Auringon säteilyvaihtelut ja ilmastonmuutos

Aurinkovakio ei olekaan vakio

Aurinko antaa säteilyenergiaa ilmakehän ulkorajalla keskimäärin 1365 wattia neliömetriä kohti (W/m²). Lukua kutsutaan usein aurinkovakioksi, vaikka se muuttuu hieman kaiken aikaa. On tärkeää tutkia, kuinka paljon aurinkovakio vaihtelee auringon oman energiatuotannon takia, koska nämä säteilytehon määrän muutokset voivat vaikuttaa myös maapallon ilmastojärjestelmään. Muutokset vaikuttavat suoraan myös ilmakehän vastaanottaman energian määrään. Aihetta on tutkittu jo 1800-luvulta lähtien.

Auringonpilkut vaihtelevat 11 vuoden jaksoissa

Auringonpilkkujen esiintyminen vaihtelee 11 vuoden jaksoissa (kuva 1). Satelliittimittausten perusteella tiedetään, että auringonsäteilyn voimakkuus on suurimmillaan pilkkujen esiintymisen maksimiaikoina ja pienimmillään silloin, kun pilkkuja on vähiten. Vaikka tummat auringonpilkut vähentävät auringon lähettämää säteilyä, pilkkuja ympäröivät voimakkaan säteilyn alueet korvaavat ja ylittävätkin tämän vähentymän. Runsaiden pilkkujen aikaan auringossa tapahtuu myös voimakkaita hiukkaspurkauksia, joiden seurauksena revontulet syttyvät napaseutujen taivaalle.

© Heikki Nevanlinna

Kuva 1. Auringonpilkut vuosina 1600 - 2011. Auringonpilkkujen määrä vaihtelee tyypillisesti 11 vuoden jaksossa. Viimeisin pilkkumaksimi oli vuonna 2000 ja pilkkuminimi 2009. Seuraavan maksimin on ennustettu osuvan vuosiin 2013-2014. Joskus auringonpilkut katoavat lähes tyystin, kuten tapahtui 1600-luvun lopulla (Maunderin pilkkuminimi, 1645-1715). Vastaavanlainen vähäpilkkuinen kausi oli 1800-luvun alussa (Daltonin minimi). Suurin pilkkumaksimi havaittiin 1950-luvun lopulla. Nyt käynnissä (2009-) oleva jakso näyttää kehittyvän aikaisempiin verrattuna hyvin heikoksi.

Auringon säteilyn vaihtelun vaikutus on pieni

Ero auringon säteilytehossa vaikuttaa aurinkovakioon noin 1 W/m² verran siirryttäessä pilkkuminimistä maksimiin (kuva 2). Teoreettisesti tämä aiheuttaisi maapallon lämpötilaan noin ± 0,1 °C:n vaihtelun auringonpilkkujakson aikana. Muutos on kuitenkin niin pieni, että se peittyy helposti muista syistä aiheutuvan lämpötilavaihtelun alle. Vaihtelu on myös suhteellisen säännöllistä lämpiämistä ja jäähtymistä, joten pitkäaikaiseen ilmastonmuutokseen ei auringon pilkkuvaihtelusta jää paljoa jäljelle. IPCC:n raportissa (2007) arvioidaan, että auringon säteilyn hidas kasvu esiteolliselta ajalta 1750-luvulta nykyaikaan on tuottanut alle 10 % siitä lämmittävästä vaikutuksesta, joka samana aikana on aiheutunut ihmiskunnan kasvihuonekaasupäästöistä.[1][2]

Kuva 2. Auringon säteilytehon vaihtelu (W/m²) satelliittimittausten mukaan vuosina 1976-2011. Punaiset viivat edustavat päivittäisiä arvoja. Ne voivat laskea hyvinkin alas, jos auringossa on suuria pilkkuja, jotka varjostavat auringon säteilyä (esimerkiksi vuoden 2003 lopulla). Sininen viiva esittää säteilyn vaihteluita ajallisesti tasoitettuna. Musta viiva kuvaa auringonpilkkujen määrää.

Auringon säteilyn vaihtelut näkyvät ilmakehän yläosissa

Auringonpilkkujakson aikana myös auringon lyhytaaltoisen ultraviolettisäteilyn (UV) voimakkuus vaihtelee. Sitä saadaan eniten pilkkujen maksimien aikoihin. UV-säteily muuttaa yläilmakehän (stratosfäärin) otsonipitoisuuksia ja vaikuttaa ylemmän ilmakehän laajan mittakaavan kiertoliikkeisiin. Ilmakehämalleilla on voitu tutkia näiden ilmiöitten vaikutuksia ilmakehän alemmissa kerroksissa, jonne välittyy heikkoja aurinkoperäisiä lämpötilan muutoksia.

Eniten auringon aktiivisuuden muutokset vaikuttavat maapallon ilmakehän ylimpiin kerroksiin 100 km:n korkeudesta ylöspäin. Siellä ilmakehän fysikaalinen tila ja sen muutokset ovat täysin auringon aktiivisuuden säätelemiä. Auringon aika-ajoin avaruuteen lähettämä voimakasenerginen säteily ja hiukkaspurkaukset osuvat maapallon ioni- ja magneettikehiin aiheuttaen niissä suuria muutoksia. Kyseisiä muutoksia kutsutaan avaruussääksi, ja ilmiön hitaita vaihteluja auringonpilkkujaksosta toiseen avaruusilmastoksi. Avaruussään tunnetuimpia ja näyttävimpiä ilmenemismuotoja ovat napa-alueilla esiintyvät revontulet. Myrskyisä avaruussää haittaa satelliittien toimintaa ja on uhka miehitetyille avaruuslennoille.

Avaruuden kosmisen säteilyn vaikutusta maapallon ilmastoon ei ole havaittu

Selityksiä maapallon ilmastovaihtelulle on haettu myös avaruuden kosmisesta säteilystä, jonka maapallolle tulevaa määrää säätelee auringon avaruuteen puhaltama hiukkaspilvi, aurinkotuuli. Hypoteesina on, että kosmisen säteilyn ilmakehässä synnyttämät ionit muuttaisivat maapallon pilvisyyttä, joka taas säätelisi lämpötilaa ilmakehässä.[3] Laboratorio-oloissa ionisaation ja uusien pienhiukkasten muodostumisen välille on löydetty yhteys[4]. Näiden hiukkasten olisi kuitenkin kasvettava halkaisijaltaan noin satakertaisiksi ja massaltaan yli satatuhatkertaisiksi voidakseen toimia pilvipisaroiden tiivistymisytiminä. Tämä kestää useimmiten vuorokausia, missä ajassa suurin osa hiukkasista poistuu sateen mukana ja törmäyksissä suurempiin hiukkasiin. Vaikka hiukkasten kasvu pilviytimiksi on ilmakehäkokeissa osoitettu mahdolliseksi[5], kosmisen säteilyn osuus prosessissa lienee vähäinen, sillä ilmaston tähänastisista vaihteluista sen vaikutuksia ei ole onnistuttu löytämään[6][7].

Auringon vaikutus ilmastonmuutokseen on vähäinen

Auringon säteilyn muutokset vaikuttavat siis maapallon ilmastoon, ja niiden osuus huomioidaan ilmastomalleissa. Vaikutus jää kuitenkin vähäiseksi ilmakehän muiden vaihtelujen rinnalla. Erityisesti nykyilmastonmuutoksen keskeisen tekijän eli ihmiskunnan aiheuttaman kasvihuoneilmiön vahvistumisen rinnalla auringon vaikutus on toisarvoinen.  Eräiden tutkimuksien mukaan auringonpilkkujen esiintyminen saattaa tulevina vuosikymmeninä vähetä merkittävästi. Vaikka näin kävisikin, se ei merkittävästi hidastaisi meneillään olevaa ilmaston lämpenemistä. [8]