| Predrag Bokšić |
| VODIČ KROZ LEDENA DOBA |
| ZA ASTRONOME |
Fizika Sunca i fizika sistema Zemlja-Sunce su primarni predmet interesovanja za astronome prilikom proučavanja problema ledenih doba, jer Sunce zagreva Zemlju.
Zračenje Sunca je promenljivo. Na prvom mestu, uzrok je Sunčev ciklus pega koji se proučava već nekoliko vekova direktno i usled koga varira solarna konstanta. Postoji mogućnost da se dođe do rekonstrukcije podataka o prošlim solarnim ciklusima putem merenja izotopskog sastava u sedimentima u ledu, u pećinama, itd.
4.1 Sunčeve pege, magnetno polje i ciklusi aktivnosti
Promene na Suncu je prvi primetio Galileo Galilej koji je uočio postojanje pega. Posle tog razdoblja postoji zapis o promenama broja pega. Detaljno praćenje pega traje 250 godina.
U toku solarnog ciklusa aktivnosti od 21 godine razlikujemo upola kraći ciklus pojavljivanja i nestajanja pega od 10,5 do 11 godina. Sunčeve pege su vrtložne tvorevine niže temperature od prosečne okolne temperature, poput udubljenja pri površini Sunca, sa izraženim magnetnim poljima. U periodu intenziviranja pega se javljaju erupcije materije sa zračenjem u X-spektru, UV-spektru i pojačava se Sunčev vetar (tok čestica izbačenih sa Sunca).
Poznato je da su pege obično 10.000 km prečnika, a vremena trajanja od nekoliko dana do nekoliko meseci. Temperatura pega je niža za oko 1.500 K od okolne površine. Magnetno polje pege (određeno pomoću merenja Zemanovog efekta) je 0,45 T (na primer, polje Zemlje je 0,03 mT).
Pege se javljaju u parovima na širinama od 40o odakle se zatim pomeraju ka ekvatoru Sunca. Grupe pega koje pripadaju sledećem ciklusu se pojavljuju dok još uvek ima grupa iz prethodnog ciklusa na ekvatoru. Pege novog ciklusa imaju obrnute magnetne polove, kao i grupe pega na različitim hemisferama. Potrebna su dva ciklusa pega da bi se orijentacija magnetnog polja grupa pega ponovila, čineći tako jedan kompletan ciklus aktivnosti Sunca (svake 21-22 godine).
U toku istorije je bilo više perioda smanjenja aktivnosti Sunca - u pogledu broja pega koje se manifestuju: Maunderov minimum u 17. veku i Spörerov minimum u 15. veku su najistaknutiji.
4.2 Kosmički zraci i stvaranje izotopa
Magnetno polje Zemlje kanališe čestice Sunčevog vetra i sa druge strane, naelektrisane čestice galaktičkih kosmičkih zraka [3]. Sunčev vetar stiže u najvećem procentu na polove, izazivajući pojavu polarne svetlosti [21].
“Kosmičke zrake“ čine visokoenergetski (1020 eV) protoni (90%), alfa (9%) i beta čestice (1%). Po ulasku u atmosferu kosmički zraci interaguju sa jezgrima atoma posle čega dolazi do pojave sekundarnih kosmičkih zraka koji su u stvari rezultat interakcija ili nuklearnih reakcija. To mogu biti na primer, neutroni ili elektroni, i druge čestice. Pojedina jezgra atoma prolaze kroz raznovrsne sudare i transformacije:
14N + n → 14C + p
16O + n → 7Be + 10Be
U prvom primeru u atmosferi nastaje izotop ugljenika čija se koncentracija održavala na oko 70 tona tokom poslednjih 100.000 godina, sve do 1950-tih godina kada su počele nuklearne probe na Zemlji. Ugljenik je bitan za datiranje fosila. U drugom primeru nastaje Berilijum 10, pogodan za praćenje Sunčevih ciklusa u prošlosti. Delovanje kosmičkih zraka omogućava konstantnu proizvodnja više izotopa u okruženju na Zemlji, uključujući i kiseonik 18 koji je bitan za praćenje paleotemperature.
Prema poreklu kosmički zraci uglavnom dolaze iz naše galaksije, ili iz supernovih, neutronskih zvezda i aktivnih galaktičkih jezgara. Sunčev vetar se u ovim studijama naziva solarnim kosmičkim zracima.
Prema putanji se ne prepoznaje poreklo ovih čestica jer galaktičko, solarno i Zemljino magnetno polje usmeravaju čestice kosmičkih zraka na spiralne putanje. Sa energijama iznad 1014 eV uglavnom sve čestice potiču od aktivnih galaktičkih jezgara. Iznad 1010 eV sve čestice pogađaju Zemlju ravnomerno iz svih pravaca, vođeni spiralnim putanjama zbog galaktičkog magnetnog polja. Za niže energije pravci čestica su vođeni magnetnim poljem Zemlje [3].
Sunčevo magnetno polje pruža zaštitu za Zemlju od galaktičkih kosmičkih zraka. Kosmički zraci se delom odbijaju magnetnim poljem, tako da proizvodnja izotopa na Zemlji varira u skladu sa zaštitnim poljem.
Tokom Sunčevog ciklusa aktivnosti se menja magnetno polje Sunca, pa se zato menja i fluks kosmičkih zraka na Zemlji. Svedočanstvo o Sunčevoj aktivnosti na skali od više vekova ili više desetina vekova zabeleženo je u više izotopa, od kojih izdvajamo izotope 14C i 10Be (ugljenik i berilijum).
U 21. veku tehnički je moguće naći dugoročna svedočanstva o prošlim Sunčevim ciklusima putem raznih izotopa koji se generišu putem delovanja kosmičkih zraka. Nastale izotope uranijuma i torijuma na primer, istraživači su proučavali u pećinama na kopnu, a druge kao kiseonik, ugljenik i berilijum u uzorcima (dugim vertikalnim jezgrima) leda [9]. Ostali izotopi koji prolaze kroz transformaciju pod dejstvom kosmičkih zraka su: ³H, 7Be, 10Be, 11C, 14C, 18F, 22Na, 24Na, 28Mg, 31Si, 32Si, 32P, 34mCl, 35S, 36Cl, 37Ar, 38Cl, 39Ar, 39Cl, 41Ar, 81Kr [24, 33].
Na kosmičke zrake se sumnja da imaju sposobnost da izazovu kondenzaciju vodenih kapi u atmosferi (Henrik Svensmark [28]), ali su čestice aerosola u atmosferi koje nastaju među sekundarnim kosmičkim zracima premalih dimenzija u odnosu na uobičajene aerosolne čestice nukleacije na kojima se kondenzuju oblaci. Uticaj kosmičkih zraka na klimu je diskutabilan [17], ali je svedočanstvo o kosmičkim zracima na Zemlji važno za opšte saznanje o prošlosti koje dobijamo iz uzoraka.
Maunderov minimum je period od 1645. do 1715. godine nove ere kada je broj pega bio veoma mali. Tokom 30 godina je izbrojano 50 pega umesto uobičajenih 40.000 do 50.000. U to vreme na severnoj hemisferi Zemlje je zabeležen period niske temperature ili “malo ledeno doba”. Sunčevi ciklusi se povezuju sa fluktuacijama zračenja Sunca, odnosno pojava pega dovodi do male promene sjaja i solarne konstante.
Rekonstruisana globalna vrednost solarne konstante se dobija na osnovu izotopa 10Be i 14C u ledenom jezgru sa Južnog pola [7]. Između Srednjevekovnog maksimuma u 12. veku i Maunderovog minimuma u 17-18. veku, sjaj Sunca se promenio 0,5% [14]. Za vreme Maunderovog minimuma TSI (“TSI”=Total Solar Irradiance, “ukupna ozračenost” ili globalno srednja solarna konstanta predstavlja gustinu fluksa Sunčevog zračenja) je bila manja za 0,25% u odnosu na prosek iz 1950. godine nove ere od 1367 W/m2, odnosno oko 4 W/m2 manja [7].
Pronalaženje fizičkog opravdanja za klimatske promene podstaknute malim promenama solarne konstante je teži deo problema. Precizna veza između ovih promena (pega na Suncu) i klime je nepoznata. Procenjuje se da postoji vremenski obrazac koji povezuje ove periode, ali promene u količini toplotne energije saopštene Zemlji nisu dovoljne da ponude pouzdano objašnjenje.
Slika 4.1 Veza broja Sunčevih pega i osunčavanja. Kriva sive boje (vrh) predstavlja broj grupa Sunčevih pega. Različite obojene krive (dole) su krive osunčavanja i pripadaju raznim autorima-istraživanjima u poslednjoj deceniji [14].
Sve krive (slika 4.1) pokazuju slične promene, ali je grupa autora koja je pre više godina objavila rezultat sa crvenom krivom, popravila rezultat na ono što vidimo datom krivom crne boje (sredina). Na vertikalnoj osi naneto je globalno osunčavanje (Total Solar Irradiance) [14].
IPCC (Intergovernmental Panel for Climate Change) su objavili najpreciznije poznate podatke o promeni ukupne osunčanosti (postoje izveštaji za 2001. i za 2007. godinu) – slika 4.1. Ovaj izveštaj pokušava da nadomesti nedoumice i pokaže da uzročno-posledična veza mora da postoji između klime i ciklusa solarne aktivnosti. Prema IPCC izveštaju iz 2001. godine solarna konstanta se promenila za 1,75 W/m2 u odnosu na referentni nivo iz 1850. godine (period posle malog ledenog doba). Novi izveštaj iz 2007. godine je promenio ovaj broj (“za faktor skaliranja 0,27”) [14].
Utvrđeno je kako se promena vrednosti solarne konstante odnosi na temperaturu. U sistemu bez povratne sprege očekuje se promena temperature ekvilibrijuma od 0,053 oC. Empirijski je nađeno da je razlika temperature Maunderovog minimuma 0,4 oC. Klima je dakle, veoma osetljiva na male promene osunčavanja [14].
