktywności słonecznej zimą częściej tworzy się stały antycyklon nad Syberią, co rzeczywiście może prowadzić do bardziej mroźnej i małośnieżnej pogody w centralnych regionach Rosji, ale do bardziej ciepłej — w Europie.

Experyment CLOUD w CERNie: Międzynarodowy zespół fizyków w Wielkim Zderzaczu Hadronowym prowadzi eksperymenty nad modelowaniem wpływu kosmicznych promieni na tworzenie się aerozoli w atmosferze. Prewstępne dane potwierdzają, że GKЛ mogą wzmacniać tworzenie się cząsteczek, ale ich wkład w ogólne liczby jąder kondensacji chmur, wg ostatnich szacunków, nie przekracza 10-20%.

Cykle słoneczne i przepływ rzek: Więcej wyraźna związek nie z temperaturą, ale z cyklem hydrologicznym. Istnieją statystycznie znaczące korelacje między 22-letnim cyklem Heila (podwojonym 11-letnim) a poziomem opadów/strumienia dużych rzek (Wolga, Nil), co może pośrednio wpływać na klimat regionu.

Podsumowanie

Wpływ aktywności słonecznej na surowość mrozów to nie prosty termostat, który można włączyć lub wyłączyć. Jest to słaby modulator złożonej systemu klimatycznego, wpływ którego może manifestować się tylko jako niewielkie przesunięcie prawdopodobieństwa różnych scenariuszy cyrkulacji atmosfery w wieloletnich cyklach.

Bezpośredni rozkaz Słońca: « jutro będzie -30°C» — jest niemożliwy. Jednak w długoterminowej perspektywie (dekady, stulecia) głębokie i długotrwałe minimumy aktywności słonecznej, prawdopodobnie sprzyjają wzmacnianiu procesów meridionalnych i zwiększeniu ryzyka surowych zimowych wtórzeń powietrza arktycznego w określonych regionach, ale tylko w połączeniu z innymi czynnikami. Próby użycia danych słonecznych do krótkoterminowego prognozowania pogody są bezperspektywne. Główne napędzaczami zimowej pogody pozostają stan Arktyki, oscylacje oceaniczne i przypadkowe, ale potężne wewnętrzne fluktuacje atmosfery. W ten sposób, związek «moróz — aktywność słoneczna» istnieje, ale jest on tak delikatny i pośredni, że jego ślady należy szukać w złożonych modelach statystycznych i archiwach paleoklimatycznych, a nie w kalendarzu wybuchów słonecznych.
© elibrary.pl

Permanent link to this publication: