Veðurfarsbreytingar og sólin (fáeinar staðreyndir og álitamál - söguslef)

Að sjálfsögðu hefur sólin áhrif á veðurfar á jörðinni - hún er uppspretta þess. Hin miklu áhrif hennar sjást best á dægur- og árstíðasveiflu hita (og fleiri veðurþátta). Við sjáum afl hennar í allt að margra tuga gráða hitamunar dags og nætur, vetrar og sumars. Allt óumdeilt. Lofthjúpurinn allur, auk hafa og landa, bregst síðan við og leitast við að dreifa sólarorkunni - á ótrúlega flókna vegu. 

Fyrir meira en fjórum árum var á hungurdiskum pistli (viðhengi) fjallað um líkleg áhrif hægfara afstöðubreytinga snúningsáss jarðar, jarðbrautar og sólar (Milankovicsveiflur). Þeir sem vilja geta rifjað það upp - en við endurtökum það ekki hér og nú. 

Það sem hér fer á eftir er að stofni til upprunnið í hungurdiskapistli frá 2010 sem aldrei birtist. Nauðsynlegt reyndist þó að endurskoða, þurrka út og bæta við ýmsu alveg nýju. Kannski ætti að kalla þess aðferð rústabjörgun. Lesendur eru beðnir velvirðingar á ójöfnum í veginum og hugsanlegum missögnum eða endurtekningum. 

Eins og eðlilegt má telja hefur sólin legið undir grun um að vera meginorsakavaldur veðurfarsbreytinga bæði til langs og skamms tíma. Í fljótu bragði mætti því halda að hún gæti skýrt nærri því hvaða veðurfarsbreytingar sem er. Það hefur hins vegar ekki gengið vel að tengja breytingar í sólvirkni þekktum veðurfarsbreytingum. Satt best að segja illa. Mikið hefur verið reynt og áratugum saman (og lengur) hafa birst nýjar og nýjar yfirlýsingar um að „nú“ hafi það loksins tekist. Ritstjóri hungurdiska er orðinn nokkuð mæddur á kenningaflóðinu - e.t.v. mun sú mæða um síðir byrgja honum sýn - en ekki enn. 

Á hinn bóginn hafa orðið mjög miklar framfarir í sólarfræðum á síðustu áratugum - bylting, ætti frekar að segja. Mælingum fleygir fram og þekking vex á samskiptum sólar og umhverfis hennar. Á síðustu árum eru menn hiklaust farnir að ræða um „geimveður“ og „geimveðurspár“ - og þær eru nú þegar hagnýttar á ýmsa vegu. Sömuleiðis er reynt að spá fyrir um „veður“ á sólinni sjálfri - hvernig virkni hennar verður á næstu dögum, árum og áratugum. Mikil bjartsýni ríkir fræðasviðinu og hefur ritstjóri hungurdiska engar ástæður eða forsendur til að efast um réttmæti hennar.

En þrátt fyrir þetta hefur enn ekki tekist að sýna fram á hver áhrif breytileika sólar, sem mældur hefur verið, eru á veðurfar - eða hvort þessi mældi breytileiki skiptir máli miðað við aðra orsakavalda veðurfarsbreytinga. Varla heldur nokkur því þó fram að þessi breytileiki hafi nákvæmlega engin áhrif. 

Vandkvæðin eru margþætt - og örugglega fleiri en hér verða talin. Áður en áfram er haldið skulum við líta á skýringarmyndir.   

Sólgeislun á flöt sem liggur hornrétt á geislastefnu og er staðsettur í sömu fjarlægð frá sól og jörðin, er að meðaltali um 1364 W á fermetra [sjá þó síðar]. Þessi tala nefnist sólstuðull. Sólgeislunin gengur oft undir nafninu „inngeislun” eða „stuttbylgjugeislun” til aðgreiningar frá geislun jarðar sem þá nefnist útgeislun” eða „langbylgjugeislun”.

Jörðin er kúla og getur ekki nýtt meiri sólarorku en þá sem fellur á þversnið hennar. Heildarflatarmál jarðaryfirborðs er hins vegar fjórum sinnum meira, helmingurinn í skugga hverju sinni auk þess sem geislarnir falla skásett á megnið af því sem eftir er. Að meðaltali nýtist því aðeins fjórði hluti sólstuðulsins hverjum fermetra á yfirborði jarðar - eða um 341 W á fermetra. Í stöku riti má sjá þessa fjórðungstölu kallaða sólstuðul - lesendur ættu að hafa það í huga þegar lesið er um sól og veður.

En sú tala sem nýtist lofthjúpnum er raunar ennþá lægri, eða um 240 W á fermetra, vegna þess að rétt tæp 30% inngeislunarinnar endurkastast beint út í geiminn aftur (aðallega frá skýjum og snjó). Speglunarhlutinn er oftast nefndur endurskin eða endurskinshlutfall (albedo = hvítni). Vegna þess að orka getur ekki (til langs tíma) safnast saman í kerfinu geislar jörðin öllu því sem hún fær út aftur - en þá í formi lengri geisla (á varmageislahluta rafsegulrófsins).

Þeir sem leita sér upplýsinga um nákvæmt tölugildi sólstuðulsins komast fljótt að því að fleiri en ein tala er nefnd í heimildum. Hér hefur talan 1364 W á fermetra verið tilfærð, en annars staðar má sjá tölur allt niður í 1361 W og upp í 1368 W á fermetra. Umræða um veðurfarsbreytingar líður nokkuð fyrir þessa óvissu. Hún er þó ekki nærri því eins alvarleg í umræðunni og óvissa um hversu stöðugur sólstuðullinn hefur verið í gegnum tíðina. 

Óvissa um breytileika sólstuðulsins er e.t.v. það sem mestu lífi hefur haldið í vísindalegri umræðu um þátt sólarinnar í þeim hitabreytingum sem orðið hafa síðustu 150 árin eða svo - og allvel eru þekktar. 

Mælingar á geislun sólar hafa nú verið gerðar úr gervihnöttum síðan 1978 - með mælitækjum mismunandi gerðar. Þessar mælingar hafa greint breytileika sem tengist hinni alþekktu „11-ára“ sólblettasveiflu. Nýjasta skýrsla IPCC (2013) notar töluna 0,1 prósent (um 1,3 W á fermetra). Sömuleiðis er breytileiki frá degi til dags orðinn sæmilega þekktur - hann er meiri við hámark sólblettaskeiða heldur en nærri lágmörkum þeirra. [1]

Í ljós hefur einnig komið að 11-ára sveiflan er mun meiri á útfjólubláa sviði sólarrófsins heldur en á því sýnilega og að áhrif sveiflunnar á efstu lög lofthjúpsins (hitahvolf/úthvolf) eru umtalsverð. 

Sú skoðun er uppi að auk þessa breytileika - sem þrátt fyrir allt hefur verið mældur - séu einnig breytingar á sólstuðlinum á lengri tímakvarða. Almennt er talið að þær breytingar - séu þær einhverjar - ættu að greinast best í sólblettalágmörkum - þegar sveiflur frá degi til dags og mánuði til mánaðar eru miklu minni en á virkari hluta hverrar sveiflu.

Við skulum kalla slíkt undirliggjandi breytileika - reynt hefur verið að finna reglubundnar sveiflur hans og þeim gefin fjölmörg nöfn. Mjög illa hefur þó gengið að negla þær niður - kannski er um flókið samspil fjölmargra sveifluþátta að ræða sem afhjúpast ekki nema á mjög löngum tíma. Það er eftirtektarvert hversu sannfærðir flestir þeir sem stunda leitina eru um þeir hafi fundið sveiflutíðnina - furðuoft aðra en aðrir hafa fundið.

Hugmyndin er sú að gangi undirliggjandi virknisveifla til lágmarks standi það ástand jafnvel áratugum saman, þá tvær eða fleiri 11-ára sveiflur. Sólblettahámörkin reglubundnu verði þá vægari - eða hverfi jafnvel alveg - eins og sumir telja að hafi gerst um hríð á 17. öld - kallað Maunderskeið. Í IPCC-skýrslunni áðurnefndu er talað um að hugsanlega sé um 0,1 prósent munur á sólstuðlinum meðan á undirliggjandi lágmörkum stendur og því sem hann var í virknihámarkinu á síðari hluta 20. aldar. 

Menn hafa nú fylgst náið með sólblettum frá því á 17. öld. Myndin sýnir niðurstöður slíkra talninga á ársgrundvelli allt fram til 2014 [2]. Einnig eru til ámóta tímaraðir sem ná til einstakra mánaða og daga mestallt tímabilið (dagleg röð aftur til öndverðrar 19. aldar). 

Grái ferillinn sýnir ársgildi - en sá rauði er 11-ára keðjumeðaltal og sýnir hann töluverðan langtímabreytileika sólblettavirkni. Hún var í lágmarki á 17. öld (Maunderlágmarkið áðurnefnda - utan þessarar myndar að mestu) og annað lágmark var snemma á 19. öld (Daltonlágmark). Sést það vel á myndinni og náði yfir þrjú 11-ára skeið. Mikið hámark var hins vegar um miðja 20.öld og allt fram að síðustu aldamótum. Nú (árið 2015) stefnir í einhvers konar lágmark - við vitum ekki enn hversu mikið eða langvinnt það verður. Einnig eru til tímaraðir sem sýna heildarflatarmál sólbletta og eru þær efnislega svipaðar þeirri hér að ofan.  

Sumum þykir rauði ferillinn á myndinni minna nokkuð á þann sem sýnir hita á norðurhveli jarðar - en nokkuð góðan vilja þarf samt til að sjá mikil líkindi. Misræmi er á milli ferilsins og hitafars hér á landi -. En ætíð verður að hafa í huga að alls konar breytingar á veðurfari eru hugsanlegar án þess að meðalhiti jarðar eða hvela breytist mikið.  

Við hættum okkur ekki út í umræður um áreiðanleika sólblettatalninga í tímans rás. Margar ágætar bækur hafa verið skrifaðar um sögu sólrannsókna og leit að reglubundnum sveiflum sólvirkninnar. - Fjasbókarsíða hungurdiska hefur minnst á nokkrar slíkar.

En þá er það hinn undirliggjandi breytileiki sólstuðulsins. Eigi að búa til trúverðug veðurfarslíkön þurfum við að þekkja hann - hvort sem hann er mikill eða lítill. 

Í grein eftir Gavin Schmidt og félaga (2012)[4] má finna ágæta umfjöllun um þá kosti sem bjóðast þegar reynt er að herma aðalatriði veðurfarsbreytinga síðustu þúsund ára. Greininni fylgir gagnasafn sem sýnir breytileika nokkurra líklegra geislunarálags- eða mótunarþátta veðurfars. Breytileiki sólstuðulsins er einn þeirra (ásamt gróðurhúsaáhrifa-, agnamengunar-, eldgosa- og landnotkunarvísum). Greinarhöfundar taka meðal annars saman nokkrar ágiskanir um breytileika sólstuðulsins síðustu þúsund árin.

Myndin að ofan sýnir þrjár þessara ágiskuðu tímaraða - þær sem eru ólíkastar innbyrðis. Blái ferillinn sýnir ágiskun þar sem ekki er gert ráð fyrir neinum „undirliggjandi“ breytingum - sólblettasveifla sólstuðulsins er sú eina. Rauði ferillinn sýnir vinsæla ágiskun Judith Lean og félaga - þar er undirliggjandi breytileiki umtalsverður - um tvöfaldur á við nýjasta álit IPCC.  

Fyrir fáeinum árum bættist græni ferillinn síðan við - hann er í grein Schmidt og félaga fenginn frá Shapiro og félögum [7]. Hér er undirliggjandi breytileiki talinn miklu meiri heldur en venjulegt er að gera. Munur á undirliggjandi lágmarki á Maunderskeiðinu og nýlegu hámarki er talinn vera um 6 W á fermetra. Þegar búið er að taka tillit til dreifingar um allt flatarmál jarðar og endurskins er ítrasti munur á mestu og minnstu sólaráhrifum um 1,3 W á fermetra. Til samanburðar má geta þess að í síðustu samantekt IPCC (2013) er áætlað að mannrænu áhrifin (miðað við 1750) séu á bilinu 1,3 til 3,3 W á fermetra, líklegasta talan sé 2,3 W á fermetra.

Hér stendur hnífurinn í kúnni. Hver af þessum ferlum er sá rétti? Er breyting á sólarálagi frá árinu 1750 0,2 W á fermetra (eða minna) eins og IPCC telur eða er hún 1,3 W á fermetra eins og Shapiro og félagar reikna (reyndar frá 1700)?

Þrátt fyrir að langflestir þeir sem um málið fjalla hallist á sveif með áliti IPCC verður samt að játa að afdráttarlaus svör varðandi breytileika stuðulsins fást því miður ekki fyrr en svo dregur úr sólvirkni að undirliggjandi breytileiki sýni sig í mælingum - sé hann fyrir hendi á annað borð.

Fjölmargir hafa reynt að nota veðurfarslíkön til að herma megindrætti veðurfars (einkum hita og úrkomu) síðustu þúsund ára. Til að hægt sé að gera það eru upplýsingar um geislunarálag nauðsynlegar - þar á meðal ágiskanir um breytileika sólstuðulsins.

Líkanreikningarnir þykja benda til þess að blái ferillinn (eða nánir ættingjar hans) sé sá rétti - eða alla vega falli hann best að breytingum á hitafari síðustu 150 ára - og þá líklega líka lengra tímabils. Áhrif breytileika sólar á veðurfar þessa tíma séu lítil (ekki engin) - enda hafi breytileiki sólgeislunar verið lítill. 

Séu stærri sveiflur notaðar (rauði eða græni ferillinn - eða ættingjar þeirra) verði hitasveiflur síðustu 150 ára (þær þekkjum við allvel) óraunverulegar. Þetta styður óneitanlega álit IPCC.   

Þeim sem hafa áhuga á því hvernig rauðu og grænu ferlar myndarinnar eru reiknaðir er bent á greinarnar sjálfar, þær eru aðgengilegar á netinu (Lean og félagar [3] og Shapiro og félagar [6]).  

Fyrir utan þessar ágiskanir hefur verið reynt að særa upp undirliggjandi breytileika með því að athuga lengd hverrar sólblettasveiflu. Meðallengdin er 10,6 ár - en getur verið styttri og lengri. Það þvælir málið að ekki er vitað hvort miða á við tíma á milli eftirfylgjandi lágmarka eða hámarka - auk þess sem sum hámörk eru tvöföld og sum lágmörk mjög flöt. Segulmælingar hafa einnig verið notaðar við þessar lengdarmælingar. Niðurstaðan virðist sú að sé sólblettahámarkið mikið er tilhneiging til styttri sveiflu en þegar það er lítið.

Um þetta og fleira athyglisvert má lesa í ágætri greinargerð Richard og félaga [7] - þeim er þó ekki sérlega umhugað um hitaspár eða sólstuðul.  

Rétt er að minnast einnig á þá hugmynd að þegar sólvirkni sé í lágmarki sé aðgengi geimgeisla að lofthjúpi jarðar í hámarki. Geimgeislar auki fjölda þéttikjarna í lofthjúpnum og þar með myndist ský með auðveldari hætti en ella - endurskin jarðar aukist - og lofthjúpurinn kólni. IPCC-skýrslan (2013) gerir lítið úr hugmyndinni - enda hafi ekkert komið fram sem styður hana.   

Endurskin jarðar hefur verið mælt í allmörg ár og á því tímabili hefur breytileiki þess frá ári til árs verið lítill (um 0,2 prósent - rúmt 0,1 W á fermetra) eða enn minni heldur en sólblettavirknisveiflan [8]. Trúlega þarf þó lengri tíma nákvæmra mælinga til að skera endanlega úr um þetta atriði. 

Hugmyndir eru einnig uppi um tengsl sólvinda (og/eða sveiflna í segulsviði sólar og/eða samspili þess við segulsvið jarðar) við hringrás lofts í efri lögum lofthjúpsins - jafnvel niður í heiðhvolfið. Um slíkt hefur verið fjallað lengi - aðallega með fremur veikum tölfræðilegum rökum - en ef um slík tengsl er að ræða er líklegra að þau taki fremur til veðurs heldur en veðurfars.

Er einhver niðurstaða? Varla - en verður vonandi fyrir hendi eftir 10 til 15 ár. 

Númeruðu tilvitnanirnar [] eru listaðar í viðhenginu. 

Skrár tengdar þessari bloggfærslu:

• númeraðar heimildir

Athugasemdir

[Finnur Hrafn Jónsson, 24.5.2015 kl. 01:29]

"...Rétt er að minnast einnig á þá hugmynd að þegar sólvirkni sé í lágmarki sé aðgengi geimgeisla að lofthjúpi jarðar í hámarki. Geimgeislar auki fjölda þéttikjarna í lofthjúpnum og þar með myndist ský með auðveldari hætti en ella - endurskin jarðar aukist - og lofthjúpurinn kólni. IPCC-skýrslan (2013) gerir lítið úr hugmyndinni - enda hafi ekkert komið fram sem styður hana. ..."

Ég er ekki viss um að Svensmark og félagar taki undir að ekkert hafi komið fram sem styðji þessa tilgátu.

Sjá til dæmis: http://agbjarn.blog.is/blog/agbjarn/entry/923712/

[Trausti Jónsson, 24.5.2015 kl. 01:49]

Varla við öðru að búast. Væntanlega halda þeir áfram að reyna rökstuðning - ekki hef ég á móti því og IPCC-ritarar ábyggilega ekki heldur.