Czy za ocieplanie się klimatu Ziemi odpowiedzialne jest Słońce?
Ostatni prom Discovery przywiózł na Ziemię nie tylko najstarszego astronautę, ale także dwa teleskopy Solcon i Spartan, które obserwowały Słońce. Zebrane informacje mają pomóc w zrozumieniu wpływu Słońca na ocieplanie się klimatu Ziemi oraz być może w wyjaśnieniu tajemnicy słonecznej korony.
O tym, że bez Słońca nie istniałoby życie na Ziemi, nie trzeba nikogo przekonywać. Zdawali sobie z tego sprawę już starożytni i czcili Słońce jako bóstwo. Bez wątpienia rządzi ono całym naszym światem, otulając go swoimi promieniami. 150 mln km, jakie dzielą nas od macierzystej gwiazdy, to zaledwie trochę więcej niż 100 jej średnic. Gdyby dystans miedzy Ziemią a Słońcem zmniejszyć do 30 cm, najbliższa gwiazda - Proxima Centauri - znajdowałaby się w odległości ponad 81 km. Słońce nie ma więc konkurencji i gdyby nagle zniknęło, Ziemia z kipiącej życiem planety szybko zmieniłaby się w dryfującą w ciemnościach, martwą, skutą lodem i bombardowaną zabójczymi promieniami kosmicznymi kupę gruzu. Płynąca w kosmos od miliardów lat energia słoneczna ma wpływ na pogodę i ziemski klimat. Każdy metr kwadratowy górnej warstwy ziemskiej atmosfery otrzymuje codziennie dawkę energii, która zasiliłaby 14 stuwatowych żarówek.
Naukowcy uważają, że w przeszłości Słońce świeciło znacznie słabiej. Ilość i jakość emitowanego przezeń światła podlega zmianom. Niektóre z tych zmian wpływają na ziemski klimat, lecz nie wiemy, w jakim stopniu. Kluczem do rozwiązania wielu tajemnic naszej gwiazdy są znajdujące się na niej plamy. Na fotografiach wyglądają jak piegi i mają ciemny kolor. W rzeczywistości są bardzo jasne i tylko w porównaniu z resztą tarczy słonecznej wydają się ciemniejsze. Mimo że same plamy są chłodniejsze niż pozbawione ich rejony Słońca, nasza gwiazda jest generalnie gorętsza, gdy na jej powierzchni pojawiają się plamy. Co jedenaście lat Słońce przechodzi okres swojej wzmożonej aktywności (maksimum), po którym następuje okres spokojniejszy - minimum. To podczas słonecznego maksimum pojawiają się liczne plamy. Teraz zbliżamy się do kolejnego maksimum aktywności Słońca, zapowiadanego przez astronomów na rok 2000.
Pod koniec XVII w. nastąpił siedemdziesięcioletni okres nazywany minimum Maundera. Nie obserwowano wówczas na Słońcu żadnych plam. Jedenastoletni cykl w zasadzie się zatrzymał, a aktywność Słońca była nienormalnie niska. W tym samym czasie północna Europa doświadczyła "małej epoki lodowej" - serii ostrych zim, które powtarzały się przez ponad 50 lat. Podobny spadek aktywności Słońca zanotowano w latach 1800-1830, kiedy temperatury w Europie i Ameryce znacznie się obniżyły, choć nie tak drastycznie jak podczas minimum Maundera.
Dziś naukowcy zastanawiają się, jak silny jest związek między warunkami pogodowymi na Ziemi a plamami słonecznymi. Od lat 80. Słońcu przyglądają się sondy orbitalne, próbując zarejestrować ewentualne zmiany w promieniowaniu Słońca. The Solar Maximum Mission dostarczyła dowodów, że rzeczywiście ulega ono nieznacznym zmianom i w czasie minimum jest o 0,1 proc. mniejsze niż podczas maksimum. Te niewielkie różnice prawdopodobnie nie są wystarczające, aby spowodować zmianę klimatu na Ziemi, lecz naukowcy przypuszczają, że coś je wzmaga. Tylko co i w jakim stopniu? Czy większe zmiany następują w regularnych odstępach? Jeśli tak, to "mała epoka lodowa" może być dziełem Słońca. Gdy od lodowców szelfowych Antarktydy odrywają się gigantyczne góry lodowe, takie jak mająca 148 km długości i 48 km szerokości kra, która odpłynęła w morze na początku października, problem ocieplania się klimatu powraca jak bumerang.
Wielu glacjologów uważa, że antarktyczny lód szelfowy rozpada się, co jest znakiem zmian zachodzących w ziemskim klimacie. Według
Jamesa White?a, klimatologa z University of Colorado, informacje uzyskane z próbek rdzeni lodowych, wydobytych przez jego zespół z lodów Antarktydy, dowodzą, że ocieplenie klimatu, które zakończyło epokę lodową 12,5 tys. lat temu, mogło ogarnąć całą Ziemię zaledwie w ciągu kilku dekad. Potwierdzają to dane zebrane w Arktyce. Czy taka sytuacja może się powtórzyć? Jeśli tak, to czy rzeczywiście tylko człowiek odpowiada za zmiany klimatu? Przecież 12,5 tys. lat temu nie było przemysłu. Może winne jest Słońce? Eigil Friis-Christensen i Knud Lassen, pracownicy Duńskiego Instytutu Meteorologicznego, porównali aktywność Słońca i globalne temperatury na Ziemi z ostatnich 250 lat i odkryli uderzający związek między wzrostem temperatur a długością cyklu słonecznego w XIX w. Cykl słoneczny stale się skraca i dziś jest o kilka miesięcy krótszy niż pod koniec ubiegłego stulecia. Astrofizycy przyznają, że krótsze cykle powodują wzmożoną aktywność Słońca, co oznacza, iż do Ziemi dociera więcej wytwarzanej przez nie energii. Wniosek? Zmiany na Słońcu wywołują ocieplenie na Ziemi. Te odkrycia zmuszają naukowców do intensywniejszych badań, gdyż dostarczają dowodów, że gwałtowne wahania klimatu mogą objąć całą planetę mniej więcej w tym samym czasie. Trudność polega na tym, jak ustalić, czy nastąpią one na tyle wolno, aby umożliwić nam adaptację. Ocieplenie sprzed 12,5 tys. lat nastąpiło w czasie porównywalnym z długością ludzkiego życia. Takie nagłe zmiany na globalną skalę mogłyby być trudne do opanowania. Przyczyna szybkiej zmiany, jaka zakończyła epokę lodowcową, nadal nie została w pełni wyjaśniona.
Większość klimatologów zgadza się, że industrializacja może przyspieszać obecny trend. Niektórzy kwestionują jednak związek między działalnością człowieka a stałym wzrostem temperatur na Ziemi. Uważają, że notowane dziś rekordowe temperatury są częścią trwającego od setek lat procesu, a nie wynikiem spalania paliw kopalnych. Globalne ocieplenie powodowane wytworzonymi przez człowieka gazami cieplarnianymi może być bardzo podobne do ocieplenia na skutek przyczyn naturalnych. To, co robią ludzie, w pewnym sensie nie różni się od tego, co czyni sama natura - uważa White. Rozstrzygnięcie wątpliwości ma ułatwić radiometr Solcon - urządzenie służące do pomiaru całkowitej energii wysyłanej przez Słońce na wszystkich falach. Dokonane przez nie pomiary będą użyte do kalibracji instrumentów montowanych na satelitach stale obserwujących Słońce (takich jak SOHO). "Zaletą urządzeń umieszczanych na orbicie jest to, że zwykle dobrze rejestrują niewielkie zmiany wypromieniowanej przez Słońce energii, ale gorsze są przy pomiarach wartości bezwzględnej. Ważna jest więc ich odpowiednia kalibracja. Do tego celu używamy takich instrumentów jak Solcon, umieszczony na International Extreme Ultraviolet Hitchhiker Platform, wyniesionej ostatnio w kosmos przez prom Discovery" - twierdzi David Hathaway z Marshall Space Flight Center w Huntsville. Ponieważ Solcon jest sprowadzany na Ziemię i poddawany ponownej kalibracji, jego pomiary nie ulegają degradacji pod wpływem promieniowania słonecznego, jak dzieje się z instrumentami umieszczonymi na orbicie na stałe. Solcon jest więc wzorcem, z którym możemy porównywać inne pomiary. Jeżeli uda się ustalić, jak zmienia się aktywność Słońca na przykład w ciągu stu lat, być może uda się wyjaśnić zagadkowe zmiany w ziemskim klimacie.
Inną zagadką Słońca są tajemnicze procesy zachodzące w słonecznej koronie. Korona, widoczna podczas całkowitego zaćmienia jako perlista poświata otaczająca dysk słoneczny, jest dwa tysiące razy gorętsza niż widzialna powierzchnia Słońca, która ma temperaturę "tylko" 6000 °C. Nie wiadomo, jakie procesy rozgrzewają znajdujące się w niej gazy do temperatury ponad miliona stopni Celsjusza. Fizycy głowią się nad tą zagadką od lat, gdyż zwykle temperatura spada w miarę oddalania się od źródła ciepła. W coraz wyższych warstwach ziemskiej atmosfery powietrze staje się coraz chłodniejsze, ale na Słońcu jest odwrotnie i astronomowie uważają, że w koronie dzieje się coś dziwnego. Istnieje wiele teorii, lecz żadna nie daje ostatecznej odpowiedzi. Korona jest trudna do obserwacji z powierzchni Ziemi, gdyż jej światło jest bardzo słabe w porównaniu z oślepiającym blaskiem dysku Słońca, a gazowa powłoka nie przepuszcza niektórych fal. Dlatego takie urządzenia jak Spartan są wysyłane na orbitę. Specjalny aparat zwany koronografem wytwarza sztuczne zaćmienie Słońca, "nakładając" na jego obraz tarczę, która przesłania dysk słoneczny. Umożliwia to długie obserwacje, nie kilkuminutowe (jak podczas naturalnego zaćmienia). Część danych zebranych przez dwa teleskopy, z jakich składa się Spartan, przesłano na Ziemię z orbity, teraz naukowcy przystępują do żmudnej analizy pozostałych informacji.
Na życie na Ziemi coraz większy wpływ ma tzw. kosmiczna pogoda. Wybuchy na Słońcu, w trakcie których w przestrzeń wyrzucana jest ogromna ilość materii, dostarczają obserwatorom wspaniałych doznań estetycznych (możemy podziwiać na przykład piękne zorze polarne), ale zagrażają astronautom, uszkadzają delikatne części satelitów i mogą prowadzić do przerw w komunikacji radiowej. Kiepska pogoda w kosmosie może oznaczać na Ziemi zaburzenia w dostawie prądu. Takie zdarzenie sprzed ponad dziesięciu lat do dziś wspominają mieszkańcy kanadyjskiej prowincji Quebec.
Jeszcze 25 lat temu uważano, że Ziemia otoczona jest pustą, niezmienną próżnią. Dziś wiemy, że przestrzeń międzyplanetarna wypełniona jest odłamkami komet, Ziemię smaga wiatr słoneczny (strumień cząsteczek poruszających się z prędkością ponad 500 km/s) i otaczają pasy radiacyjne. W miarę uzależniania się od urządzeń orbitalnych coraz częściej będziemy odczuwać kaprysy kosmicznej pogody i musimy się nauczyć je przewidywać. Planowanie orbit kolejnych satelitów i misji kosmicznych często wymaga wiedzy na temat przyszłej aktywności i zachowania Słońca, a my ciągle o najbliższym otoczeniu Ziemi wiemy zbyt mało.
O tym, że bez Słońca nie istniałoby życie na Ziemi, nie trzeba nikogo przekonywać. Zdawali sobie z tego sprawę już starożytni i czcili Słońce jako bóstwo. Bez wątpienia rządzi ono całym naszym światem, otulając go swoimi promieniami. 150 mln km, jakie dzielą nas od macierzystej gwiazdy, to zaledwie trochę więcej niż 100 jej średnic. Gdyby dystans miedzy Ziemią a Słońcem zmniejszyć do 30 cm, najbliższa gwiazda - Proxima Centauri - znajdowałaby się w odległości ponad 81 km. Słońce nie ma więc konkurencji i gdyby nagle zniknęło, Ziemia z kipiącej życiem planety szybko zmieniłaby się w dryfującą w ciemnościach, martwą, skutą lodem i bombardowaną zabójczymi promieniami kosmicznymi kupę gruzu. Płynąca w kosmos od miliardów lat energia słoneczna ma wpływ na pogodę i ziemski klimat. Każdy metr kwadratowy górnej warstwy ziemskiej atmosfery otrzymuje codziennie dawkę energii, która zasiliłaby 14 stuwatowych żarówek.
Naukowcy uważają, że w przeszłości Słońce świeciło znacznie słabiej. Ilość i jakość emitowanego przezeń światła podlega zmianom. Niektóre z tych zmian wpływają na ziemski klimat, lecz nie wiemy, w jakim stopniu. Kluczem do rozwiązania wielu tajemnic naszej gwiazdy są znajdujące się na niej plamy. Na fotografiach wyglądają jak piegi i mają ciemny kolor. W rzeczywistości są bardzo jasne i tylko w porównaniu z resztą tarczy słonecznej wydają się ciemniejsze. Mimo że same plamy są chłodniejsze niż pozbawione ich rejony Słońca, nasza gwiazda jest generalnie gorętsza, gdy na jej powierzchni pojawiają się plamy. Co jedenaście lat Słońce przechodzi okres swojej wzmożonej aktywności (maksimum), po którym następuje okres spokojniejszy - minimum. To podczas słonecznego maksimum pojawiają się liczne plamy. Teraz zbliżamy się do kolejnego maksimum aktywności Słońca, zapowiadanego przez astronomów na rok 2000.
Pod koniec XVII w. nastąpił siedemdziesięcioletni okres nazywany minimum Maundera. Nie obserwowano wówczas na Słońcu żadnych plam. Jedenastoletni cykl w zasadzie się zatrzymał, a aktywność Słońca była nienormalnie niska. W tym samym czasie północna Europa doświadczyła "małej epoki lodowej" - serii ostrych zim, które powtarzały się przez ponad 50 lat. Podobny spadek aktywności Słońca zanotowano w latach 1800-1830, kiedy temperatury w Europie i Ameryce znacznie się obniżyły, choć nie tak drastycznie jak podczas minimum Maundera.
Dziś naukowcy zastanawiają się, jak silny jest związek między warunkami pogodowymi na Ziemi a plamami słonecznymi. Od lat 80. Słońcu przyglądają się sondy orbitalne, próbując zarejestrować ewentualne zmiany w promieniowaniu Słońca. The Solar Maximum Mission dostarczyła dowodów, że rzeczywiście ulega ono nieznacznym zmianom i w czasie minimum jest o 0,1 proc. mniejsze niż podczas maksimum. Te niewielkie różnice prawdopodobnie nie są wystarczające, aby spowodować zmianę klimatu na Ziemi, lecz naukowcy przypuszczają, że coś je wzmaga. Tylko co i w jakim stopniu? Czy większe zmiany następują w regularnych odstępach? Jeśli tak, to "mała epoka lodowa" może być dziełem Słońca. Gdy od lodowców szelfowych Antarktydy odrywają się gigantyczne góry lodowe, takie jak mająca 148 km długości i 48 km szerokości kra, która odpłynęła w morze na początku października, problem ocieplania się klimatu powraca jak bumerang.
Wielu glacjologów uważa, że antarktyczny lód szelfowy rozpada się, co jest znakiem zmian zachodzących w ziemskim klimacie. Według
Jamesa White?a, klimatologa z University of Colorado, informacje uzyskane z próbek rdzeni lodowych, wydobytych przez jego zespół z lodów Antarktydy, dowodzą, że ocieplenie klimatu, które zakończyło epokę lodową 12,5 tys. lat temu, mogło ogarnąć całą Ziemię zaledwie w ciągu kilku dekad. Potwierdzają to dane zebrane w Arktyce. Czy taka sytuacja może się powtórzyć? Jeśli tak, to czy rzeczywiście tylko człowiek odpowiada za zmiany klimatu? Przecież 12,5 tys. lat temu nie było przemysłu. Może winne jest Słońce? Eigil Friis-Christensen i Knud Lassen, pracownicy Duńskiego Instytutu Meteorologicznego, porównali aktywność Słońca i globalne temperatury na Ziemi z ostatnich 250 lat i odkryli uderzający związek między wzrostem temperatur a długością cyklu słonecznego w XIX w. Cykl słoneczny stale się skraca i dziś jest o kilka miesięcy krótszy niż pod koniec ubiegłego stulecia. Astrofizycy przyznają, że krótsze cykle powodują wzmożoną aktywność Słońca, co oznacza, iż do Ziemi dociera więcej wytwarzanej przez nie energii. Wniosek? Zmiany na Słońcu wywołują ocieplenie na Ziemi. Te odkrycia zmuszają naukowców do intensywniejszych badań, gdyż dostarczają dowodów, że gwałtowne wahania klimatu mogą objąć całą planetę mniej więcej w tym samym czasie. Trudność polega na tym, jak ustalić, czy nastąpią one na tyle wolno, aby umożliwić nam adaptację. Ocieplenie sprzed 12,5 tys. lat nastąpiło w czasie porównywalnym z długością ludzkiego życia. Takie nagłe zmiany na globalną skalę mogłyby być trudne do opanowania. Przyczyna szybkiej zmiany, jaka zakończyła epokę lodowcową, nadal nie została w pełni wyjaśniona.
Większość klimatologów zgadza się, że industrializacja może przyspieszać obecny trend. Niektórzy kwestionują jednak związek między działalnością człowieka a stałym wzrostem temperatur na Ziemi. Uważają, że notowane dziś rekordowe temperatury są częścią trwającego od setek lat procesu, a nie wynikiem spalania paliw kopalnych. Globalne ocieplenie powodowane wytworzonymi przez człowieka gazami cieplarnianymi może być bardzo podobne do ocieplenia na skutek przyczyn naturalnych. To, co robią ludzie, w pewnym sensie nie różni się od tego, co czyni sama natura - uważa White. Rozstrzygnięcie wątpliwości ma ułatwić radiometr Solcon - urządzenie służące do pomiaru całkowitej energii wysyłanej przez Słońce na wszystkich falach. Dokonane przez nie pomiary będą użyte do kalibracji instrumentów montowanych na satelitach stale obserwujących Słońce (takich jak SOHO). "Zaletą urządzeń umieszczanych na orbicie jest to, że zwykle dobrze rejestrują niewielkie zmiany wypromieniowanej przez Słońce energii, ale gorsze są przy pomiarach wartości bezwzględnej. Ważna jest więc ich odpowiednia kalibracja. Do tego celu używamy takich instrumentów jak Solcon, umieszczony na International Extreme Ultraviolet Hitchhiker Platform, wyniesionej ostatnio w kosmos przez prom Discovery" - twierdzi David Hathaway z Marshall Space Flight Center w Huntsville. Ponieważ Solcon jest sprowadzany na Ziemię i poddawany ponownej kalibracji, jego pomiary nie ulegają degradacji pod wpływem promieniowania słonecznego, jak dzieje się z instrumentami umieszczonymi na orbicie na stałe. Solcon jest więc wzorcem, z którym możemy porównywać inne pomiary. Jeżeli uda się ustalić, jak zmienia się aktywność Słońca na przykład w ciągu stu lat, być może uda się wyjaśnić zagadkowe zmiany w ziemskim klimacie.
Inną zagadką Słońca są tajemnicze procesy zachodzące w słonecznej koronie. Korona, widoczna podczas całkowitego zaćmienia jako perlista poświata otaczająca dysk słoneczny, jest dwa tysiące razy gorętsza niż widzialna powierzchnia Słońca, która ma temperaturę "tylko" 6000 °C. Nie wiadomo, jakie procesy rozgrzewają znajdujące się w niej gazy do temperatury ponad miliona stopni Celsjusza. Fizycy głowią się nad tą zagadką od lat, gdyż zwykle temperatura spada w miarę oddalania się od źródła ciepła. W coraz wyższych warstwach ziemskiej atmosfery powietrze staje się coraz chłodniejsze, ale na Słońcu jest odwrotnie i astronomowie uważają, że w koronie dzieje się coś dziwnego. Istnieje wiele teorii, lecz żadna nie daje ostatecznej odpowiedzi. Korona jest trudna do obserwacji z powierzchni Ziemi, gdyż jej światło jest bardzo słabe w porównaniu z oślepiającym blaskiem dysku Słońca, a gazowa powłoka nie przepuszcza niektórych fal. Dlatego takie urządzenia jak Spartan są wysyłane na orbitę. Specjalny aparat zwany koronografem wytwarza sztuczne zaćmienie Słońca, "nakładając" na jego obraz tarczę, która przesłania dysk słoneczny. Umożliwia to długie obserwacje, nie kilkuminutowe (jak podczas naturalnego zaćmienia). Część danych zebranych przez dwa teleskopy, z jakich składa się Spartan, przesłano na Ziemię z orbity, teraz naukowcy przystępują do żmudnej analizy pozostałych informacji.
Na życie na Ziemi coraz większy wpływ ma tzw. kosmiczna pogoda. Wybuchy na Słońcu, w trakcie których w przestrzeń wyrzucana jest ogromna ilość materii, dostarczają obserwatorom wspaniałych doznań estetycznych (możemy podziwiać na przykład piękne zorze polarne), ale zagrażają astronautom, uszkadzają delikatne części satelitów i mogą prowadzić do przerw w komunikacji radiowej. Kiepska pogoda w kosmosie może oznaczać na Ziemi zaburzenia w dostawie prądu. Takie zdarzenie sprzed ponad dziesięciu lat do dziś wspominają mieszkańcy kanadyjskiej prowincji Quebec.
Jeszcze 25 lat temu uważano, że Ziemia otoczona jest pustą, niezmienną próżnią. Dziś wiemy, że przestrzeń międzyplanetarna wypełniona jest odłamkami komet, Ziemię smaga wiatr słoneczny (strumień cząsteczek poruszających się z prędkością ponad 500 km/s) i otaczają pasy radiacyjne. W miarę uzależniania się od urządzeń orbitalnych coraz częściej będziemy odczuwać kaprysy kosmicznej pogody i musimy się nauczyć je przewidywać. Planowanie orbit kolejnych satelitów i misji kosmicznych często wymaga wiedzy na temat przyszłej aktywności i zachowania Słońca, a my ciągle o najbliższym otoczeniu Ziemi wiemy zbyt mało.
Więcej możesz przeczytać w 47/1998 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.