Astronomiczne czynniki mogące wpływać na ziemski klimat

Od wielu lat jest wałkowany temat stanu klimatu naszej ziemi. Może się nawet zdawać, że niektórych mógł on już znudzić na tyle by stracić zainteresowanie tym zjawiskiem. Czy jednak możemy sobie na ten brak zainteresowania pozwolić? Okazuje się, że znane są nam coraz to nowe czynniki mogące wpływać znacząco na zmiany klimatu. Pewne teorie nie są nowe, ale całość pokazuje jak bardzo złożony jest to proces. Na ile my wpływamy na klimat, a na ile on sam ulega wpływom kosmicznych zmian zachodzących zupełnie bez naszej woli niech pokaże ten artykuł.

---

Dlaczego istnieje klimat?
Klimat - charakterystyczny przebieg zjawisk pogodowych na danym obszarze w okresie wieloletnim. Na ten przebieg nakłada się zmiana roczna i dobowa.
Klimat to złożona reakcja atmosfery, oceanów i lądów na energię otrzymywaną ze Słońca - wynik działania różnych procesów i skomplikowanych sprzężeń zwrotnych pomiędzy nimi.

Dlaczego klimat ulega zmianom? Jakiekolwiek zaburzenie w ilości energii otrzymywanej od Słońca lub wypromieniowanej przez Ziemię lub zmiana w dystrybucji otrzymanej energii na Ziemi będzie miało wpływ na klimat.

Przyczyny zmian klimatu można podzielić na dwie grupy:
-zewnętrzne ('astronomiczne'; o tym za chwilę)
-wewnętrzne ('ziemskie'; prądy oceaniczne, tektonika płyt, wulkanizm, skład
-chemiczny atmosfery, obecność organizmów żywych,

Astronomiczne czynniki mogące wpływać na ziemski klimat:
-aktywność słoneczna
-zmiany w ruchu obiegowym i obrotowym Ziemi
-obecność Księżyca
-inne (błyski gamma, supernowe, ewolucja Słońca

Aktywność słoneczna to szereg zjawisk występujących okresowo na Słońcu takich jak plamy słoneczne, rozbłyski, koronalne wyrzuty materii, ect.
Za istnienie aktywności słonecznej odpowiedzialne jest pole magnetyczne produkowane we wnętrzu Słońca.


Aktywność słoneczna - czym jest?
Podstawowy cykl aktywności słonecznej trwa około 11 lat. Ilość pojawiających się zjawisk aktywnych zmienia się z tym okresem. W minimum aktywności pole magnetyczne jest słabe a zjawisk aktywnych mało W maksimum aktywności pole magnetyczne jest silne a zjawisk aktywnych dużo Promieniowanie X Pole magnetyczne

Aktywność słoneczna - jak się zmienia?
Najdłużej obserwowanym przejawem aktywności słonecznej są plamy. Pierwsze obserwacje teleskopowe wykonano na początku XVII wieku. Regularne obserwacje prowadzi się od połowy XVIII wieku. Ilość plam widocznych w danej chwili mierzona jest tzw. liczbą Wolfa. Liczba ta zmienia się wyraźnie z cyklem aktywności.

Aktywność słoneczna - jak jest mierzona?
Obserwacje plam wskazują, że w drugiej połowie XVII wieku liczba Wolfa był niska i nie występowała 11-letnia zmienność tej liczby. Pierwszy zwrócił na to uwagę G.Spoerer. Badnia prze-prowadzone przez Edwarda W. Maundera potwierdziły istnienie tego minimum aktywności (tzw. Minimum Maundera) w okresie 1645 - 1715.


Aktywność słoneczna - minimum Maudera
Minimum to zbiega się w czasie z najchłodniejszym okresem tzw. Małej Epoki Lodowcowej.
Chcąc odtworzyć aktywność słoneczną przed rokiem 1600 i badać jej związek ze zmianami klimatu, musimy korzystać z pośrednich wskaźników tej aktywności takich jak zawartość izotopu 10 Be w lądolodach Grenlandii i Antarktydy i izotopu 14 C w drzewach. Oba izotopy powstają w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego z atmosferą ziemską.

Aktywność słoneczna - jeszcze wcześniej
W cyklu aktywności zmienia się ilość energii emitowanej przez Słońce. Podczas maksimum strumień energii słonecznej docierającej do Ziemi jest większy niż w minimum. Dobrze by tłumaczyło to obserwowaną zależność mniejsza aktywność - chłodniejszy klimat, ale ...

Aktywność słoneczna - wpływ na klimat
... różnice między minimum a maksimum aktywności wynoszą około 0.1%. Jest to niewielka zmiana i teoretycznie nie powinna powodować wyraźnych fluktuacji klimatu. Jej wpływ jest mniejszy niż zmiany temperatury Ziemi, które miały miejsce w przeszłości.
Oprócz zmiany mocy promieniowania, w cyklu zmienia się również strumień tzw. wiatru słonecznego (materii wypływającej z Słońca wraz z polem magnetycznym). W maksimum wiatr jest 'silniejszy' niż w minimum. Większa część Układu Słonecznego zanurzona jest w materii wypływającej ze Słońca, która tworzy tzw. heliosferę. Heliosfera utrudnia promieniowaniu kosmicznemu dostęp do układu planetarnego, w tym Ziemi. Działanie heliosfery jest oczywiście słabsze w minimum niż maksimum, dlatego w minimum więcej promieniowania kosmicznego dociera do Ziemi.

Aktywność słoneczna - wpływ na klimat
Docierające do atmosfery promieniowanie kosmiczne powoduje jej jonizację na wysokości kilku km. Powstałe jony, naładowane elektrycznie aerozole stają się jądrami kondensacji tworząc krople wody a tym samym chmury.

Aktywność słoneczna - wpływ na klimat
Słabsza aktywność, słabszy wiatr i heliosfera - więcej promieni kosmicznych jonizujących atmosferę - więcej powstających chmur - mniej promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi - spadek temperatury



Milutin Milanković (1879 - 1958) - serbski geofizyk. Opracował teorię łączącą występowanie zlodowaceń ze zmianami w ruchu orbitalnym i obrotowym Ziemi (tzw. cykle Milankovicza). Podobne przypuszczenia mieli już w XIX wieku Adhemar i Croll.

Na cykle Milankovicza składają się:
-zmiany mimośrodu orbity ziemskiej
-zmiany nachylenia osi obrotu Ziemi pierwsza strona jednej z prac Milankovicza
-zmiany orientacji osi obrotu Ziemi czyli tzw. precesja

Początkowo teoria ta nie została przyjęta - brakowało wiedzy na temat paleoklimatu. Jednak późniejsze badania osadów morskich i wiercenia w lądolodach Grenlandii i Antarktydy potwierdziły przewidywania Milankovicza.

Zmiany w ruchu obiegowym i obrotowym Ziemi
zmiany mimośrodu orbity ziemskiej
zakres zmian: 0.005 - 0.058 (średnio 0.028; obecnie 0.017)
okres zmian: główny 413 tys. lat, inne w zakresie (95 - 136) tys. lat
skutek: zmiana odległości Ziemi od Słońca w ciągu roku (obecnie ok. 5 mln km) powodująca roczne wahania ilości docierającego promieniowania słonecznego (obecnie ok. 7% maksymalnie 23%)



Zmiany w ruchu obiegowym i obrotowym Ziemi
zakres zmian: 22^o.1 - 24^o.5 (obecnie 23^o.5 i maleje 0.''5 [14 m] na rok)
okres zmian: 41 tys. lat
skutek: zwiększanie lub zmniejszanie się różnic pomiędzy porami roku; większe nachylenie oznacza cieplejsze lata i chłodniejsze zimy, mniejsze - chłodniejsze lata i cieplejsze zimy; druga sytuacja sprzyja wzrostowi lodowców. Zmiana nachylenia osi obrotu jest zjawiskiem mierzalnym w skali ludzkiego życia. Postawiony dokładnie na zwrotniku raka w 1908 roku na Tajwanie pomnik obecnie znajduje się 1.3 km na północ od tego zwrotnika.

Zmiany w ruchu obiegowym i obrotowym Ziemi zmiany nachylenia osi obrotu Ziemi
okres zmian: 26 tys. lat
skutek: przesuwanie się pór roku względem momentu przejścia Ziemi przez np. peryhelium powoduje w połączeniu z ekscentrycznością orbity zmniejszanie lub zwiększanie różnic pomiędzy porami roku na danej półkuli.

Zmiany w ruchu obiegowym i obrotowym Ziemi - precesja
Jasne gwiazdy biegunowe
3000 pne Thuban
1000 pne Kochab
2000 ne Polaris
4000 ne Alrai
7500 ne Alderamin
14000 ne Vega
Kolejnym skutkiem precesji jest zmiana położenia północnego i południowego bieguna nieba na sferze niebieskiej Obecnie północny biegun nieba znajduje się 44’ do Gwiazdy Polarnej. Najmniejsza odległość między nimi będzie w roku 2017.
Wszystkie trzy cykle nakładają się na siebie tworząc dość skomplikowany przebieg zmian w ilości energii słonecznej docierającej do różnych miejsc na powierzchni Ziemi.

Problemy:

• w okresie 1 - 3 mln lat temu w fluktuacjach klimatu dominuje okres 41 tys. lat (nachylenie osi), później dominuje okres 100 tys. lat (mimośród); przyczyna tej zmiany nie jest znana.
  
• przyczyna dominacji okresu 100 tys. lat też nie jest jasna, obliczenia pokazują bowiem, że zmiana mimośrodu powinna mieć najmniejsze znaczenie.
  
• wyniki badań paleoklimatu na podstawie osadów z dna morskiego oraz czap lodowych Grenlandii i Antarktydy wskazują, że zmiany klimatyczne w minionych epokach były większe niż wynika to z obliczeń dla cykli Milankovicza. Być może pewne czynniki ziemskie mogą wzmacniać lub osłabiać działanie tych cykli.

zmiany w ruchu obiegowym i obrotowym Ziemi - sumaryczne działanie cykli
Obecnie pory roku na półkuli północnej są łagodniejsze niż na południowej, ma to duże znaczenie ponieważ półkula północna to w dużej części ląd, który jest bardziej podatny na fluktuacje w ilości docierającego promieniowania słonecznego. Dodatkowo mały mimośród orbity zapewnia, że w ciągu roku ilość energii słonecznej otrzymywanej przez Ziemię zmienia się tylko o około 7%.
W najbliższej przyszłości mimośród orbity i nachylenie osi obrotu będą malały. Jednak wymodelowanie klimatu dla przyszłości nie jest w zasadzie możliwe z co najmniej dwóch powodów: istnienie czynnika antropogenicznego oraz nieznane do końca mechanizmy współdziałania cykli Milankovicza z ziemskim czynnikami wpływającymi na klimat zmiany w ruchu obiegowym i obrotowym Ziemi.

Stan obecny i przyszłość
Niedawno zwrócono uwagę na jeszcze jeden element ruchu orbitalnego Ziemi, który podlega cyklicznym zmianom. Element ten nie znalazł się w teorii Milankovicza. Chodzi mianowicie o nachylenie orbity ziemskiej względem tzw. głównej płaszczyzny Układu Słonecznego. Nachylenie to zmienia się z okresem około 100 tys. lat podobnie jak zmiany klimatu w okresie ostatnich 800 tys. lat. Nie jest jasne jak zmiany nachylenia miałyby wpływać na klimat (w płaszczyźnie występuje koncentracja pyłu międzyplanetarnego; mniejsze nachylenie orbity - więcej pyłu dostaje się do atmosfery powodując usuwanie gazów cieplarnianych - chłodniejszy klimat) zmiany w ruchu obiegowym i obrotowym Ziemi zmiana nachylenia obity Ziemi cieplej chłodniej.

Modele komputerowe wskazują, że Księżyc stabilizuje oś obrotu Ziemi. Dzięki jego grawitacji oś ta utrzymuje nachylenie około 67^o względem płaszczyzny orbity ziemskiej. Działając w ten sposób przez miliardy lat, Księżyc zapewnia występowanie 'łagodnych' pór roku i stabilnego klimatu na Ziemi. Taka stabilizacja sprzyja rozwojowi życia.

Obecność Księżyca
Gdyby jednak Księżyca nie było ...
... oddziaływanie grawitacyjne innych planet powodowałoby, że oś obrotu Ziemi zmieniałaby swoje nachylenie w sposób chaotyczny, w zakresie od 0^o do 84^o. W skutek tego klimat ziemski przechodziłby znaczące fluktuacje pomiędzy brakiem pór roku a ich występowaniem w postaci znacznie mniej przyjemnej niż obecnie. Jest bardzo prawdopodobne, że uniemożliwiłby to powstanie zaawansowanych form życia.

Możliwe, że brak życia na Marsie spowodowany jest tym, iż planeta ta nie posiada dużego księżyca. Obecnie nachylenie osi obrotu Marsa wynosi około 25^o, ale jak pokazują symulacje nie jest to stan stabilny. Nachylenie to może zmieniać się prawdopodobnie w zakresie kilku do kilkudziesięciu stopni, powodując znaczne fluktuacje klimatyczne.
Niestety, Księżyc wskutek oddziaływania pływowego oddala się od Ziemi z prędkością około 4 cm na rok. Wraz z oddalaniem Księżyca słabnąć będzie jego stabilizujący wpływ na oś ziemską. Wskutek tego nachylanie tej osi będzie zmieniać się w coraz szerszym zakresie (27^o - 60^o za ok. 2 mld lat). W miarę upływu czasu klimat będzie więc coraz mniej stabilny.

Około 450 mln lat temu (Ordowik) wydarzyło się jedno z wielkich wymierań. W tym samym czasie wystąpiła epoka lodowcowa. Przyczyną mógł być błysk gamma, którego źródło znajdowało się w odległości 6500 lat świetlnych.
Modele klimatyczne wskazują, że zlodowacenie nie wystąpiłoby bez jakiegoś inicjującego czynnika zewnętrznego.

Błyski gamma, supernowe

Skutki bliskiego błysku gamma:

• częściowe zniszczenie warstwy ozonowej - zwiększenie ilości słonecznego promieniowania UVB docierającego do powierzchni Ziemi - uszkodzenia DNA
  
• powstawanie NO2 w atmosferze - kwaśne deszcze - wzrost zawartości związków azotu w oceanach i na lądach
  
• powstawanie NO2 w atmosferze - zmniejszenie przezroczystości atmosfery - ochłodzenie klimatu (głównie obszary podbiegunowe)
  
  

Klimat ziemski jest niezwykle złożonym mechanizmem, działającym w sposób 'chaotyczny' (wiele różnych procesów + skomplikowane sprzężenia zwrotne). Wpływ różnych czynników mogących powodować fluktuacje tego klimatu i ich wzajemne interakcje nie są wciąż w pełni zrozumiałe. Czynniki astronomiczne są tylko ich częścią. Co więcej, możliwe, że nie znamy wszystkich czynników zarówno tych ziemskich jak i pozaziemskich.