Þorsteinn Sæmundsson:

Sól og jörð í fortíð og framtíð

Erindi flutt á vegum Stjarnvísindafélags Íslands 22. febrúar 1992

(Myndefni breytt)

1. Inngangur

Góðir áheyrendur. Í þeim heimi sem við lifum og hrærumst í frá degi til dags er flest í óvissu og breytingum háð. Við vitum sjaldnast þegar við leggjumst til svefns að kvöldi hvaða fréttir við munum fá að morgni, um slys, náttúruhamfarir, stjórnarbyltingar eða nýjar tilskipanir í heilbrigðis- og menntamálum. En einu getum við þó treyst, og það er að sólin muni koma upp á réttum tíma og ganga sinn gang yfir himininn. Hér á Íslandi kann hún að vera hulin bak við ský, en birtan segir okkur engu að síður að hún muni vera á sínum stað.

En þótt allir kunni að meta birtu sólar og yl, eru þeir líklega ekki margir sem leiða hugann að því hversdagslega hvers konar fyrirbæri sólin er, hvað það er sem skín þarna uppi á himinhvolfinu. Síðan á 17. öld hafa menn vitað að sólin er ein af stjörnunum, sama eðlis og fastastjörnurnar á himinhvolfinu, aðeins miklu nær okkur og þess vegna svo miklu bjartari. Hvað sem allri stjörnuspeki líður er staðreyndin sú, að sólin er eina stjarnan sem hefur merkjanleg áhrif á líf okkar hér á jörðinni. Að segja að hún hafi áhrif er vægt að orði komist, því að sólin er forsenda alls lífs sem við þekkjum. Minnstu breytingar á sólinni gætu haft afdrifaríkar afleiðingar fyrir mannkynið, og af þeirri ástæðu einni hljóta sólrannsóknir að vera ofarlega á dagskrá hjá vísindamönnum. En sólin er líka áhugaverð af því að hún er eina stjarnan sem er svo nálæg að unnt er að rannsaka hana í smáatriðum.

Lítum nánar á sólina. Sól á heiðum himni er venjulega svo björt að maður getur ekki horft á hana nema augnablik. Þess vegna sjá menn hana yfirleitt ekki fyrir sér sem hnött, heldur bjarta skífu, og breytir engu þar um þótt menn viti betur. En ef maður horfir á sólina gegnum dökkt gler eða filmu sem deyfir ljósið, fær maður strax á tilfinninguna að sólin er ekki skífa heldur hnöttur. Og ef sjónauki er tiltækur, þótt ekki sé nema lítill handsjónauki, má oft greina bletti á yfirborði sólarinnar og fylgjast með því frá degi til dags hvernig hún snýst um möndul sinn. Og þegar maður gerir sér grein fyrir því að þessir litlu blettir á sólinni eru margir hverjir mun stærri en jörðin öll, þá fyrst verður manni ljóst hve risavaxinn hnöttur sólin er í raun og veru.
 

 

Þessi teikning sýnir sólina með sólblettum og sólstrókum. Jörðin er sýnd neðan við til samanburðar.

 

Alla tíð síðan sjónaukar voru fundnir upp hafa menn fylgst náið með yfirborði sólar. Það er löngu vitað að margs konar fyrirbæri sjást á sólinni, sum skammvinn, önnur langlífari. Eðlilegt er að spurt sé hvort þessi umbrot á sólinni hafi áhrif á jörðinni til skemmri eða lengri tíma. Varanleg breyting á ljósstyrk sólar, jafnvel smávægileg breyting, myndi hafa afdrifaríkar afleiðingar hér á jörð svo að dæmi sé tekið. Skyldu slíkar breytingar hafa átt sér stað einhvern tíma í fortíðinni? Er líklegt að þær verði í náinni framtíð? Er jafnvel hugsanlegt að sólin gæti tekið upp á því að springa eins og sumar stjörnur gera, og eyða þar með jörðinni í einu vetfangi? Þótt slíkar vangaveltur haldi kannski ekki vöku fyrir mönnum, hefur almenningur þó þegar áhyggjur af vissum hluta þeirrar geislunar sem frá sólinni berst - útfjólubláu ljósi sem mikið hefur verið til umræðu að undanförnu vegna hugsanlegrar eyðingar ósónlagsins.

Fyrstu ákveðnu vísbendinguna um það að atburður á sólu gæti haft áhrif á jörðina fengu menn fyrir meira en 130 árum. Það var 1. september árið 1859  að enski stjörnufræðingurinn Carrington var  að skoða og skrá sólbletti, en það gerði hann á hverjum degi. Einn af blettunum var óvanalega stór og Carrington veitti honum sérstaka athygli. Allt í einu sá hann tvær geysibjartar hvítar rákir myndast þvert yfir blettinn. Carrington hljóp til að kalla í annan mann og sýna honum fyrirbærið, en þegar hann kom  aftur að mínútu liðinni var ljósið í rénun og eftir 5 mínútur var það horfið. Meiri háttar truflun á segulsviði jarðar, svonefndur segulstormur, hófst næstu nótt, 17 klukkustundum síðar. Norðurljós sáust víða um Evrópu og á Hawaii. Um allan heim var ritsímasamband truflað vegna spanstrauma. Í tvær stundir var hægt að senda ritsímaboð yfir þver Bandaríkin án þess að nota rafhlöður; það var meira en nóg rafspenna í leiðslunum. Carrington greindi frá þessu á fundi í Konunglega stjarnfræðingafélaginu, en var varkár við að draga nokkrar ályktanir um samband milli þessara atburða.   

Það sem Carrington sá er fyrirbæri sem nú er kallað sólblossi eða sólgos, en sólblossi er réttara nafn. Venjulega þarf sérstakar ljóssíur eða ljósnema til að sjá sólblossa, því að það ljós sem þeir senda frá sér er að miklu leyti ósýnilegir geislar, útfjólublátt ljós, röntgengeislar og rafagnir. Aðeins örsjaldan ber það við að þeir sendi frá sér svo mikið af venjulegu, sýnilegu ljósi að menn sjái þá án sérstakra tækja. Sólblossar hafa verið rannsakaðir meira en flest önnur fyrirbæri í stjörnufræði. Orkan sem leysist úr læðingi í stórum sólblossa myndi fullnægja orkuþörf mannkynsins í þúsundir ára. Hún jafngildir meira en hundrað milljón vetnissprengjum af stærðinni 1 megatonn.
 
     

Í tæknisamfélagi nútímans geta áhrif sólblossa verið bæði víðtækari og alvarlegri en á dögum Carringtons.  Fjarskipti með útvarpsbylgjum truflast stundum þannig að ekkert samband næst í langan tíma; straumar sem spanast upp í raflínum geta eyðilagt straumbreyta og rafeindatæki í dreifikerfum raforku og valdið tjóni á símakerfum og olíuleiðslum (tæring) svo að eitthvað sé nefnt. Síðustu árin hefur verið óvenju mikið um stóra sólblossa. Í kjölfar sólblossa í mars árið 1989 fór rafmagn af öllu Quebec fylki í Kanada í níu klukkustundir og miklar truflanir urðu einnig á Norðurlöndunum. Í Bandaríkjunum varð mikið tjón á tækjum. Staðsetningarkerfi skipa og flugvéla urðu óvirk, og sömuleiðis trufluðust fjarskipti langtímum saman.
 

Myndin sýnir línurit úr segulmælingastöðinni í Leirvogi við upphaf segulstormsins í mars 1989. Fyrsti kippurinn kemur um kl. 18 þegar höggbylgja frá sólblossanum skall á háloftunum. Segulstormurinn fylgdi í kjölfarið eins og sést á næstu mynd. Þetta var einhver mesti stormur sem mælst hefur í Leirvogi. Áttavitastefnan sveiflaðist um 9°. Mun meiri sveifla (16°) mældist í Leirvogi hinn 29. október 2003, þótt sá stormur væri ekki eins öflugur á heildina séð.

Z = lóðrétt segulsvið, H = lárétt svið, F = heildarsvið, D = áttavitastefnan.

 

Norðurljós fylgja oft í kjölfar sólblossa.  (Mynd: Snævarr Guðmundsson)

Sólblossar hafa líka valdið skemmdum á sólsellum sem eru orkugjafar fyrir flest gervitungl. Í einni hrinu árið 1989 urðu 240 bilanir í gervitunglum. Brautir sumra tungla hafa breyst þannig að líftími þeirra hefur stytst verulega og snúningur þeirra truflast. Tölvur um borð í gervitunglunum hafa truflast og upplýsingar þurrkast úr minni þeirra. Lofthjúpur jarðar, þótt þunnur sé, verndar menn fyrir heilsutjóni af völdum sólblossa, en í flugvélum sem fljúga mjög hátt, og í geimförum, gildir öðru máli. Í kjölfar sólblossa hafa geislamælar í Concorde þotum margsinnis gefið aðvörun um hættuástand vegna geislunar, og hið sama hefur gerst í geimskutlum. En hvaða geislun er þarna um að ræða?  Við skulum hverfa aftur til sólarinnar og líta á það hvernig þessi geislun verður til.  

Þegar grannt er skoðað í sjónauka sést að allt yfirborð sólar er yrjótt eða dílótt. Þessar ýrur, þótt smáar sýnist, eru miklu stærri um sig en Ísland; þær eru toppar á ofboðslegum hitabólstrum sem hníga og stíga og endast kannski 10 mínútur eða svo. Mest áberandi á yfirborði sólar eru sólblettirnir, sem geta orðið svo stórir að þeir sjáist með berum augum við rétt skilyrði. Slíkir blettir eru oft miklu stærri um sig en jörðin.

Það sem einkennir sólbletti er sterkt segulsvið, og í rauninni er talið að segulsviðið sé orsök blettanna og valdi kælingu í þeim. Blettirnir eru um 2000 stigum kaldari en yfirborðið í kring. Segulsvið getur varðveitt orku - við finnum t.d. að töluverða orku þarf til að slíta sundur sterka segla sem liggja saman. Þessi orka getur leyst úr læðingi sem hreyfiorka eða komið fram í rafstraumum. Segulsvið jarðarinnar er veikt miðað við sviðið nálægt venjulegum stangarsegli, en segulsvið stórra sólbletta getur verið miklu sterkara, mörg þúsund sinnum sterkara en segulsvið jarðar.  

Um allt yfirborð sólar eru segulkraftar að verki þótt þeir séu veikari en í blettunum. Talið er að með segulsviðinu og sífelldum breytingum þess flytjist orka frá yfirborði sólar út í örþunnan lofthjúpinn sem umlykur sól og nefnist sólkóróna.  Kórónan gefur svo lítið frá sér af sýnilegu ljósi að hún sést ekki nema sérstakri tækni sé beitt. Aðeins í sólmyrkvum, þegar tunglið hylur bjarta sólskífuna, er auðvelt að sjá kórónuna með berum augum. Hún getur verið margbreytileg útlits, en oft má sjá arma eða vængi sem geta teygst firnalangt út í geiminn.
 

 

Kórónan er gífurlega heit, um 2 milljón stig, þótt yfirborð sólar sé aðeins 6000 stiga heitt. Þetta virðist hrein þversögn og menn hafa lengi glímt við að skýra hana, en nú er talið að skýringarinnar sé að leita í síbreytilegu segulsviði sem flytur orkuna frá yfirborði sólar upp í kórónuna. Sólblossum má líkja við sprengingu í kórónunni, þar sem orka í segulflækju leysist skyndilega úr læðingi.  Sólin er að mestu leyti úr vetni, en vegna hins háa hita í kórónunni er vetnið sundrað í frumagnir sínar, róteindir og rafeindir. Það eru þessar rafhlöðnu agnir sem þeytast út í geiminn og valda mestum truflunum á jörðinni. Að jafnaði fara þessar agnir með hraða sem nemur um 700 km/s og ná til jarðar á 2-3 dögum, en þær sem hraðast fara ná til jarðar á klukkustund eða svo. Vegna hitans sendir kórónan frá sér mikið af röntgengeislum og útfjólubláum geislum af mjög stuttri bylgjulengd. Einnig sendir hún frá sér útvarpsbylgjur. Öll þessi geislun eykst verulega við sólblossa.   

Milli kórónu og yfirborðs sólar er tiltölulega þunnt millibilslag sem nefnist lithvolf vegna þess að það er áberandi sem rauður hringur um sólina í sólmyrkvum. Frá lithvolfinu teygja sig oft stórkostlegir sólstrókar langt upp í kórónuna. Þeir fylgja segulsviðslínum og segulsviðið heldur þeim uppi. Þannig geta þeir haldist í jafnvægi dögum og vikum saman, en stundum breytist segulsviðið snögglega og þeytir þeim út í geiminn. Á sama hátt og við sólblossa geta efnisagnirnar náð alla leið til jarðar og valdið truflunum á borð við þær sem áður var lýst.  
             

 

Sólstrókur. Myndin var tekin úr gervitungli bandarísku geimferðastofnunarinnar NASA gegnum rauða ljóssíu. Stærð jarðar er sýnd til samanburðar

Rannsóknir hafa leitt í ljós að það er ekki bara við sólblossa eða aðrar hamfarir á sólinni sem rafhlaðnar agnir streyma út í geiminn. Í sólkórónunni sér stað útstreymi á öllum tímum, sem kallað er sólvindur. Sólvindurinn er ekki jafnsterkur frá öllum svæðum kórónunnar. Þegar myndir af kórónunni eru skoðaðar sjást langir geislar eða vængir teygja sig út í geiminn. Ætla mætti að þarna væru rafagnirnar að streyma út frá sólinni, en rannsóknir hafa sýnt að svo er ekki. Í sólvængjunum eru einmitt agnir sem ekki hafa komist út vegna þess að segulsviðið hefur hindrað það. Efni hefur því safnast þar fyrir og hitnað. Það er í svæðunum þar sem rof myndast í kórónuna, sem sólvindurinn streymir frá sólu. Þar stefna segulsviðslínurnar út í geiminn, en sveigja ekki krappt að sólinni aftur. Á röntgenmyndum sem teknar eru úti í geimnum sjást þessar glufur greinilega. Þar er efni á útleið. Við sjáum merki þessa sólvinds í halastjörnum, því að það er hann sem mótar halann og blæs honum í átt frá sólu.
  

Halastjarna. Halinn sem þarna sést er rafgas, efni sem útfjólublátt sólarljós hefur rafað (jónað) og sólvindurinn þeytir í átt frá sólu.

Þótt sólvindurinn frá kórónuglufunum sé ekki eins gustmikill og sá sem berst frá sólblossum og öðrum hamfarasvæðum sólar, veldur hann engu að síður miklum truflunum þegar hann nær til jarðar, og þær truflanir standa oft lengur. Í báðum tilvikum hefur segulsvið jarðar áhrif á rafagnirnar. Það myndar eins konar skjöld og bægir þeim frá jörðu að mestu leyti. Það er helst í námunda við heimskautin, í norðurljósabeltunum, sem rafagnir komast inn í gufuhvolf jarðar fyrir flókið samspil sólvindsins og segulsviðs jarðar.

Myndin sýnir hvernig segulsvið jarðar ver það fyrir sólvindinum. Hvítu örvarnar sýna stefnu segulsviðsins frá suðurskauti jarðar til norðurskauts. Sjá nánar hér.

3. Er heildargeislun sólar breytileg?  

Þær miklu breytingar á útstreymi sólar sem ég hef rætt um, koma fram í rafögnum, útfjólubláu ljósi, röntgengeislum og útvarpsbylgjum. Öll þessi geislun nema útvarpsbylgjurnar stöðvast að mestu leyti í háloftunum og veldur miklum breytingum þar. Hitt er meira vafamál hvort þessi geislun hefur áhrif neðar í gufuhvolfinu þar sem veður og vindar ráða.  Orkan er að vísu talsverð á mannlegan mælikvarða. Til dæmis myndu rafstraumarnir sem valda norðurljósum geta fullnægt raforkuþörf mannkynsins þá stundina ef hægt væri að virkja þá. En í samanburði við þá orku sem felst í venjulegu, stöðugu sólarljósi er þessi breytilega geislun varla umtalsverð.   

En er þetta venjulega sólarljós þá alveg stöðugt?   Að sjálfsögðu er mjög þýðingarmikið að fá svar við þeirri spurningu hve miklar breytingar verði á heildargeislun sólar. Ef yfirborðshiti sólar, sem er nálægt 6000°, lækkaði, þó ekki væri nema um 15°, myndi það nægja til að minnka þá geislun sem jörðin fær frá sólu um 1%. Það myndi aftur valda lækkun á yfirborðshita jarðar um 1-2° sem að margra dómi væri meira en nóg til að hrinda af stað nýrri ísöld. Mælingar á heildargeislun sólar hafa verið framkvæmdar ötullega frá síðustu aldamótum, en það var ekki fyrr en unnt var að koma mælitækjum fyrir í gervitunglum, ofan við gufuhvolf jarðar, að nægileg nákvæmni fékkst í þessar mælingar. Niðurstaðan af mælingum undanfarinn áratug bendir til þess að sveiflur séu ekki meiri en brot úr prósenti, en slíkt ætti lítil áhrif að hafa á á hitastig á jörðinni. Aðrir þættir (t.d. koldíoxíðaukning í andrúmsloftinu) hafa mun meira að segja.  Þeim mun undarlegra er það að menn hafa þóst sjá sterk áhrif sólvirkni í margvíslegum sveiflum veðurfars á jörðinni. Lítum aðeins nánar á það mál.

  

Þeir sem fylgjast með sólblettum verða þess fljótlega áskynja að fjöldi þeirra breytist mjög mikið og á sveiflubundinn hátt. Sveiflan tekur að meðaltali 11 ár, en tíminn er talsvert breytilegur, allt frá 7 upp í 17 ár. Síðasta hámark í sólblettum var árið 1989, en næsta hámark þar á undan var 1979. Sumir hafa þóst sjá lengri sveiflur í sólblettum, en slíkt er umdeilt. Sólblettir eru aðeins eitt af mörgum merkjum um sólvirkni, sem fylgja sömu sveiflu.


 

Truflanir á segulsviði jarðar, norðurljós og skyld fyrirbæri sýna greinileg merki þessarar sömu 11 ára sólblettasveiflu. Þessu tóku menn snemma eftir, og þótt ýmsir væru vantrúaðir á sambandið, efast enginn um það nú, enda fullnægjandi skýring fengin. Hins vegar hafa menn þóst sjá ýmis önnur spor sólblettasveiflunnar sem erfiðara er að útskýra. Stjörnufræðingurinn William Herschel mun hafa verið fyrstur til að benda á að verð á hveiti virtist breytast nokkurn veginn með fjölda sólbletta. Þetta var árið 1801. Hugmyndin var ekki með öllu fráleit, því að hugsanlegt var að sólblettir hefðu áhrif á veðurfar, sem aftur hefði áhrif á uppskeru og þar með hveitiverð. Gallinn var bara sá, að nokkru eftir að Herschel benti á þetta, hættu sveiflurnar að fylgjast að. En þetta var aðeins upphafið að endalausum tilraunum manna til að finna samband milli sólbletta og fyrirbæra á jörðu niðri. Að sjálfsögðu hafa ýmsir þættir veðurfars verið sérstaklega athugaðir, úrkoma, hitastig, loftþrýstingur o.s.frv., en lærðar vísindagreinar hafa líka verið skrifaðar um ólíklegri tengsl eins og við jarðskjálfta, sveiflur í rjúpnastofninum á Íslandi og fjölda hvítabjarna sem veiðist á Grænlandi.

Af þeim greinum sé ég hef séð um dagana eru mér tvær minnisstæðastar. Önnur fjallaði um samband á milli fjölda sólbletta og jarðskjálfta í Suður-Ameríku. Fullkomnari samsvörun tveggja línurita hef ég aldrei séð, en hvers vegna það gilti aðeins fyrir Suður-Ameríku fékkst aldrei upplýst. Hitt var grein eftir ítalskan prófessor. Prófessor þessi hafði tekið eftir því að tiltekið efni sem hann var að fást við í rannsóknarstofu sinni, bismút-oxyklóríð, hafði mismikla tilhneigingu til að mynda útfellingu í tilraunaglasi, allt eftir því hve mikið var um sólbletti. Vandamálið við slíkar kenningar er það að finna sennilegt orsakasamband. Meðan engin skýring finnst, verður að taka kenningunum með miklum fyrirvara.

Mér dettur í hug gamansaga sem höfð var eftir bandaríska stjörnufræðingnum Carl Sagan. Hann hafði setið ráðstefnu þar sem einn fyrirlesarinn hélt því fram í fyllstu alvöru, að öll helstu vísindaafrek mannkynssögunar hefðu verið unnin þegar sólblettir voru í hámarki. Newton, Darwin og Einstein voru allir nefndir í þessu sambandi. Rússneski stjörnufræðingurinn Shkovskii, sem sat við hlið Sagans, hallaði sér að honum og sagði stundarhátt: "En þessi kenning kemur samt fram þegar sólblettir eru í lágmarki!".               

Þessi skortur á viðunandi skýringum, og það að sumar kenningarnar um fylgni við sólbletti hafa ekki staðist nánari athugun, hefur leitt til þess, að margir hafa nánast afskrifað þetta rannsóknarsvið sem eins konar hjávísindi. Hins vegar er skylt að geta þess að ýmsir virtir vísindamenn hafa lagt skerf til þessara rannsókna, og sumar af niðurstöðum síðustu ára eru athyglisverðar og ekki rétt að fleygja þeim strax í ruslið.              

Sem dæmi um niðurstöður sem ekki hafa verið vefengdar má nefna, að greinileg fylgni hefur komið í ljós milli sólvirkni og lægðamyndunar við Aleúteyjar. Lægðirnar hafa tilhneigingu til að verða krappari í kjölfar segulstorma. Þá virðast athuganir á úrkomu á mismunandi breiddargráðum síðustu öldina sýna samband við sólbletti á þann hátt að úrkomubelti færist til, norður eða suður. Nokkur fylgni virðist vera milli sólblossa og tíðni eldinga á sumum svæðum. Fjöldi sólbletta er ekki eini mælikvarðinn á það hvernig sólin hagar sér, og nýlega hafa danskir vísindamenn þóst finna samband milli lengdar sólblettaskeiðanna og veðurfars á norðurhveli jarðar. Meðal gagna um veðurfar notuðu þeir frásagnir um hafís við Ísland síðan 1740. Þeir komust að þeirri niðurstöðu að veðurfar væri hlýrra þegar sólblettaskeiðin væru stutt.  

Sérkennilegt er, að í mörgum gögnum kemur fram 22 ára sveifla í stað 11 ára sveiflu. Nú er það svo, ef tekið er tillit til segulstefnu sólbletta, að sólblettaskeiðið allt er í rauninni 22 ár fremur en 11, í þeim skilningi að það er ekki fyrr en eftir 22 ár að segulstefnan er orðin sú sama og hún var í upphafi, en hvernig þetta gæti skipt máli hér á jörðinni er öllum óskiljanlegt. Þessi 22 ára sveifla kemur m.a. fram þegar athuguð eru þurrkatímabil í miðríkjum Bandaríkjanna, og hana virðist einnig að finna í magni tvívetnis í trjám ein þúsund ár aftur í tímann, en talið er að hitastig ráði tvívetnismagninu. Öll þessi fyrirbæri og fleiri eru bundin við tiltekin svæði. Það merkilega við 22 ára sveifluna í trjánum er að hún er miklu reglulegri en sólblettasveiflan. Þetta er í sjálfu sér grunsamlegt: ef orsakanna er að leita á sólinni, hví skyldu afleiðingarnar koma skýrar fram og reglulegar á jörðinni? Sumir vísindamenn hafa túlkað þetta svo, að jörðin sé undir beinum áhrifum af einhverju sem gerist langt undir yfirborði sólar, en það virðist hæpin skýring.  

Sem dæmi um það hve hættulegt það getur verið að draga skjótar ályktanir í þessum efnum eru rannsóknir jarðfræðingsins George Williams sem birtust á árunum 1981-1985. Williams rannsakaði forn setlög í Ástralíu, frá for-Kambrium tíma fyrir 670 milljónum ára. Setlögin sýndu, að því er virtist, greinilega 11 ára sveiflu. Ekki nóg með það. Nánari athugun leiddi í ljós 22 ára sveiflu líka. Þetta taldi Williams og margir aðrir sönnun þess að sólin hefði hegðað sér svipað fyrir 670 milljón árum og hún geri nú. Að vísu þótti dálítið dularfullt að þetta skyldi sjást svona greinilega í setlögum; slíkt gerist tæplega á vorum dögum. En það var útskýrt með þeim hætti, að gufuhvolf jarðar hefði verið allt öðru vísi á þessum tíma, engar plöntur, ekkert súrefni, ekkert ósonlag til að stöðva útfjólubláa geisla. Einnig kynni segulsvið jarðar að hafa verið mun veikara og veitt minni vörn gegn rafögnum. Sem sagt, það var ekkert mál að skýra þetta.

     

Rannsóknir á trjám hafa reyndar gert það kleift að kanna sólvirkni langt aftur í tímann. Helsta aðferðin er sú að mæla magn af geislavirku kolefni, kolefni 14, í árhringjunum (beryllium 10 hefur líka verið notað) Þetta geislavirka kolefni myndast í andrúmsloftinu fyrir áhrif geimgeisla. Þegar mikið er um sólvirkni dregur úr geimgeislum, því að sólvindurinn og það segulsvið sem hann ber með sér skýlir jörðinni að nokkru leyti fyrir þessum orkumiklu ögnum sem koma utan úr himingeimnum. Geislavirka kolefnið sem trén hafa fengið úr andrúmsloftinu er því mælikvarði á sólvirknina á hverjum tíma, að talið er. Með mælingum af þessu tagi hefur tekist að kanna sólvirkni meira en 9000 ár aftur í tímann. Lágmarkið á Maundertímanum kemur glöggt fram í trjánum, og einnig fjölmörg eldri skeið, hliðstæð. Eins þykjast menn sjá lengri sveiflu, 420 ár, í sólblettunum yfir þetta langa tímabil.               

Nú hafa menn sem sagt í höndunum upplýsingar um sólvirkni og hitafar á jörðu mörg þúsund ár aftur í tímann. En nákvæmur samanburður á þessum gögnum hefur ekki leitt í ljós neitt langtímasamband á milli þessara þátta. Litla ísöldin á Maundertímabilinu virðist hafa verið fremur  staðbundið fyrirbæri.  

En ef svo skyldi fara að eitthvert samband sólbletta og veðurfars yrði endanlega staðfest, t.d. lægðamyndun eða úrkomubreytingar, með hvaða hætti gæti sólvirknin haft þessi áhrif?  Ef sólvirknin hefur áhrif á veðurfar er það sennilega eitthvað annað en bein varmaáhrif sem máli skipta. Til þess eru þau allt of lítil. Ein tilgáta, sem á nokkru fylgi að fagna, er sú að sólblossar og sólvindur hafi áhrif á rafsvið í gufuhvolfinu og þar með á þrumuský og þrumuveður sem eru snar þáttur í veðurfari víða um heim.  Sumir vísindamenn telja sig hafa fundið samband milli sólblossa og tíðni eldinga eins og fyrr er sagt, svo að hugmyndin er ekki með öllu fráleit. En sönnuð er hún ekki.

5. Ísaldir  

Hingað til hef ég aðeins rætt um veðurfarssveiflur síðustu árþúsundin. En hvað um stærri sveiflur, lengra aftur í tímanum, ísaldirnar frægu. Hefðu þær ekki getað orsakast af breytingum á útgeislun sólar? Langt er síðan slík tilgáta var sett fram, en vandinn er að sanna hana. Geislunin sem jörðin fær frá sólinni getur breyst þótt sólin sjálf breytist ekki. Munurinn á sumri og vetri á hverjum stað stafar ekki af því að sólin sé að hitna og kólna á víxl, heldur af því að jörðin hallar ýmist norðurskauti eða suðurskauti að sól á árgöngu sinni um sólina. Heildargeislunin sem á jörðina fellur er ekki heldur jöfn yfir árið, því að braut jarðar um sólu er ekki alveg hringlaga. Þótt munurinn sé ekki mikill, fær jörðin þó um 7% meiri geislun frá sól þegar hún er í sólnánd heldur en þegar hún er í sólfirð. Og fyrir veðurfarið á hverjum stað skiptir máli hvenær ársins þetta gerist. Jörðin er næst sólu í byrjun janúar, þegar vetur er á norðurhvelinu, en fjærst sólu í júlí, og ætti þetta að draga úr árstíðasveiflum veðurfarsins. En þetta hefur ekki alltaf verið svo, því að braut jarðar breytist með tímanum og einnig möndulhallinn sem veldur árstíðaskiptunum. Þannig geta komið fram langtímasveiflur sem hafa áhrif á veðurfar.  

Sá sem fyrstur varð til að reikna út áhrif þessara breytinga í smáatriðum var Júgóslavinn Milutin Milankovic, og birti hann niðurstöður sínar á árunum 1920 og 1930. Útreikningar hans hafa síðan verið endurteknir og staðfestir í meginatriðum. Samkvæmt þeim ættu að koma fram veðurfarsbreytingar með sveiflutíma 100 þúsund ár vegna breytinga á miðskekkju jarðbrautarinnar (0,5% til 6%, nú 1,7%). Önnur sveifla, 40 þúsund ár, ætti að koma fram vegna sveiflu í halla jarðmöndulsins (22,0 -24,5), og loks sveifla með tvo toppa við 19 og 23 þúsund ár vegna pólveltu jarðar sem hefur áhrif á það hvenær ársins sól er næst jörð.  

Það var ekki fyrr en á 8. áratug þessarar aldar að hægt var að sannprófa kenningu Milankovic. Þá lágu fyrir upplýsingar um hitastig á fyrri öldum samkvæmt mælingum á súrefnissamsætum eins og fyrr var greint. Þannig fékkst endanlega staðfest að allar þær sveiflur sem Milankovic hafði spáð komu greinilega fram í hitasveiflum á ísaldarskeiðunum síðustu 500 þúsund árin. Stærsta sveiflan er 100 þúsund ára sveiflan, enda hafa ísaldirnar komið nokkurn veginn með því millibili síðustu milljón árin eða svo. Eins og fyrr segir stafar þessi sveifla af hægfara breytingu á miðskekkju brautar jarðar um sólu. Sem stendur erum við í hlýindaskeiði milli ísalda.  

En kenning Milankovic svarar því ekki hvers vegna ísaldirnar hófust fyrir um það bil milljón árum eða. Fyrir þann tíma ríkti yfirleitt hlýviðri á jörðinni, þótt merki séu um ísöld fyrir 300 milljón árum (Kol-Perm), aðra fyrir 450 milljón árum (Ordovicium) og e.t.v. þá þriðju fyrir 700 milljón árum (for-Kambríum). Ísaldirnar eru sjaldgæf fyrirbæri í sögu jarðar, og þær hafa ekki verið skýrðar. Breytingar á andrúmslofti jarðar geta haft mikil áhrif á loftslag, eins og umræðan um gróðurhúsaáhrifin hefur undirstrikað. Við vitum t.d. að koldíoxíð í andrúmlofti hefur aukist um 15% á síðustu öld og kann að tvöfaldast á þeirri næstu. Hitahækkun af þessum sökum kann að verða 2-3°, sem myndi hafa gríðarleg áhrif að flestra mati. En hvað um koldíoxíð í andrúmslofti fyrir milljónum ára? Reynt hefur verið að kanna þetta með mælingum á kolefnissamsætum í fornu bergi. Niðurstöður sem birtar hafa verið sýna áberandi lágmark fyrir um 300 milljón árum, en þá var einmitt mesta ísöld á því tímabili sem þessar mælingar ná til. Athyglisvert er, að samkvæmt mælingunum hefur koldíoxíð í andrúmsloftinu verið langtum meira en það er nú yfir mestallt tímatal jarðsögunnar frá því fyrir 500 milljón árum. Það er því engu líkara en koldíoxíð sé í sérstöku lágmarki nú, og má segja að það samræmist þeirri skoðun, að því tímabili ísalda sem hófst fyrir milljón árum sé enn ekki lokið þótt nú sem stendur sé hlýviðraskeið. Með öðrum orðum, það er ekki víst að við þurfum að leita til sólarinnar um skýringu á ísöldunum.  

En hefur þá sólin ekkert breyst, og mun hún ekkert breytast í framtíðinni? Til þess að svara þessu verðum við að huga að orkubúskap sólar og innri gerð hennar.

6. Orkubúskapur sólar  

Stjörnufræðingar telja sig hafa allgóða vissu fyrir því, að orkuframleiðsla sólar fari fram í kjarna hennar sem nær á að giska 1/4 af leiðinni frá miðju að yfirborði. Hitinn er nálægt 15 milljón stigum og þrýstingurinn gífurlegur. Þótt sólin sé öll loftkennd er efnið í miðjunni 15 sinnum þéttara í sér en blý. Við þessar aðstæður ummyndast vetni í helín og við samrunann verður efni að orku. Á hverri sekúndu verða 5 milljón tonn af efni að orku.


 

Ef við gætum horft beint inn í kjarna sólar myndi hann sýnast 20 milljón sinnum bjartari en yfirborðið. Orkan sem myndast í kjarnanum verður til í mynd gammageisla sem breytast síðan í röntgengeisla. Þótt reynsla okkar af röntgengeislum sé sú að þeir eigi auðvelt með að komast gegnum efni, er efnisþéttan í sólarmiðju slík að þeir komast varla nema 1 millimetra án þess að stöðvast. Efnið sem stöðvar þá, geislar þeim síðan í einhverja aðra átt. Smám saman þokast geislunin utar í sólina, en það tekur að meðaltali 20 milljón ár fyrir geislunina að ná yfirborði. Á leið sinni gegnum  kaldari lög breytist geislunin úr röntgengeislun í útfjólubláa geislun og loks í venjulegt sýnilegt ljós. Útreikningar benda til þess  að jafnvægi ríki í kjarna sólar. Samruninn í kjarnanum er að vísu mjög háður hita; aðeins 10% hækkun hitans myndi tvöfalda orkuframleiðsluna. Það sem viðheldur jafnvæginu er að hiti orsakar útþenslu sólar sem aftur veldur kólnun. Samkvæmt útreikningum ætti þetta jafnvægi að vera mjög stöðugt.    

En hversu áreiðanlegir eru þessir útreikningar? Er víst að orkuframleiðslan fari fram með þeim hætti sem stjörnufræðingar segja? Það væri óneitanlega mikill kostur að geta skyggnst beint inn í kjarna sólar til að ganga úr skugga um þetta. Þótt ótrúlegt sé, er þetta mögulegt í vissum skilningi. Kenningarnar segja okkur að við samruna frumeinda í kjarna sólar fari brot af orkunni í að mynda mjög sérkennilegar eindir, svonefndar fiseindir, sem eru nánast ósýnilegar og ósnertanlegar - eins konar draugeindir sem geta smogið gegnum hvað sem er. Til að stöðva fiseind þyrfti að jafnaði mörg ljósár af blýi. Eftir að þær myndast í kjarna sólar fara þær með ljóshraða til yfirborðsins á 2 sekúndum, og eftir 8 mínútur eru þær komnar til jarðar. Fiseindirnar eru gífurlega margar; reiknað hefur verið út að nærri 70 milljarðar fari gegnum hvern fersentimetra jarðar á hverri sekúndu án þess að nokkur verði var við það. En af mikilli hugvitsemi hefur vísindamönnum tekist að finna upp tæki til að snara eina og eina fiseind. Til þess þarf stóra geyma sem fylltir eru af vökva og komið er fyrir í djúpum námum neðanjarðar til að forðast truflun frá annars konar geislun.  Með öðrum orðum, til að kanna kjarna sólar fara menn með tæki sín langt undir yfirborð jarðar.   

Fyrstu niðurstöður gáfu til kynna, að sólin framleiddi mun færri fiseindir en kenningarnar sögðu til um, varla meira en þriðjung. Þetta gat táknað að hitinn í kjarnanum væri minni en talið hafði verið, og sumir gengu svo langt að stinga upp á að orkuframleiðslan í kjarnanum væri í tímabundnu lágmarki.  Bent var á, að vegna þess hve geislunin er lengi á leiðinni frá kjarna sólar út að yfirborði, gæti liðið langur tími þar til við sæjum þess merki á yfirborðinu að eitthvað hefði dregið úr kyndingunni. En þetta gekk þvert á viðteknar kenningar um jafnvægið í kjarna sólar, og menn sáu enga fræðilega lausn á þeim vanda. Þess vegna lögðu menn kapp á að endurtaka fiseindamælingarnar með ýmsum tilbrigðum. Síðustu niðurstöður þessara mælinga benda til þess að fiseindaskorturinn stafi af hegðun fiseindanna eftir að þær myndast í kjarna sólarinnar. Til eru mismundandi afbrigði fiseinda sem ekki verða mæld með sömu tækjum. Svo virðist sem fiseindirnar geti brugðið sér hver í annarrar líki og villt þannig um fyrir vísindamönnum. Þetta er að minnsta kosti ríkjandi skoðun þessa stundina. Mælingar á fiseindum frá sólinni gefa því ekki ástæðu til að ætla að marktækar sveiflur verði í orkuframleiðslu sólar.   

Á síðustu árum hefur komið fram ný aðferð til að kanna innri gerð sólar.   Nákvæmar mælingar hafa leitt til þeirrar óvæntu niðurstöðu, að sólin skelfur, yfirborð hennar rís og hnígur á kerfisbundinn hátt, og eftir yfirborðinu fara bylgjur með margvíslegri tíðni. Rannsóknir á sólskjálftum - sólskjálftafræði - eru nú þegar orðnar sérstök fræðigrein. Með henni hafa menn orðið margs vísari um innri gerð sólar, t.d. um snúningshraða þar og hve djúpt iðustraumar nái. Enn hefur þó ekkert komið fram sem bendi til þess að vísindamenn þurfi að endurskoða hugmyndir sínar um orkubúskap eða stöðugleika sólarinnar.

7. Þróun sólar  

Við höfum sem sagt komist að þeirri niðurstöðu, að þrátt fyrir alla sólbletti og aðra sólvirkni sé sólin í býsna góðu jafnvægi þessa stundina, svo að til fyrirmyndar megi teljast. Þar með er ekki sagt að þetta jafnvægi haldist til eilífðar. Þvert á móti leiða helstu kenningar um þróun sólstjarna til þeirrar eindregnu niðurstöðu að þróun eigi sér stað þótt hægt fari.   

Aldur sólar er talinn 5 milljarðar ára, en það er sá tími sem liðinn er síðan sólin þéttist og fór að skína sem stjarna. Allar líkur eru til að sólin hafi í öndverðu snúist hraðar og sýnt miklu meiri virkni á yfirborði. Vegna sólvindsins hefur hún smám saman hægt á snúningi sínum. Jafnframt hefur hún  þanist lítillega út, og birta hennar aukist um ein 40%. Mest af þessum breytingum hefur gerst fyrir daga lífs á jörðinni. En af þessu leiðir samt að í árdaga lífs hafi sólin fengið mun minni yl frá jörðu en nú er. Reiknað hefur verið út, að hitastig við yfirborð jarðar hafi þá hvergi verið mikið yfir frostmarki vatns. Þó ber að hafa hugfast að margir þættir aðrir en sólgeislunin geta haft áhrif á hitastig á jörðu, s.s. samsetning andrúmsloftsins, afstaða landsvæða til hafsvæða, o.s.frv.

Sem stendur eru breytingar á sólinni mjög hægar, en hún mun þó halda áfram á sömu braut. Eftir því sem hægir á snúningnum, dregur væntanlega úr yfirborðsvirkni sem tengist segulsviðinu, og áhrif slíkra umbrota á jörðina minnka. Meira máli skiptir að sólin mun halda áfram að auka birtu sína jafnt og þétt eftir því sem gengur á vetnisforðann í kjarnanum og hærri hita þarf til að halda uppi þrýstingi þar. Eftir 1 milljarð ára mun sólin verða um 10% bjartari en nú, með stórfelldum afleiðingum fyrir loftslag á jörðinni. Eftir 5 milljarða ára verður sólin orðin tvöfalt bjartari en nú og 40% stærri að þvermáli. Þá verður vetnið nær uppurið í kjarnanum og orkuframleiðslan færist utar. Sólin fer þenjast út og þróast yfir í rauða risastjörnu. Á endanum mun hún gleypa innstu reikistjörnuna, Merkúríus og spanna yfir drjúgan hluta af himninum frá jörðinni séð. Sólarhitinn mun þá bræða bergið á yfirborði jarðar. Hitinn í iðrum sólar mun halda áfram að hækka uns að því kemur að helín tekur við af vetni sem orkugjafi og myndar kolefni og súrefni við samruna. Við það leysist mikil orka snögglega úr læðingi og sólin þeytir talsverðum hluta af efni sínu út út í geiminn. Meira efni missir hún síðar í afar sterkum sólvindi þar til á endanum er ekkert eftir nema samanrekinn kjarni, óskaplega þéttur í sér. Sólin er þá orðin hvít dvergstjarna, áþekk jörðinni að stærð þótt efnismagnið verði um helmingur þess sem nú er í sólinni. Hve langt verður þangað til er erfitt að segja með fullri vissu, en 10 milljarðar ára eru sennilega ekki fjarri lagi. Á brunninni jörð verður þá enginn til að sjá þessa furðulegu dvergsól sem verður skínandi hvít, en ljósmagnið verður aðeins þúsundasti hluti af því sem nú er. Þessari stærð mun sólin halda meðan hún kulnar smátt og smátt og skilur loks jörðina og aðrar reikistjörnur eftir í myrkrinu.