Lisää ennusteita Auringon aktiivisuuden hiipumisesta

Valentina Zharkovan (& al) tutkimuksen toteutunut ja
ennuste tulevasta Auringon aktiivisuudesta. Kuva
ko. tutkimusraportista. Y-akselin asteikon suhde
auringonpilkkulukuun on suunnilleen 0,5.

Professori Valentina Zharkova (Northumbira University) työryhmineen [1] on esittänyt vakuuttavia tutkimustuloksia odotettavissa olevasta Auringon aktiivisuuden hiipumisesta. Nykyinen auringonpilkkujakso 24 on aktiivisuusmaksimiltaan vain noin 2/3 edellisestä ja Zharkovan ennusteen mukaan jakso 25 tulee olemaan vielä heikompi.

Ennusteen mukaan auringonpilkkujakso 26 jää käytännössä väliin lähes kokonaan, joitakin pieniä aktiivisuushyppäyksiä lukuun ottamatta. Ennuste ei ulotu tämä pidemmälle mutta ”rivien välistä” voi päätellä, että jaksot 27 ja 28 eivät kovin voimakkaiksi muodostu.

Auringon aktiivisuuden ennustaminen on ollut äärimmäisen vaikeaa, lukuisista yrityksistä huolimatta. Monet ennusteet pohjautuvat Auringon magneettiseen sykliin, jonka pituus on noin 22 vuotta. Tähän jaksoon sisältyy kaksi auringonpilkkujaksoa, joiden aikana magneettikentän suunta on vastakkainen.

Auringon aktiivisuusjaksot 18–24.

Toistaiseksi parhain malli Auringon magneettikentälle on kaksi komponenttinen: magneettikenttä muodostuu konvektiokerroksen pohjalla takokliinissä syntyvästä napojen suuntaisesta (poloidisesta) ja ylempänä olevasta ekvaattorin suuntaisesti sulkeutuvasta toroidikentästä. Malli on kuitenkin liian yksinkertainen ja sitä sotkee etenkin Auringon pinnan tuntumassa tapahtuva ekvaattorilta navoille suuntautuva meridionaallinen virtaus. Virtauksen vaikutus täytyy ottaa huomioon, sillä virtaava aine on plasmaa, joka sitoo magneettikentän itseensä (ja päinvastoin)! Havaitulla meridionaaalisella virtauksella on pyritty selittämään Auringon magneettikentän suunnan muutokset noin 22 vuoden jaksoissa.

Meridionaallisesta virtauksesta on esitetty useita erilaisia teorioita, esimerkiksi vuonna 2006 Mausumi  Dikpati tutkimusryhmineen pyrki osoittamaan meridionaalisen virtauksen muistuttavan maapallon suur-ilmakehässä tapahtuvaa kolmeosaista virtausta (Hadleyn, Ferrelin ja Polaarisolut).

Vuonna 2013 tutkija Junwei Zhao (Stanford University) tutkimusryhmineen julkaisi tutkimuksensa, jonka mukaan Auringon seismiset värähtelyt voidaan tulkita niin, että meridionaalisia virtauksia on kaksi eri kerroksissa. Jos havainto osoittautuu oikeaksi, Auringon magneettikentän synty ja magneettinen jaksollisuus on entistä vaikeammin selitettävissä.

Meridionaallisen virtauksen todellisen rakenteen selvittäminen on kuitenkin vielä nykypäivän tavattoman vaikeaa, sillä emme pysty tekemään Auringon sisäisiä rakenteita selvittäviä havaintoja kovinkaan tarkasti. Tästä syystä joudumme turvautumaan vain hyvin yksinkertaistettuihin (ad hoc-)malleihin, joiden tarkkuus on enemmän tai vähemmän huono pidemmällä aikavälillä.

Zharkovan mallissa poloidisen ja toroidisen kentän jaksot poikkeavat hieman toisistaan. Silloin kun magneettikentät ovat samanvaiheisia, ne vahvistaisivat toisiaan ja Auringon aktiivisuus olisi näinä jaksoina voimakasta. Kun magneettiset dynamot joutuvat vastakkaisiin vaiheisiin, niiden kentät kumoavat toisensa ja Auringon aktiivisuus jää hyvin matalalle tasolle.

Auringon aktiivisuutta seuranneilla Zharkovan malli ei hämmästytä. Nykyisessä jaksossa 24 pohjoinen pallonpuolisko saavutti auringonpilkkumaksimin jo vuonna 2012 ja eteläinen pallonpuolisko noin kaksi ja puolivuotta myöhemmin. Kaikenlisäksi eteläisen pallonpuoliskon maksimi oli kolmanneksen voimakkaampi kuin pohjoisen.

Zharkova on pyrkinyt todistamaan teoriansa soveltamalla sitä kolmen jo päättyneen aktiivisuus jaksoon. Tulokset ovat vakuuttavia: lähes 97 % yhdenmukaisuus toteutuneeseen aktiivisuuteen verrattuna. Sen sijaan jakson 24 (nykyinen jakso) maksimin ennuste sijoittaa vuoteen 2011, kun se todellisuudessa oli 2012 (pohjoisella pallonpuoliskolla) ja 2014 eteläisellä pallonpuoliskolla. Myös jakson 24 toteutunut aktiivisuus on selkeästi ennustetta heikompi.

Tutkimusryhmä tekee ennusteen, jonka mukaan jakso 25 saavuttaa vain noin 80 % ja jakso 26 noin 40 % jakson 24 aktiivisuudesta. Tämä merkitsee auringonpilkkulukuina hieman yli 60 ja noin 30. Jos ennusteen antamat erot ovat samassa suhteessa eroavia kuin jakson 24 kohdalla, jaksot 25 ja 26 tulevat olemaan todella heikkoja ja jälkimmäinen jää todennäköisesti kokonaan väliin.

Auringon aktiivisuus ja ilmasto

Auringon aktiivisuuden ja ilmaston välistä yhteyttä olen käsitellyt aikaisemmin tämän blogin artikkelissa

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2013/11/uusi-maunderin-minimiko.html

 Huomautukset

[1] Simon J. Shepherd, Sergei I. Zharkov, and Valentina V. Zharkova; PREDICTION OF SOLAR ACTIVITY FROM SOLAR BACKGROUND MAGNETIC FIELD

VARIATIONS IN CYCLES 21–23; The Astrophysical Journal, 795:46 (8pp), 2014 November 1

Auringonpilkkujakso 24 maksimissaan?

Ron Tunerin kokoama kaavio
auringonpilkkujaksojen aktiivisuudesta
170-luvun puolivälistä alkaen.

Auringon toimintaa ja aktiivisuutta seuraavat tutkijat alkavat olla suunnilleen yhtä mieltä siitä, että auringon aktiivisuusjakso 24 on saavuttamassa tai on jo saavuttanut maksiminsa. Aivan varmoja asiasta ei kuitenkaan vielä olla, sillä aktiivisuuden maksimiajankohdan määrittämiseen käytetään ns. kolmentoista kuukauden keskiarvoa [1]. Menetelmästä johtuen tällä hetkellä tiedetään lokakuun 2013 aktiivisuutta kuvastavan auringonpilkkuluvun olevan arvossa 75,0. Marraskuulle 2013 ennustettua arvo on 73,6, mutta todellisen arvon tiedämme vasta kesäkuussa.

Auringonpilkkujaksolle 24 on ollut tyypillistä pohjoisen ja eteläisen pallonpuoliskon aktiivisuuksien eriaikaisuus [2]. Pohjoisen pallonpuoliskon aktiivisuusmaksimi saavutettiin vuoden 2011 lopulla. Sen jälkeen pohjoisen aktiivisuus on hiipunut. Eteläisen pallonpuoliskon aktiivisuus on kuitenkin jatkanut nousuaan. Nousu ei kuitenkaan ole ollut tasaista vaan siinä on ollut lyhytaikainen maksimi vuoden 2012 alkupuolella. Tämän jälkeen aktiivisuus pysytteli tasaisena molemmilla pallonpuoliskoilla noin vuoden päivät. Tasanne oli myös aktiivisuudeltaan suunnilleen yhtä voimakasta (auringonpilkkuluku oli hieman alle 30) molemmilla pallonpuoliskoilla.

Douglas Bieseckerin kaavio
auringonpilkkujaksosta 24. Sininen
käyrä on Auringon pohjoisen ja
punainen eteläisen pallonpuoliskon
aktiivisuus käyrä.

Tilanne muuttui vuoden 2013 ensimmäisellä puoliskolla; pohjoisen pallonpuoliskon aktiivisuus jatkoi heikkenemistään ja eteläisen aktiivisuus kasvoi jopa pohjoisen alenemaa voimakkaammin. Kasvu on jatkunut siitä lähtien melkein suoraviivaisesti loka-marraskuun (2013) lukemiin: etelässä noin 50 ja pohjoisessa noin 25.

Tutkijat laativat Auringon tulevasta aktiivisuudesta jatkuvasti uusia ennusteita useilla erilaisilla menetelmillä. Siitä huolimatta jopa lähikuukausien ennustettavuus näyttäisi olevan erittäin heikko. Auringossa ei kuitenkaan tapahdu kovin nopeita muutoksia kuukausien aikajaksoissa tarkasteltuna, joten hyvällä tarkkuudella voimme ennustaa eteläisen pallonpuoliskon aktiivisuuden jatkavan suunnilleen nykyisellä voimakkuudella ainakin seuraavat puolivuotta.

Mitä Auringossa on aikaisemmin tapahtunut? Tarkastelemalla jaksoja 22 ja nyt menossa olevaa jaksoa 24, voimme todeta, että nykyinen jakso on aktiivisuustasoltaan hyvin heikko. Esimerkiksi voimakkaampia kuin M1-luokan flare-purkauksia jaksossa 22 tapahtui noin 1750 kertaa; ja nyt jakson 24 puolivälissä vain noin 475 kertaa. Voimakkaampia X1-luokan flare-purkauksia jaksossa 22 esiintyi noin 140 kertaa ja nyt vain kolmisen kymmentä.

Auringon ja maapallon välistä magneettista kytkentää tarkastellessa nykyinen jakso 24 osoittautuu olevan todella heikko. Jaksojen 17–23 aikana vähintään G1-luokan magneettisia myrskyjä (Kp-indeksi 5 tai suurempi) esiintyi kutakuinkin tuhat kertaa jaksossa. Jakson 24 aikana tähän asti niitä on esiintynyt vain noin 300 kertaa. Voimakkaampia, vähintään G3-luokan myrskyjä jaksojen 17–23 aikana esiintyi noin 150 kertaa, kun taas nykyisen jakson aikana ollaan vasta parin kymmenen myrskyn lukemissa.

Kaikkein voimakkaimpia G5-luokan (Kp-indeksi 9) myrskyjä ei nykyisessä jaksossa ole esiintynyt lainkaan, kun taas aikaisemmissa jaksoissa niitä on ollut kymmenkunta kertaa jaksoa kohti. Revontuliharrastajien ei kuitenkaan vielä pitäisi olla huolissaan komeiden tulinäytelmien jäämisestä väliin, sillä parhaimmat reposet nähdään yleensä aktiivisuusjakson laskevalla reunalla.  Esimerkiksi jaksolla 17 ei esiintynyt G5-luokan myrskyä kertaakaan ennen aktiivisuusmaksimia, mutta jakson laskevalla reunalla niitä oli neljä.

---

Tässä artikkelissa on lähteenä käytetty Douglas Bieseckerin (NOAA/SWPC) viime kuussa pidetyn Space Waether Wokshop esitelmän "Solar Maximum is here, finally." Power Point -kalvoja.  Samaan workshoppiin osallistunut Ron Turner (Analytic Service, Inc.) ei kuitenkaan jaksanut innostua sillä hänen mukaansa nykyinen jakso jatkuu ennätyksellisen heikkona (lähde Space Waether.com). Vain joitakin jaksoja 1800-luvulla on ollut vielä vaisumpia.

Huomautukset

[1] Kolmentoista kuukauden keskiarvo lasketaan siten, että kuluneen kuukauden auringonpilkkulukuun lisätään kuuden kuukauden kuukausikeskiarvot eteen ja taaksepäin, siis yhteensä kolmeltatoista kuukaudelta, ja lasketaan keskiarvo.

[2] Vastaavaa eriaikaisuutta on ollut havaittavissa aikaisemmissakin auringonpilkkujaksoissa, mutta nykyisessä jaksossa sen eriaikaisuus tuntuu korostuneen. Tämä johtunee pilkkujakson aktiivisuuden matalasta tasosta.

Uusi Maunderin minimikö?

Auringon aktiivisuuden vaihtelu
näkyy auringonpilkkujen ja muiden
Aurngossa tapahtuvien ilmiöiden
määrissä. Kuva Kari A. Kuure.

Auringon matala aktiivisuus on onnistunut ylittämään uutiskynnyksen. Sinällään se ei ole uutinen ainakaan tutkijoille ja alan harrastajille, sillä Auringon aktiivisuuden 11 vuoden jakson lisäksi siinä esiintyy useita muita jaksoja. Olen itsekin käsitellyt Auringon aktiivisuutta aikaisemmissa artikkeleissani ^[1].

Viimepäivien uutisoinnissa on viitattu Pieneen jääkauteen ja Maunderin minimiin, jolloin Auringon toiminta pysytteli minimissään puolisen sataa vuotta. Samaan aikaan ainakin Euroopassa koettiin epätavallisen kylmä kausi nälänhätineen. Katastrofi- ja kauhuskenaario-journalistit ja lehdet pyrkivät tietysti maksimoimaan lehtiensä myynnin jos vain vähänkin, edes epäsuoria viitteitä tulevista huonoista ajoista on näköpiirissä niistä kertovilla jutuillaan. Toistaiseksi mitään sellaista ei ole näkyvissä ainakaan tutkimuksen valossa asiaa tarkasteltuna. 

Maunderin minimi

Maunderin minimillä ymmärretään vuosien 1645 ja 1715 välistä ajanjaksoa, jolloin Auringon aktiivisuus oli minimissään ja auringonpilkkuja ei juuri esiintynyt. Luonnollisesti aurinkohavaintoja 1600-luvun loppupuolella teki vain muutama ihminen, mutta heidän jälkeensä jättämät muistiinpanot kertovat aika erikoisesta ajanjaksosta.

Auringon aktiivisuus vaihtelee ja se näkyy hiili-14
pitoisuuksissa orgaanisen materiaalin kerrostumissa.
Kuva Wikimedia Commons.

Auringon aktiivisuus oli hiipunut koko 1600-luvun alkupuolen ja jokaisella vuosikymmenellä tiedetään esiintyneen alle 10 auringonpilkkua. 1640- ja 1670-luvuilla pilkkuja ei havaittu lainkaan (tai aikanakaan niistä ei ole säilynyt tietoja) ja muillakin vuosikymmenillä vain muutamia pilkkuja.

Onneksi meidän ei tarvitse perustaa tietojamme vain näihin säilyneisiin muistiinpanoihin vaan pystymme rekonstruoimaan Auringon aktiivisuuden vaihtelut suhteellisen tarkasti hiili-14 (¹⁴C) ja beryllium-10 (¹⁰Be)määrityksiin. Molemmat aineet syntyvät ilmakehässä lähinnä kosmisen säteilyn vaikutuksesta: hiili-14 syntyy typestä ja beryllium-10 kosmisen säteilyn törmäyksissä niin ilmakehässä kuin tähtienvälisessä avaruudessa.

Beryllium-10 määrä jäätiköiltä
tehdyissä kairauksissa
osoittaa Auringon aktiivisuuden
vaihtelevan. Kuva Wikimedia
Commons.

Auringon aktiivisuus heijastuu kosmisen säteilyn määrään aurinkokunnan sisäosassa. Aktiivisina kausina kosminen säteily ei pääse tunkeutumaan niin syvälle aurinkokuntaan kuin minimin aikoina, joten molempia radioaktiivisia aineita syntyy aktiivisina kausina pienempiä määriä kuin minimin aikana. Kemiallisesti molemmat aineet toimivat kuten muut saman aineen isotoopit, eli hiili sitoutuu orgaanisiin aineisiin. Beryllium-10-pitoisuudet voidaan puolestaan määrittää erilaisista kerrostumista, yleisesti jäätiköillä tehdyistä kairausnäytteistä.

Maunderin minimi ei ole ainoa Auringon aktiivisuuden minimi, vaan vastaavia on esiintynyt suhteellisen säännöllisesti 200–250 vuoden välein.  Historiasta tunnetaan ainakin Homeerinen minimi (vuosina 950–800 eaa.), Oortin minimi (v. 1040–1080), Wolfin minimi (v. 1280–1350), Spörerin minimi (v. 1450–1550), Maunderin minimi (v. 1645–1715) ja Daltonin minimi (v. 1790–1820). Minimit eivät yleensä kuitenkaan tarkoita Auringon aktiivisuuden vähenemistä niin pitkään ja syvään vaiheeseen kuin mitä Maunderin minimissä tapahtui. Minikausienkin aikana jonkinlaista aktiivisuutta on ollut havaittavissa ja auringonpilkkuja on esiintynyt jonkin verran.

Daltonin minimin jälkeen Auringon aktiivisuus on ollut voimakasta koko 1900-luvun. Huippu saavutettiin vuonna 1958 aktiivisuusmaksimin aikaan. Edellisen kerran vastaavaa aktiivisuutta esiintyi noin 8 000 vuotta sitten. Näin ollen nykyinen aktiivisuuden hiipuminen, jos se nyt jatkuu seuraavien aktiivisuusjaksojen aikana, voidaan nähdä paluuna normaaliin olotilaan, jossa Aurinko tuottaa energiaa hyvin tasaisesti.

Pieni jääkausi

Pieneksi jääkaudeksi nimitetään vuosina 1450–1850 Pohjois- ja Keski-Euroopassa ollutta kylmää kautta. Tällöin lämpötilan arvioidaan olleen 2–3 °C viileämpää kuin nykyisin pitkäaikaiset keskiarvot. Ilmiö oli suhteellisen paikallinen ja se ehkä liittyy samanaikaiseen maapallon keskilämpötilan putoamiseen noin 0,6 asteella. Ajanjaksolla jäätiköt kasvattivat kokoaan niin Norjassa kuin Alpeilla. Kylmintä oli 1690-luvulla, jolloin koettiin useina vuosina täydellisiä viljakatoja ja ihmisiä kuoli nälkää suurin joukoin.

Pieneen jääkauteen johtanut lämpötilan aleneminen alkoi Keskiajan lämpökauden päättyessä joskus 1300-luvun viimeisen neljänneksen aikana. Suomessa Keskiajan lämpökauden huippu saavutettiin vuosina 980–1250, jolloin useat talvet Keski-Suomea myöten olivat lumettomia. Silloin maapallon keskilämpötila oli samaa luokkaa kuin nykyisin, saattoipa olla hieman korkeampikin.

Pienen jääkauden jälkeen viileää aikaa jatkui vielä 1850-luvun jälkeenkin ja esimerkiksi Suomessa koettiin Suuria nälkävuosia 1866–1868, joskin kehnot viljelyvuodet alkoivat jo vuosikymmen aikaisemmin.

Auringon aktiivisuus ja ilmasto

Auringon aktiivisuuden vaihtelu ja ilmaston muutokset (vaikkakin paikallisina) on liitetty voimakkaasti yhteen. Tilanne siinä suhteessa ei nykyisinkään ole muuttunut, sillä geomaantieteelliset olosuhteet ovat täysin sama kuin muutama vuosisata sitten. Nykyisin varsinaisena ilmastoa muuttavana tekijänä pidetään Pohjois-Atlantin oskillaation (NAO) ^[2] pitkään jatkunutta negatiivista vaihetta, jolloin Siperiasta Eurooppaan on päässyt purkautumaan erittäin kylmiä ilmamassoja.

Mikä sitten on saanut NAO-indeksin kääntymään negatiiviseksi, sillä yleisesti se on lähes jatkuvasti positiivinen? Yleisesti hyväksyttyä selitystä ei ole, mutta usein (ja syystä) selitykseksi on tarjottu Auringon aktiivisuuden vaihtelua.

Aktiivisuuden vaihtelulla on useita erilaisia vaikutusmekanismeja, alkaen matalalla olevan pilvisyyden vaihtelusta ja päätyen suurilmakehän kiertojärjestelmissä tapahtuviin muutoksiin. Ilmaston herkkyys näihin vaikutusmekanismeihin on kuitenkin täysin tuntematon. Tieteellisen todisteketjun ja vaikutusmekanismin puutteen vuoksi emme kuitenkaan voi varmasti todeta Auringon aktiivisuuden olevan ilmiön takana, vaikkakin tilastolliset näytöt tällaisesta riippuvuudesta kertovatkin.

Huomautukset

[1] Aikaisemmin olen käsitellyt Auringon aktiivisuutta artikkeleissa: Auringon magneettikenttä kääntyy (21.8.2013), Auringonaktiivisuusennuste aivan metsässä (3.3.20139) ja Auringon aktiivisuus notkahti (24.1.2013).

[2] Pohjois-Atlantin oskillaattiolla ymmärretään pysyvien matala- ja korkeapaineiden sijoittumista Pohjois-Atlantilla. NAOn positiivinen vaihe merkitsee pysyvää matalapainetta Islannissa ja sen eteläpuolella ja korkeapainetta Portugalin (Lissabonin) länsipuolisella merialueella. Tällöin suhteellisen leutoa ilmamassaa pääsee virtaamaan Atlantilta Pohjois-Eurooppaan pitäen ilmastolliset olosuhteet asutukselle sopivina.

Negatiivisen NAO-vaiheen aikana korkeapaine onkin Islannissa ja matalat etelämpänä Atlantilla. Tällöin siperialainen kylmä ilmamassa pääsee tunkeutumaan pitkälle Euroopan alueelle.