Mraky přivanuté slunečním větrem

Tento článek naznačuje dopady na pokryv oblačností vyvolávané meziplanetárním elektrickým polem (IEF) prostřednictvím globálního elektrického obvodu (GEC). Upoutávkové video ke globálnímu elektrickému obvodu níže.

Mraky přivanuté slunečním větrem M Voiculescu et al 2013 Environ. Res. Lett. 8 045032 doi:10.1088/1748-9326/8/4/045032

Abstrakt

V tomto spise zkoumáme možný vztah mezi pokryvem oblačnosti (CC) a meziplanetárním elektrickým polem (IEF), které je modulováno rychlostí slunečního větru a meziplanetárním magnetickým polem. Ukazujeme, že CC ve středních a vysokých zeměpisných šířkách systematicky koreluje s pozitivním IEF, což vnáší jasný energetický vklad do atmosféry, nikoliv však s negativním IEF, což je v obecné shodě s předpověďmi, že je to spojeno s mechanismem globálního elektrického obvodu (GEC). Jelikož IEF reaguje na sluneční aktivitu odlišně, než např. tok  kosmických paprsků nebo sluneční osvit, tak jsme rovněž ukázali, že takováto studie umožňuje rozlišovat mezi sluncem taženým mechanismem evoluce oblačnosti přes GEC a jinými mechanismy.

Úvod

Dnes existuje velký zájem o vyčíslení slunečního příspěvku ke klimatické změně. I přes pokrok v pochopení procesů hýbajících se zemským klimatem, vyčíslení přirozených zdrojů klimatické variability, zvláště těch týkajících účinků slunce, zůstává dosud obtížně postižitelné (Solomon et al 2007, Gray et al 2010)..

Ač jsou klimatické modely vysoce sofistikované a zahrnují mnohé účinky, zdaleka nejsou perfektní a jejich doloženost pozorováními je prozatím dost skromná a nejednoznačná. Empirické důkazy naznačují příčinnou souvislost mezi sluneční variabilitou a klimatem, zvláště v předindustriální epoše (Bond et al 2011), ale možné mechanismy nejsou jasné a jsou jen kvalitativní. Rovnováha mezi odraženým zářením z vesmíru a ze Země na různých vlnových délkách významně přispívá k variabilitě teplot (Hartmann et al 1992), takže pokryv oblačností hraje v radiační rovnováze Země významnou roli. Modelování příspěvků oblačnosti ke klimatu v různých prostorových a teplotních škálách je nejspíš největší výzvou pro klimatické studie (Vieira and da Silva 2006). I přes narůstající počet studií o vztazích slunce-mraky nedošlo k jasnému pochopení slunečního účinku na pokryv oblačností. Navrženy byly nepřímé mechanismy, které by mohly zesílit relativně malý sluneční vklad a mohly by vysvětlit se sluncem spojenou variabilitu pozorovanou v různých časových škálách (od dnů po desetiletí) u různých parametrů oblačnosti, jako např. pokryv oblačností (Udelhofen and Cess 2001, Marsh and Svensmark 2000, Voiculescu and Usoskin 2012) nebo výška základny oblačnosti (Harrison et al 2011, Harrison and Ambaum 2013).

Jeden z nepřímých mechanismů je spojen s faktem, že spektrální složení slunečního osvitu se v UV pásmu významně mění, a jeho účinek se omezuje na stratosféru, tudíž je v tom zapotřebí účinek stratosféricko-troposféricko-oceánské vazby ‚odshora až dolů‘ (Gray et al 2010, Meehl et al 2009, Haigh et al 2010). Další mechanismus spočívá na možné variabilitě vlastností atmosférických aerosolů, tedy i mraků, které ovlivňují průhlednost, absorpci a odrazivost atmosféry a v důsledku toho i množství absorbovaného slunečního osvitu. K tomuto byly navrženy dvě možné vazby: jedna je přes vyvolanou ionizaci zprostředkovávající nukleaci kondenzačních jader mraků u kosmickými paprsky vyvolané ionizace (CRII) (Dickinson 1975, Svensmark and Friis-Christensen 1997, Carslaw et al 2002, Kazil and Lovejoy 2004, Yu and Turco 2001), a další je přes účinek globálního elektrického proudu (GEC) na vlastnosti aerosolů a tudíž i mraků (Tinsley 2000, Harrison and Usoskin 2010). Ten první mechanismus se možná těžko rozlišuje od šumu, zvláště v krátkodobém měřítku, jak bylo demonstrováno při in situ laboratorních experimentech (např. Carslaw 2009, Kulmala et al 2010, Enghoff et al 2011, Kirkby et al 2011) a ve statistických studiích (např., Calogovic et al 2010, Dunne et al 2012). Oponující studie Svensmark et al (2009), Enghoff et al (2011), Svensmark et al (2013), Yu et al (2008) však ukázaly, že dopad ionizace na formování nových aerosolových částeček a kondenzačních jader mraků (CCN) fakt existuje. Je tudíž možné, že mechanismus nukleace CRII funguje v delších časových škálách, může být ale možná i prostorově omezen na polární stratosféru (Mironova et al 2012). Na druhou stranu mechanismus spojený s GEC může být důležitý (např. Tinsley 2000, Harrison and Usoskin 2010, Rycroft et al 2012) zvláště pro nízkou oblačnost a ukazuje se existence některých vazeb mezi vlastnostmi atmosférické elektřiny a vývojem, tj. formováním mraků (Harrison et al 2013).

Jelikož všechny sluneční hybné faktory v jisté míře korelují, tak asi bude těžké určit, který z těchto faktorů či z kombinací těchto faktorů je nejlepším kandidátem pro modulaci pokryvu oblačností. Pokus o rozlišení mezi slunečním osvitem (celkovým nebo UV) a CRII na pokryv oblačností učinili Kristjánsson et al (2004), Voiculescu et al (2006, 2007), Erlykin et al (2010), kteří ukázali, že různé mechanismy můžou fungovat různě v různých výškách a v různých geografických umístěních. Avšak globální elektrický obvod GCE je ovlivněn sluneční aktivitou odlišným způsobem přes meziplanetární elektrické pole (IEF), takže roli hraje pouze pozitivní IEF, přičemž negativní neúčinkuje. Pozitivní IEF koresponduje s meziplanetárním magnetickým polem (IMF), tedy s jeho na jih směřující složkou, čili s negativní z-komponetou, která pomáhá přímému přenosu energie ze slunečního větru do magnetosféry a ionosféry. Pro negativní IEF (pozitivní z-komponentu IMF) je přenos daleko méně účinný a jen malé procentu energie slunečního větru se do magnetosféry přenese (např. Dungey 1961, Papitashvili and Rich 2002, Siingh et al 2005). Tudíž na rozdíl od ostatních potenciálních slunečních hybných faktorů, o nichž se předpokládá, že budou vyvíjet monotónní vliv, se od IEF očekává, že mraky ovlivní, jen když je IEF pozitivní. Tato vlastnost v sobě má potenciál odlišit účinek IEF od dalších hybných faktorů. Zde prezentujeme výsledky korelačních studií mezi meziplanetárním elektrickým polem (IEF) a pokryvem oblačností, které by mohly naznačovat nejpravděpodobnější mechanismus, který by mohl ovlivňovat pokryv oblačností. Zde budeme diskutovat hlavně o výsledcích získaných z nízkého pokryvu oblačností (LCC), ale o střední (MCC) a vysoké (HCC) oblačnosti budeme referovat také.

[img]http://ej.iop.org/images/1748-9326/8/4/045032/Full/erl489096f5_online.jpg[/img]

Obrázek 5. Variabilita pokryvu nízké oblačnosti (zelená plná čára) ve středních až vysokých zeměpisných šířkách (30°-75° na severu i jihu) a meziplanetárního elektrického pole (černá tečkovaná) a ionizace vyvolané kosmickými paprsky (CRII) na 700 hPa (červená čárkovaná). CRII se počítá za pomoci modelu atmosférické ionizace od Usoskin et al (2010).

Závěr

Zde prezentujeme výsledek empirické studie ukazující, že existuje sice slabá, ale statisticky významná korelace mezi pokryvem oblačností ve středních a vysokých zeměpisných šířkách na obou zemských polokoulích a meziplanetárním elektrickým polem, které konkrétně podporují mechanismus nepřímého vlivu sluneční aktivity na klima přes globální elektrický obvod ovlivňující formování mraků. Ukazujeme, že všechny charakteristicky vztahů jsou v souladu s tím, co jsme předpokládali, pokud by meziplanetární elektrické pole ovlivňovalo pokryv oblačností přes globální elektrický obvod:

(1)   Pokryv nízkou oblačností vykazuje systematickou korelaci na meziroční časové škále s pozitivním meziplanetárním elektrickým polem v oblastech středních a vysokých zeměpisných šířek na obou polokoulích.

(2)  Neexistuje žádná korelace mezi pokryvem nízkou oblačností a meziplanetárním elektrickým polem v tropických oblastech.

(3)  Po celé planetě neexistuje žádná korelace mezi pokryvem nízkou oblačností a negativním meziplanetárním elektrickým polem.

I tok kosmických paprsků může jako další faktor ovlivňovat pokryv oblačností v přítomnosti meziplanetárního elektrického pole. Žádný účinek toku kosmických paprsků během období negativního IEF však při tom nalezen nebyl.

Podobné, ale méně statisticky významné výsledky byly zjištěny i u pokryvu střední a vysokou oblačností, což naznačuje, že tento účinek je primárně na nízké mraky. Skutečnost, že zjištěné statistické vztahy existují pouze v obdobích pozitivního IEF a nikoliv negativního IEF znevýhodňuje další potenciální mechanismy vztahů mezi sluncem a mraky ve středních a vysokých zeměpisných šířkách, jako je přes ionizací vyvolané zprostředkování tvorby kondenzačních jader nebo přes vliv ultrafialového spektra UVI. Ovšem ten druhý by mohl fungovat ve středních a nízkých zeměpisných šířkách. Ač tato empirická studie neposkytuje vodítka pro přesný fyzikální mechanismus ovlivňování mraků, jak bylo diskutováno výše, podporuje jako konkrétní sluneční hybný faktor sluneční vítr s v sobě zmrazeným meziplanetárním magnetickým polem, které ovlivňuje systém globálních elektrických proudů Země. Tento výsledek naznačuje, že další výzkum vlivu Slunce na Zemi by se měl více zaměřit tímto směrem.

Zdroj