Sólin, virkni hennar og hvernig mismunandi virkni hefur áhrif á veðurfar jarðar

Sólin 1 Sólin, virkni hennar og hvernig mismunandi virkni hefur áhrif á veðurfar jarðar Ásgerður Kristrún Sigurðardóttir Það eru fáir sem ekki hafa horft upp í dimman næturhimin á vetrarkvöldi og dáðst að fegurð stjarnanna sem blika í svörtu tóminu. Það eru stjörnurnar sem lýsa upp alheiminn og ein þeirra er svo nátengd öllu lífi á jörðinni að ef hún hyrfi skyndilega á morgun mundi öll tilvera okkar hrynja til grunna. Galileó Galilei var fyrstur til að nota linsusjónauka (um 1600) til að skoða sólina. Síðan þá hefur mikið vatn runnið til sjávar og þekking manna á sólinni stóraukist. En hvað er þetta fyrirbæri, hvernig virkar það og hvaða áhrif mismunandi virkni sólar er talin hafa á veðurfar jarðar. Sólin Sólin er langmikilvægasti orkugjafinn við yfirborð jarðar og í lofthjúpnum. Varmaorku á yfirborði jarðar má rekja 99% til sólarinnar. Prósentið sem vantar upp á er ættað úr iðrum jarðar og er einnig til komið vegna þyngdarkrafts tunglsins. Sólin hefur að geyma 98 % af öllu efni sólkerfisins, hún er glóandi gashnöttur í um 150 milljón kílómetra fjarlægð. Hún er rúmlega hundrað sinnum stærri en jörðin að þvermáli eða 1,35 milljónir kílómetra í þvermál, massi hennar er hins vegar tæplega milljón sinnum meiri þannig að þrýstingur í miðju verður gríðarlegur. Reikna má út að hiti í miðju sólar er um 15 milljón K, en við slíkar aðstæður byrja frumeindirnar að bráðna saman og losnar við það sú orka sem sólin geislar frá sér. Sólkerfið okkar inniheldur eina stjörnu og níu reikistjörnur. Sólin er eina stjarnan því hún framleiðir eigið ljós en reikistjörnurnar eru ekki stjörnur í eiginlegri merkingu því þær endurkasta aðeins sólarljósinu. Yfirborð og gufuhvolf sólar er það eina sem hægt er að sjá með beinum hætti þannig að margt af því sem stjarnfræðingar telja að eigi við um innri gerð sólar er byggt á útreikningum. Reiknilíkön af innri gerð sólar eru nú orðin mjög vönduð. Einkum hafa orðið stórstígar framfarir á síðustu árum með rannsóknum á svonefndum sólskjálftum, bylgjum sem ferðast um ytri lög sólar og gefa upplýsingar um innri gerð sólar á svipaðan hátt og jarðskjálftar veita upplýsingar um

Sólin 2 innri gerð jarðar. Einnig hefa komið fram margvíslegar upplýsingar með sérlega nákvæmum myndum SOHOgervitunglsins sem hefur verið á braut um sólina síðan 1995. Mælingarnar sem nú hafa komið fram eru það nákvæmar að þær gefa gagnlegar upplýsingar um það sem fram fer í iðuhvolfi sólar og jafnvel enn dýpra. Tilurð sólarinnar Upphafið að stórbrotinni ævi stjörnu lætur lítið yfir sér. Smávægileg ytri truflun (til dæmis höggbylgjur vegna árekstra milli gasþoka, eða þá frá nálægri sprengistjörnu) veldur því að kyrrlát geimþoka verður óstöðug, örlítil samþjöppun efnis á einum stað eykur þyngdarkraft þar og hinn aukni þyngdarkraftur sópar að sér meira gasi sem svo aftur veldur meiri samþjöppun og þannig stig af stigi. Um leið og samþjöppun þokunnar hefst eru örlög hennar ráðin, þegar þyngdarkrafturinn nær yfirhöndinni verður ekki aftur snúið. Við samdrátt gassins losnar umtalsverð þyngdarstöðuorka. Helmingur hennar hverfur venjulega jafnharðan með geislun en hinn helmingurinn breytist í innri orku gassins þannig að hiti þess og þrýstingur eykst. Samþjöppun gengur hraðast fyrir sig í miðju og þar myndast fljótlega þéttur kjarni. Þegar gasið þéttist, sleppur varmageislun ekki burt og hiti vex í nokkur hundruð gráður. Um leið eykst þrýstingur og verður nægilega mikill til að stöðva samþjöppunina. En kjarninn heldur áfram að sópa til sín efni þannig að massi hans og þrýstingur aukast stöðugt. Stöðugur straumur innfallandi efnis rekst á kjarnann Mynd 1. Stjörnur að fæðast í Arnarþokunni M16, í um 7000 ljósára fjarlægð. Í hinum gríðarmiklu gassstólpum, sem hver um sig er nokkur ljósár að lengd, er gasið nógu þétt til að þjappast saman undan eigin þyngd og mynda stjörnur. og mikil þyngdarstöðuorka breytist í varmaorku. Það er athyglisvert að ljósafl stjörnunnar er nú mjög mikið, nokkrum sinnum meiri en ljósafl sólar. Ljósgeislunin sleppur þó ekki beint út heldur stöðvast í yrti lögum gasþokunnar og hitar gasið þar upp. Þar sem stjörnumyndun á sér stað getum við því ekki búist við því að sjá sjálfa stjörnuna meðan hún er að myndast því umliggjandi gas og ryk byrgir sýn. Þegar hér er komið við sögu hafa liðið um milljón ár og litlar stjörnur á borð við sólina halda áfram að sópa til sín því sem eftir er af gasinu, eða þá að sólvindur frá nýmyndaðri stjörnunni feykir burtu síðustu leifum gassins. Myndunarskeiði hennar er þó ekki lokið þó hún sé orðin sýnileg, hún heldur áfram að þjappast saman, hiti í kjarna nær 10 milljón K og vetnisbruni hefst. Að lokum tekur hún á sig endanlega mynd. Hafa þá liðið ef til vill 50

Sólin 3 milljón ár frá því að gasþokan byrjaði að þjappast saman. Það er sameiginlegt öllum stjörnum að myndast lifa og deyja, rétt eins og þetta væru einhverjar risavaxnar lífverur alheimsins. Myndun stjarna getur tekið okkur hundruð þúsund ár, og ævilengd dæmigerðar stjörnu á borð við sólina nokkar er um 9-10 milljarðar ára. En að lokum hlýtur vetnisforði hennar að ganga til þurrðar og nær þá þyngdarkrafturinn yfirhöndinni á ný og samþjöppun heldur áfram. Á síðustu skeiðum ævi sinnar afmyndast síðan sólin á ýmsa lund, þenst út og verður að svonefndum rauðum risa. Að lokum missir stjarnan verulegan hluta lofthjúpsins en innri lögin verða eftir, en þegar rafeindaþrýstingur verður nægilega mikill til að sporna við þyngdarkraftinum nefnast þá stjörnur á borð við sólina hvítir dvergar. Sex hvolf sólar Hið eiginlega yfirborð sólar, ljóshvolfið er það sem við sjáum með berum augum en sólin hefur að sjálfsögðu ekki fast yfirborð. Sólin er gerð úr margvíslegu gasi sem er svo heitt að það verður rafleiðandi. Þess háttar gas hefur verið nefnt plasmi og hefur þann eiginleika að læsa segulsviðið inn í sér. Þegar plasminn færist til inn í sólinni fylgir segulsviðið með. Gufuhvolf sólar skiptist í lithvolf (2000-3000 km þykkt) og kórónu, en innri gerðin skiptist í iðuhvolf yst, rétt undir ljóshvolfinu, geislahvolf og svo miðju sólar, kjarnann en þar myndast orka sólar við samruna vetnis (sjá mynd 2). Við það að fjórir vetniskjarnar sameinast myndast helínkjarni og þá losnar gríðarleg orka. En hvaðan kemur sú orka í raun? Málið er að samanlagður massi myndefnanna er minni en samanlagður massi hvarfefnanna og massamunurinn verður að orku. Mynd 2. Innri gerð sólar. Neðsta lag lofthjúpsins er hið svonefnda ljóshvolf (500 km þykkt). Sólin er samfelldur gashnöttur en þéttleiki gassins minnkar þegar utar dregur. Það er fyrst í ljóshvolfinu sem gasið verður nægilega þunnt til að ljóseindir komist í gegn um það án þess að rekast jafnharðar á rafeindir eða róteindir gassins (gasið verður þar gegnsætt). Í ljóshvolfinu losnar sólarljósið burt frá sólinni og streymir út í geiminn. Neðst í ljóshvolfinu er yfirborð sólarinnar alþakið svonefndum sólkornum sem eru um 1000 km í þvermál og síbreytileg, myndast og hverfa á fimm til tíu mínútum. Ljóshvolfið er því eins og síkvik sjóðandi iða þar sem sólkornin myndast við uppstreymi heits gass úr iðuhvolfinu, en við neðri mörk

Sólin 4 ljóshvolfsins kólnar gasið og sekkur aftur niður við jaðarinn milli sólkornanna. Lóðréttur hraði gassins er um 400 m/s en birtumunurinn milli miðju og jaðars hvers sólkorns svarar til töluverðs hitamunar. Virkni sólar Virkni sólar kemur fram með ýmsu móti. Sólblettir eru kaldari svæði í ljóshvolfinu. Þegar Galileo Galilei rannsakaði yfirborð sólar með sjónauka sínum árið 1610 tók hann eftir þessum dökku blettum sem nú kallast sólblettir. Dæmigerður sólblettur er um 30.000 km í þvermál (til samanburðar er þess að segulsviðið takmarkar flæði heits efnis upp á við úr neðri lögum sólarinnar. Fjöldi sólbletta á yfirborði sólarinnar er breytilegur og nær hámarki að jafnaði á 11 ára fresti, en fjöldi sólbletta í hámarki er mismunandi. Tímabilið milli hámarka nefnist sólblettatímabil og í hverju tímabili hafa segulpólar sólarinnar sætaskipti. Lengd sólblettatímabila eru þó breytileg, allt frá 8 árum til 15 ára. Því styttra sem sólblettatímabilið er því meiri er virkni sólar. Í upphafi hvers tímabils er sólblettavirknin einkum nálægt 30. breiddargráðum norður og suður en færist síðan nær miðbaug og rétt fyrir næsta sólblettalágmark eru þeir algengastir við miðbaug. Þetta má sjá á mynd 4, þetta línurit er oft kallað fiðrildalínurit, þar sem tíðnin myndar mynstur sem speglast um miðbaug sólarinnar og minnir á fiðrildi. Mynd 3. Sólblettir. Sterkt segulsvið í blettunum stýrir stærð þeirra og lögun, stærri blettir hafa sterkara segulsvið. þvermál jarðar 12.700 km) og umhverfis hann er hálfskyggt svæði. Athuganir á litrófinu sýna að hiti í miðju sólbletta er um 3900 K. Sólblettir eru því ekki kaldir í eiginlegri merkingu þess orðs, en útgeislun þeirra (á flatareiningu) er aðeins fimmti hluti af útgeislun ljóshvolfsins (við 5800 K) og því virðast blettirnir jafn dökkir og raun ber vitni. Enn fremur kemur í ljós að mjög sterkt segulsvið er við sólbletti og er talið að það valdi kælingu gassins vegna Mynd 4. Fiðrildislínurit sem sýnir dreifingu sólbletta á yfirborði sólar, þ.e. breiddargráða sólbletta sem fall af tíma. Hver sólblettur lifir aðeins í nokkra mánuði. Þegar sólblettavirkni er ekki í lágmarki geta komið kröftugir sólblossar, þá losnar mikil segulorka úr læðingi á virkum sólblettasvæðum. Þegar til lengri tíma er litið má sjá merki langvarandi sveiflu í fjölda sólbletta, síðan mælingar

Sólin 5 Mynd 5. Árlegur fjöldi sólbletta frá því að mælingar hófust. hófust. Eins og sjá má (mynd 5) var sólblettavirkni í lágmarki frá 1645 til 1715 og er þetta tímabil nefnt Maunderlágmarkið. Það er athyglisvert að á þessum tíma (sem nefndur hefur verið litla ísöldin) var afar kalt í veðri, sem bendir til að útgeislun sólar hafi minnkað um brot úr prósenti. Vísbendingar eru einnig um að slík langtímasveifla í sólblettavirkni tengist miklu leiti að, sem gefur tilefni til að áætla að þar sé einhver fylgni þar á milli sólblettavirkni og hitastigs á jörðinni (sjá mynd 6). Kóróna sólarinnar er ysta lag lofthjúpsins, mjög þunnt gas en hitinn þar nær allt að 2 milljónum gráða. Vegna hins mikla hita er útgeislun kórónunnar aðallega röntgengeislar og hún sést illa í sýnilegu ljósi. Í almyrkvum á sólu er þó hægt að sjá kórónuna og lítur hún út eins og óregluleg þokuslæða sem þynnist smátt og smátt þegar utar dregur (sjá mynd 7). Ekki er vitað með vissu hvers vegna kórónan er jafn heit og raun ber vitni. Talið er að höggbylgjur efst í lithvolfinu flytji orku út á við sem safnast upp í kórónu og vegna þess hversu þunnt gasið er nær það ekki að kólna aftur (því árekstrar milli agna eru sjaldgæfir). Gasið frá yfirborði sólar streymir gegnum kórónuna og síðan Mynd 6. Meðalhiti á norðurhveli og lengd sólblettatímabils borin saman sem fall af tíma, blái ferillinn er meðalhiti og sá rauði lengd sólblettatímabils. veðurfari lengra aftur eins og sjá má í 7000 ára gömlum trjásýnum. Einnig voru gerðar rannsóknir á meðalhita á norðurhveli jarðar og þær bornar saman við lengd sólblettatímabila Fylgdust þessir ferlar að Mynd 7. Kóróna sólar í almyrkva frá tungli.

Sólin 6 áfram út í geiminn sem sólvindur. Sólvindurinn dregur segulsvið sólarinnar með sér, en annars er hann straumur rafhlaðinna agna, aðallega rafeinda og róteinda, sem að streymir út frá sólinni. Þegar þessar hlöðnu agnir rekast á segulsvið jarðar taka þær að hreyfast samsíða segulsviðinu, fara í spíral umhverfis segulsviðslínurnar og berast þannig ofan í lofthjúpinn, þar sem segulsviðslínurnar stingast niður til jarðar umhverfis norður og suðurskaut og myndar norður- og suðurljós. Þegar virkni sólar er í hámarki er sólvindurinn sérlega kraftmikill og verða þá norður- og suðurljós meira áberandi en ella. Þegar sólvindurinn er sterkur skýlir hann betur jörðinni fyrir geimgeislum (orkumiklum efniseindum á ferð um geiminn) og lítið af þeim nær til jarðar (sjá mynd 8). Mynd 8. Sólvindur og segulsvið jarðar Á hinn bóginn fáum við aukaskammt af geimgeislun þegar tiltölulega kyrrt er í sólinni og segulsvið hennar og sólvindur ekki eins öflug. Þessa vitneskju hafa vísindamenn nýtt sér, eins og ég hef áður nefnt við rannsóknir á trjásýnum, því kolefnis-ísótrópan 14 C er hlutfallslega meiri þegar sólin er í lægð en það má greina í árhringjum trjáa. Áhrif á veðurfar jarðar Margir hallast að því að breyting í geislun sólar eigi mestan þátt í meiriháttar lofslagsbreytingum. En rannsóknir á hvernig mismunandi virkni sólar hefur áhrif á veðurfar, hafa aðallega verið þrenns konar og enn sem komið er, eru þetta aðeins kenningar. Í fyrsta lagi er heildarútgeislun sólar breytileg en hún er metin út frá sólstuðli sem er mælikvarði á styrk geislunar frá sól við ytri mörk lofthjúpsins. Sólstuðullinn er talin fylgja sólblettatímabilum furðuvel. Mikil sólblettavirkni þýðir þá hærri heildarútgeislun. Í öðru lagi, er um að ræða breytilegan sólvind, sem hefur áhrif á skýjafar. T.d. ef sólvindurinn er veikur þá kemst mun meira af geimgeislum til jarðar. Með viðkomu sinni í háloftunum jónisera geimgeislarnir gas. Síðar flytja jónirnar hleðslu yfir á vatnsdropana, en vegna hleðslunnar draga vatnsdroparnir að sér rykagnir sem flýta fyrir þéttingu rakans (ský myndast) sem veldur síðan meira endurvarpi sólargeisla. Mælingar hafa sýnt að þegar geimgeislar eru í hámarki þekur skýjahulan um 68% af yfirborði jarðar en aðeins um 65 % þegar þeir eru í lágmarki. Sterkur sólvindur þýðir þá lítið magn geimgeisla, sem ætti að orsaka minni skýjahulu, þannig að sólargeislar kemst frekar til jarðar og skila frá sér meiri varmaorku.. Í þriðja lagi er breytileg útfjólublá geislun. Óson (O 3 ) er eitruð gastegund í heiðhvolfinu. Myndar það ósonlag í efri hluta lofthjúpsins sem gleypir útfjólubláa sólgeislun og aðra orkuríka geislun og kemur í veg fyrir að þeir nái til jarðar og valdi skaða á lífríki. Óson myndast við það

Sólin 7 að útfjólubláir geislar frá sólinni sundra venjulegu súrefni (O 2 ) í súrefnisatóm (O) sem síðan geta tengst venjulegu súrefni og myndað óson (O 3 ). Þannig að magn ósons breytist með virkni sólbletta. Það séstmikill munur á milli þess, þegar sólblettavirkni er í lægð og í hámarki. Ef sólin er mynduð í útfjólubláu ljósi er sýnilegur munur mun meiri hlutfallslega en í heildarútgeislun. Með öðrum orðum ef sólblettavirkni er mikil myndast meira óson, sem ætti að vernda lífríkið. Niðurlag Virknin í sólinni fer í eins konar hring á 11 árum og mikil virkni á ytra borði er aðeins tákn um mikil umskipti í stjörnunni, við það að segulsviðið hefur endaskipti á sjálfu sér, þannig að norður- og suðurskaut snúast við. Það er augljóst að sólin hefur áhrif á veðurfar jarðar og það má sjá skýrast á skiptingu árstíða þegar möndulhalli jarðar snýr að eða frá sólu og mismunandi mikið sólarljós fellur á hverja flatareiningu. Aðal spurningin er hvort heildaútgeislun sólar og sólvindar geti haft áhrif á veðurfar jarðar. Margir halda að jörðin sé að hitna í dag, og telja sumir hverjir að skýra megi það með aukinni virkni sólar en ekki vegna aukinna gróðurhúsaáhrifa, en vísindamenn deila hart um þetta allt saman. Ef þetta reyndist rétt að hægt væri að gera spár út frá virkni sólar, gæfi þetta gríðarlega mikla möguleika varðandi langtímaveðurspár. Að sögn Haraldar Ólafssonar veðurfræðings, hafa menn í Háskólanum í Kaupmannahöfn skoðað þessi mál, en niðurstöðurnar eru umdeildar. Pierce Corbyn (eða Corbin) byggði líka 10-20 daga veðurlagsspár með hliðsjón að sólarvirkni en ég gat því miður ekki fundið frekari gögn þar af lútandi. Samt sem áður eru ekki öll kurl komin til grafar í þessum málum og verður forvitnilegt að fylgjast með hvað framtíðin ber í skauti sér. Á næstu árum munu fást ítarlegri niðurstöður með hjálp gervitungla og má reikna með að þekking stjarnvísindamanna á innri gerð og virkni sólar taki stórstígum framförum. Heimildaskrá Carrol, W. Bradley og Dale A. Ostlie. 1996. An Introduction to Modern Stellar Astrohysics, bls 381-625. Addison- Wesley Publishing Company, Inc, New York. Eggert Lárusson. 1996. Veður- og haffræði, bls 19. Mál og menning, Reykjavík. Haraldur Ólafsson. 2005. Bréf til höfundar, 11. nóvember. Vefsíður: http://helios.augustana.edu/~lc/star1.html (síða skoðuð 20.10.2005) http://www.solarviews.com/eng/sun.htm (síða skoðuð 20.10.2005) http://spacescience.com/newhome/headline s/ast22jul99_1.htm (síða skoðuð 20.10.2005) http://visindavefur.hi.is/svar.asp?id=651 (síða skoðuð 20.10.2005) http://web.dmi.dk/fsweb/solarterrestrial/space_weather/ (síða skoðuð 29.10.2005) http://space.rice.edu/image/livefrom/sun earth.html (síða skoðuð 29.10.2005)

Sólin 8 http://healthandenergy.com/sun_and_clima te.htm (síða skoðuð 29.10.2005) http://csep10.phys.utk.edu/guidry/violence/ M16WF2.html (síða skoðuð 29.10.2005) http://ds9.ssl.berkeley.edu/lws_gems/in dex. htm (síða skoðuð 11.11.2005) http://www.stjornuskodun.is/vefur/solkerfi d/solin/solin_virkni.html (síða skoðuð 11.11.2005) http://www.windows.ucar.edu/sun/images/ sunspot_num_graph_big_jpg_image.html (síða skoðuð 11.11.2005) http://www.fiv.is/~erlingur/kafli5%20nem endur.ppt (síða skoðuð 11.11.2005) http://www.fva.is/~finnbogi/jar/jar113/glos ur.html (síða skoðuð 11.11.2005) http://www.seds.org/messier/m/m016.html (síða skoðuð 19.11.2005)