Oversigt Solens påvirkning af Jordens klima Del 1 Fra opdagelse til eksperiment Del 2 Martin Bødker Enghoff Astronomikursus Det Gådefulde Univers Center for Sun-Climate Research - eller hvordan eksploderende stjerner kan lave skyer Klima-effekt gennem tiden Silkeborg Højskole 10. august 2007 Del 1 fra opdagelse til eksperiment Kosmiske stråler gennem tiden Forklaring af teorien Eksperimenter, udførte og fremtidige Spørgsmål/Diskussion KAFFE! Del 2 Klima-effekt gennem tiden Beviser fra fortiden Observationer fra nutiden Perspektivering for fremtiden Spørgsmål/Diskussion FROKOST! Der var engang i 1895 Röntgen-stråler fremmer dannelsen af skydråber 1896: Becquerel opdager radioaktiv stråling Jagten går ind på kilder til radioaktiv stråling Elektrometer H. Becquerel, Frankrig C.T.R. Wilson, Skotland Det første skykammer Nobelpris 1903 Man finder dem overalt Proceedings of the Royal Society of London, 1895 Nobelpris 1927 Ligegyldigt hvordan man skærmer er der altid et signal! 1912: Kosmiske stråler opdages - en energikilde fra rummet Stråler fra rummet V. F. Hess, Østrig Hess sender en ballon op i 5 kilometers højde Strålingen faldt efter den første kilometer, men steg så igen! I 1925 konkluderede Robert Millikan fra Caltech, at strålingen kom ind i skykammeret ovenfra og ikke nedefra. Ingen forskel på dag og nat solen kan ikke være kilden. Men hvor kommer de så fra? Pierre Auger opdagede, at to detektorer flere meter fra hinanden registrerede partikler på samme tid. Nobelpris 1936 Millikan eksperimenterer 1
Et sted i Mælkevejen, for et par millioner år siden Efter en lang rejse når de kosmiske stråler til vores Solsystem Kun de stærkeste stråler når frem til Jorden Primær kosmisk stråler (H, He) Kosmisk Brusebad Kollision m. atmosfæren Sekundære kosmiske stråler (pioner -> muoner, gamma stråling) Interaktion m. luftens molekyler Ladede molekyler (ioner) Stjernernes sidste krampetrækning Stjernernes sidste krampetrækning Alkoholdampe 2
1997: Kosmiske stråler og skyer Hvorfor skyer er vigtige for klimaet Skydække (%) lave skyer Kosmiske stråler (%) Skyer dækker ca. 63% af Jorden Reflekterer Solens indstråling - Parasol-effekten N. Marsh og H. Svensmark (2003) - opdateret Fanger Jordens varmeudstråling - Dyne-effekten Skyer i tal En sky bliver til Middle Low High Clouds Clouds Clouds Total Thin Thick Thin Thick All Global Fraction % 10.1 8.6 10.7 7.3 26.6 63.3 Net Cloud Forcing 2.4-7.0 1.1-7.5-16.7-27.7 Wm -2 ERBE Vand-molekyler H 2 O + Svovlsyremolekyler H 2 SO 4 Klynger Dråber (H 2 SO 4 ) x (H 2 O) y Skyer En sky bliver til ionerne kan hjælpe Den hyper-aktive Sol + Vand-molekyler Svovlsyremolekyler Klynger (ustabile) + - - - - Vand-molekyler Ladede svovlsyremolekyler Klynger (stabile) Dråber Skyer 3
Maksimum og minimum Pletter på Solen afslører aktiviteten Set af SOHO-satellitten,2000 Fortidens solpletter Hundreder af års stigende aktivitet Set af Galileo, 1610 Kosmiske stråler, ioner og solaktivitet Kosmiske stråler og klima - opsummering Neutron Counter Supernova Ion Chamber Sunspot Number Solaktivitet Kosmiske stråler Ioner Lave skyer Opvarmning 4
Kosmiske stråler og klima - status Design af et eksperiment 1. Kosmiske stråler kommer Fakta! fra supernovaer 2. Kosmiske Fakta! stråler reguleres af solaktivitet 1. Atmosfærisk realistiske betingelser 3. Kosmiske stråler ioniserer atmosfærenfakta! 2. Mulighed for at danne og måle små partikler 4. Kosmiske stråler påvirker skydannelsen Ikke bevist! 5. Fakta! Lave skyer køler Jorden 3. Mulighed for at kunne regulere mængden af ioniserende stråling Der er brug for et eksperiment! Eksperiment! UV P,T, RH Partikel-tæller Befugter Radon Myoner O 3 Ion-tæller MS Ion-tæller SO 2 SO 2 -analysator Partikeltæller O 2,N 2 H 2 O Masse-spektrometer V = ~7000 L Ozone-analysator Hvad foregår der i det kammer? Gasser i blandingen: Luft (O 2, N 2 ), Vand (H 2 O), Ozon (O 3 ) og SO 2 Så tændes UV-lamperne: To slags eksperimenter 1. Burst: En puls af H 2 SO 4 genereres og det resulterende partikeltal måles 1: O 3 + hv O( 1 D) + O 2 2: O( 1 D) + H 2 O 2 OH 3: OH + SO 2 HSO 3 4: HSO 3 + O 2 SO 3 + HO 2 5: SO 3 +H 2 O H 2 SO 4 6: nh 2 SO 4 + mh 2 O H 2 SO 4 n(h 2 O)m ~ Aerosoler UV UV UV UV 5
To slags eksperimenter Resultater burst-eksperimenter 2. Steady-state: Konstant svovlsyreproduktion. Time (hours) Resultater Steady-state En mærkværdig top Aerosoler (cm -3 ) Ionstrøm (fa) Måske skyldes det et underliggende reservoir? 2. generations eksperiment CERN-kampagne CERN-kampagnen 2006 Rustfrit stål Ren luft fra flydende N 2 /O 2 Justerbar ioniseringsstråle Ion-spektrometer Flere partikel-tællere Svovlsyremålinger Data analyseres stadig. For tidligt at sige noget om resultaterne. 6
At fjerne kosmiske stråler et elektrisk felt Idéen: At lave et eksperiment uden ioner. MEN: Feltet fjerner ikke ionerne helt det reducerer bare deres levetid. Relativt partikeltal Spørgmål: Hvor lang tid tager det for ionerne at gøre det de gør? Mekanisme et forslag Krav: Ionerne er med Det går stærkt Det danner et reservoir af partikler Derfor kan det ikke involvere UV-lys 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Eksperiment 1 Eksperiment 2 O ( H O) + O O ( H O + O + H O 2 2 n 3 3 2 ) n 1 2 2 SO 2 + O3 H 2O) n SO3 ( H 2O) n + SO ( O 3 ( H 2O) n H 2SO4 ( H 2O) n 1 2 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Spænding (V) Hvordan man stopper kosmiske stråler Dybt under jorden Mønsted Kalkminer: 20-30 meter dyb, halvering af de kosmiske stråler Boulby Mine, 1,1 km under jorden. Transportabelt eksperiment Opsummering, Del 1- fra opdagelse til eksperiment 1. Meget tyder på at de kosmiske stråler, som reguleres af Solens aktivitet, påvirker Jordens klima gennem skyerne 2. De første eksperimenter er positive 3. Flere eksperimenter er nødvendige 4. For at forstå hvad der sker nu og hvad der vil ske i fremtiden kan det være nyttigt at kigge tilbage i tiden Del 2 handler de kosmiske strålers indvirken på klimaet gennem tiden. Ingen kosmiske stråler, men radioaktivitet fra jorden indkapsling i bly og kobber! 7
Oversigt Solens påvirkning af Jordens klima Del 1 Fra opdagelse til eksperiment Del 2 Martin Bødker Enghoff Astronomikursus Det Gådefulde Univers Center for Sun-Climate Research - eller hvordan eksploderende stjerner kan lave skyer Klima-effekt gennem tiden Silkeborg Højskole 10. august 2007 Del 1 fra opdagelse til eksperiment Kosmiske stråler gennem tiden Forklaring af teorien Eksperimenter, udførte og fremtidige Spørgsmål/Diskussion KAFFE! Del 2 Klima-effekt gennem tiden Beviser fra fortiden Observationer fra nutiden Perspektivering for fremtiden Spørgsmål/Diskussion FROKOST! Varm Klimaet ændrer sig hele tiden Det første spor Solaktivitet og Temperaturændringer på den Nordlige Halvkugle Kold Osborn og Briffa, Science, 2006 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 År Solaktivitet Temperatur - afvigelse ( o C) Vi vil gerne vide hvorfor! År E. Friis-Christensen og K. Lassen, Science 254, 1991 Hundreder af års stigende aktivitet Kosmiske stråler og skyer Skydække (%) lave skyer Kosmiske stråler (%) T= F*λ(1-α)/4 λ =0,5 KW -1 m -2 (IPCC) α =0,3 F=1,5 Wm -2 -> T=0,1 K Med IPCCs forcering: < 0.04 K Observeret: 0.6 K Der må en forstærkning til! N. Marsh og H. Svensmark (2003) - opdateret 8
Forbush decreases, data fra 1969-1986 Skyer over England (1951-2000) Skydække t=0 <-> Forbush decrease 19% større chance for overskyet når der er mange kosmiske stråler. Pudovkin og Veretenenko, JASTP, 1995 Høj Diffus Fraktion (DF) = Flere skyer, Lav DF = Færre skyer Harrison and Stevenson, Proc. Royal Soc. A, 2006 Kulstof-14 skabt af kosmiske stråler τ 1/2 = 5370 years < q G > = 2 atomer cm -2 s -1 Færre stråler Hvad træerne fortæller 1658: Svensken krydser isen 1700-1720: Stradivarius Kosmiske stråler Atmosfæren Flere stråler Børstekoglefyr Træer Themsen fryser til Havene Biomasse Vikingerne tager hjem Varm 1000 år tilbage Osborn og Briffa, Science, 2006 kosmiske stråler Stalagmitter i Oman monsun-aktivitet Kold 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 År Få kosmiske stråler Mange kosmiske stråler Muscheler et al, Quat. Sci. Rev. 2007 U. Neff et al., Nature, 2001 9
Grus fra driv-is Spor fra driv-is 14 C/ 10 Be Spiralarmenes indgriben 14 C 10 Be Bond et al, Science 294, 2001 De 4-5 spiral-arme Modeller, Modeller Meteorer og Meteorer og Skaldyr Shaviv and Veizer, GSA, 2003 Slinger i den galaktiske vals Data Periode på ~34 mio. år Svensmark, Astronomical Notes 327 (9), 2006 10
Tids-skala for påvirkninger Den unge, svage sols paradoks Forbush decreases Solaktivitet Bevægelser i galaksen Milliarder af år stjernedannelsesrate og liv på Jorden ( 4 mia. år siden: Solen var 25% svagere -> Jorden 25 grader koldere -> vand frosset til is MEN geologiske beviser for flydende vand! Dage År Mio. år Mulige forklaringer Meget methan i atmosfæren Høj radioaktivitet i skorpen Ingen kosmiske stråler -> nedsat albedo (Svensmark, A&G 48, 2007) Svensmark, Astronomical Notes 327 (9), 2006 En sjov observation Earth Radiation Budget Experiment Sky-forcering Sky-dække Mulig forklaring: Albedo for lave skyer: 50-65%, Is-albedo: 80% Så forceringen fra lave skyer er omvendt i is-dækkede regioner Forcering pr. % ændring i sky-dække Den Antarktiske klima-anomali, i nyere tid Opsummering fortidens klima 1. De kosmiske stråler ser ud til at have påvirket fortidens klima kraftigt 2. Påvirkningerne finder sted på mange forskellige tidsskalaer og med mange forskellige mekanismer 3. Hvis fortidens klima har været påvirket kan nutidens også være det og fremtidens kan blive det NASA-GISS 11
Betydning for nutidens klima Nutidens klima Carslaw, Harrison and Kirkby, Science 298, 2002 Lave skyer: -16.7 W/m 2. 2/30%*(-16.7)= -1.1 W/m 2. (Marsh og Svensmark, SSR, 2000: -1.4 W/m 2.) (Pallé og Butler, Astron. Geohpys., 2000: -0.32 to -0.92 W/m 2.) IPCC, AR4, 2007 Klimaet i tal Solen total: 343 W/m 2 Fremtidens klima med kosmiske briller Vi er på vej ud af en spiral-arm (opvarmning) Vi er på vej ud af et sol-minimum (opvarmning) Kosmisk Stråling: Strålings-effekt W/m 2 Solens aktivitet usædvanlig høj de sidste 70 år (?) (Solanki et al, Nature 431, 2004) Konklusion Tak for opmærksomheden! 1. Spor i fortidens klima og eksperimenter peger på at kosmiske stråler spiller en rolle for klimaet 2. Flere eksperimenter er nødvendige for at bevise det endeligt 3. Hvis teorien holder skal den medtages i klima-modeller for at kunne forudsige den fremtidige udvikling enghoff@space.dtu.dk 4. Det ene udelukker ikke det andet både kosmiske stråler og drivhusgasser kan spille ind samtidig Gruppen: Henrik Svensmark Jens Olaf P. Pedersen Torsten Bondo Freddy Christiansen Ulrik I. Uggerhøj Josef Polny Michael Avngaard 12