Transcript Zon en klimaat, 2014 - De Groene Rekenkamer

ZONNE-ACTIVITEIT EN
KLIMAAT
ijstijden en terugkoppeling
de twee grote magnetische gebieden
grote episoden; de aardse temperatuur
C. de Jager
Heuvels in noordelijk Nederland – eindmorenen
van gletsjers uit de voorlaatste ijstijd
Temperaturen tot 170 000 jaar geleden; 140 000
jaar geleden kwamen de gletsjers tot in Nederland
IJstijden verklaard door de
theorie van Milankovitch
Veranderingen in de baan en in de
precessie van de aarde.
Maar die lijken te klein om de ijstijden
te verklaren
Veranderingen in de bestraling zijn te klein om de ijstijden te verklaren.
Maar versterkt door positieve terugkoppeling, hoofdzakelijk door
waterdamp (WV). C = wolken; A = albedo
De terminologie
• Sterkte van terugkoppeling is beschreven door
•
•
de parameter dR/dq,
R is the stralingsstroom aan de top van de
atmosfeer, gemiddeld over de aarde;
q(x, y, z) is de hoeveelheid waterdamp op
bepaalde lengte, breedte en hoogte
De terugkoppeling is dR/dq . (Δq/T)
De veranderlijke zon; de
dynamo en de tachoklijn
De zonnedynamo regelt de zonsactiviteit, en is de bron van de
equatoriale en polaire magnetische
velden. Deze velden werken in
tegenfase
Een eenvoudige beschrijving van de dynamo
(1) magnetische velden in de tachoklijn
• De dynamo is gezeteld in de
tachoklijn; een laag van ca. 30 000
km dik op ca. 200 000 km onder het
zonsoppervlak , juist boven de laag
waar convectieve bewegingen hun
oorsprong vinden
• De wervelingen genereren sterke
elektrische stromen, die op hun beurt
magnetische velden produceren
Een eenvoudige beschrijving van de dynamo
(2) het omega effect in ht toroidale veld
• Deze velden liggen
hoofdzakelijk parallel aan de
evenaar: het toroidale veld
• Het veld wordt verder
verstrekt door differentiële
zonsrotatie: het omega
effect
Een eenvoudige beschrijving van de dynamo
(3) Opstijgende magnetische lussen
• Wanneer de veldsterkte tot ≈ 105 Gauss is
gestegen dan kunnen knikken in het veld
ontstaan.
• Dit leidt tot kink instabiliteit; lussen maken
zich los en stijgen op
• Na ~ een maand verschijnen ze als
zonnevlekken aan het oppervlak. Ze
sleuren zwakkere velden mee; dit zijn de
omringende Actieve Gebieden
(fakkelvelden) om de zonnevlekken
Vlekkengroepen in Actieve Gebieden
omringd door fakkelvelden. Fakkels hebben
temperaturen van ca. 10 000 K
Actieve Gebieden zijn ook zetels
van zonnevlammen
• Oorzaak is magnetische
•
•
•
herverbinding
(“kortsluiting”)
Stromen tot 1012 amp
Eerste fase: temperatuur
van ca. 50 – 70 miljoen
K. gedurende tiental
seconden tot een minuut
Daarna afkoeling
Actieve Gebieden zijn ook zetels
van Coronale Massa Emissie. Totale
massa is ca. 1010 – 1012 kg. Snelheden tot 2500 km/s
Een eenvoudige beschrijving van de dynamo
(4) Het alfa effect
• In de latere fase is het hele equatoriale veld
•
uiteengevallen; zwakkere velden ontstaan als
gesloten lusjes
Zeer traag opstijgend, hoofdzakelijk evenwijdig
aan de zonne-as, draaien ze enigszins om;
krijgen een alfa vorm
Een eenvoudige beschrijving van de dynamo
(5) Het poloïdale veld
• In polaire gebieden vormen deze
opstijgende lusjes het poloïdale veld.
• Grootste sterkte ca. 5 jaar na het vlekken
maximum
• Nu zijn we terug bij het begin: 11 jaren
later
• Dit was een vereenvoudigde beschrijving
van het mechanisme van de elfjaarlijkse
zonnecyclus
Het polaire veld: polaire heldere
punten; polaire fakkels, coronale gaten
Coronale gaten
• Hoofdzakelijk polair maar ze kunnen zich
tot de evenaar uitstrekken
• Ze hebben een zeer zwak magnetisch veld
of zijn zelfs magnetisch neutraal
• Ze zij bronnen van gasstromingen naar de
interplanetaire ruimte: de zonnewind
• Dit gas, hoofdzakelijk ongeladen, kan ver
doordringen in het aardse magnetisch veld
Twee vergelijkbare magnetische
veld componenten
• De twee veld-componenten hebben
vergelijkbare totale magnetische fluxen
• Maar het equatoriale veld valt sterker op,
door de zonnevlekken
• Maximale sterkte van de een tijdens
minimum van de ander
• Dit is deel van de exotische dans van de
twee veld-componenten
De dans der veld-componenten.
Rood: equatoriaal; blauw: polair. Maar zie het afwijkende
gedrag na 2000  overgang naar nieuwe Grote Episode.
HOE GEDROEGEN DEZE TWEE VELDEN
ZICH IN HET VERLEDEN?
Het equatoriale veld werd pas gemeten sinds
het begin van de 20e eeuw
Het polaire sinds ca. 40 jaar
Kunnen we ‘proxies’ voor deze veldsterkten
vinden?
Proxy voor het (gladgemaakte) equatoriale magnetische
veld: maximaal vlekkengetal per cyclus (Zie de Maunder en
Dalton Minima (om ~1675 en ~ 1810) en het grote 20e eeuwse maximum met
de top in 1960)
Proxy voor de polaire veldcomponent: minimum van de
geomagnetische aa index (maximum ~ 1975)
Dit is gebaseerd op de goede correlatie tussen aaindex in vlek-minimum en maximale polaire
magnetische veldsterkte (DMmax). Vierkant: 2009
De gemiddelde aardse
grondtemperatuur
Is de variatie van de gemiddelde aardse
grondtemperatuur gecorreleerd met de
zonsactiviteit?
Zo ja, kan dit worden verklaard?
De gemiddelde grondtemperatuur steeg
sinds het Maunder Minimum. Drie Episoden
Correlatie analyse voor de periode 1610 – 1970
(dus vóór de recente sterke temperatuur toename)
• Proxy voor equatoriaal veld bekend sinds 1610
• Die voor polair veld is bekend sinds 1844
• Over 1610 tot ca. 1950 – ‘70 is de gemiddelde
•
•
toename gecorreleerd met :
equatoriaal veld: 0.077 K/eeuw
polair field: 0.040 K/eeuw
(De Jager, Duhau & Van Geel, 2010)
Kunnen we dit verklaren?
De equatoriale component: ja
Equatoriale component: Totale zonnestraling nam toe met
toename van de toenemende UV straling van fakkelvelden
Totale zonnestraling is pas goed
gemeten sinds 1976. (ref.: Fröhlich). Goede
correlatie met het vlekkengetal
Extrapolatie tot 1610 gebaseerd op goede
correlatie met zonnevlekkengetal (Lean, 2011)
Consequenties van recente reconstructies
van Totale Zonne Straling (TZS) (Lean, Foucal,
Solanki et al.)
• De conventionele onderstelling: ΔT/T = (ΔI/I)/4 (T =
•
•
•
•
aardse temperatuur; I = TZS)
Op grond daarvan voorspellen we een gemiddelde
temperatuur gradiënt ten gevolge van de equatoriale
veld variaties van 0.038 K/eeuw
Dit is de helft van de waargenomen toename
Positieve terugkoppeling, vooral door waterdamp
verklaart de andere helft
Dus: de temperatuur toename ten gevolge van variaties
in de equatoriale component kan geheel worden
verklaard
Nog onduidelijk is de T-toename verbonden
aan die van het polaire veld (0.040 K/eeuw)
• Meest geopperde onderstelling: (extra-) galactische
•
•
•
•
kosmische stralingsflux op aarde is minimaal gedurende
perioden van maximale zonnevlekken en omgekeerd
Meer kosmische straling produceert C14 isotoop
Leidt de verhoogde deeltjesstroom tot druppelvorming
tijdens perioden van minimale zonsactiviteit?
Nog te onderzoeken: de Open Zonne Flux en : hoe
beïnvloedt veranderlijke kosmische straling het klimaat?
Wolkvorming?
Er zijn recente waarnemingen dat regenval samenhangt
met zonsactiviteit
Vergelijking Zon-Aarde
We berekenen de zonsbijdrage en trekken
die af van de waargenomen gemiddelde
aardse grondtemperatuur
TEMPERATUREN. Boven: zonsbijdrage;
midden: waargenomen; onder: verschil
(De Jager-Nieuwenhuijzen, 2013)
Het totale beeld
• Afgevlakte aardse temperatuur (dus zonder
•
•
•
vulkanische activiteit of El-Nino, enz.) is tot ca.
1950 bijna geheel met zonsactiviteit
gecorreleerd
Daarnaast is er ook een geleidelijke toename
van de zonnecomponent over de eeuwen
Chaotische restfluctuaties met kwadratisch
gemiddelde van 0.18 K
Na 1950 sterke toename (CO2)
Bovndien: geen significatie stijging van
temperatuur na ca. 2002; hoe komt dat?
Opnieuw, per jaar gemiddeld
Stilstand hangt vermoedelijk samen met de
geringe zonsbijdrage (groene lijn)
Grote Episoden
We kennen meer Grote Minima
naast het Maunder Minimum
Grote Episoden in het laatste millennium : minima van
Oort, Wolf, Schröder, Maunder, Dalton (gemeten aan C14
isotoop) .
Groot 20e eeuwse Maximum was het
grootste van de laatste 10 000 jaar
Maunder minimum was
gecorreleerd met lage
temperaturen op aarde
Nederland: trekschuiten konden weinig
varen in winter
Bevroren rivieren in Engelnd en Frankrijk
Er is nog een ander voorbeeld
Opgravingen West Friesland tonen
klimaatverandering 850 v. Chr. (V. Geel)
Klimaatverandering samenhangend met
veranderde zonsactiviteit rond 800 v. Chr.
De toekomst
Zon ging door een ongekende
overgangsperiode 2005 – 2010. Wat
betekent dit voor de toekomst?
Het overgangspunt
• Empirisch is gevonden dat overgangen
tussen Grote Episoden plaats vinden
wanneer Rmax en aamin door een
specifiek punt lopen in het aamin – Rmax
diagram
• We noemen dat punt het overgangspunt
(Duhau en De Jager)
Doorgangen door het overgangspunt .
Ze vonden plaats in 1924 en 2007 –’09 en
eerder in 1744 en 1620
In meer detail - 0vergang in 2007
(de Jager – Nieuwenhuijzen 2013)
De lopende eeuw
Na de huidige extreem lage 11jaarlijkse periode
(maximum 2013) verwachten we dat dit het begin
is van een periode van regelmatige oscillaties,
zoals in 1740 – 1924.
DANK U !