Kosmické záření a oblačnost - CERN hledá souvislosti  
Experiment CLOUD má studovat vliv kosmického záření na tvorbu oblačnosti a tím i klima.

Nedávno vyšel na Oslovi článek o poslední práci Henrika Svensmarka o možném vlivu kosmického záření na tvorbu zemské oblačnosti, a to v těch nejnižších vrstvách atmosféry. Zmíněný vědec předpokládá, že zvýšený podíl kosmického záření dopadající do zemské atmosféry vede ke zvýšené tvorbě oblačnosti a tím i k ovlivnění klimatu. V současné době začíná v laboratoři CERN pracovat experiment CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets), který by měl pomoci objasnit mechanismy, které vedou k tvorbě oblačnosti díky kosmickému záření. Mohl by tak zjistit míru možného vlivu kosmického záření na vývoj klimatu a buď podpořit nebo vyvrátit hypotézy Henrika Svensmarka. Než se podíváme na samotný experiment a jeho cíle, připomeňme si o jaké předpoklady se Svensmarkovův model opírá.

Zvětšit obrázek
Změny toku kosmického záření za posledních sto čtyřicet let určené na základě výskytu radioaktivních jader 10Be v grónském ledovci a pomocí měření narušení geomagnetického pole (přepočteno z antikorelace mezi porušením magnetického pole vlivem sluneční aktivity a tokem galaktického kosmického záření. (Zdroj: Proposal experimentu CLOUD, CERN/SPSC 2000-021)

 

Hypotéza o vlivu galaktického kosmického záření na tvorbu oblačnosti

V roce 1997 publikovali Henrik Svensmark a Eigil Friis-Christiansen článek s překvapivým pozorováním souvislosti celkové plochy oblačnosti s intenzitou galaktického kosmického záření. Jak bylo na Oslovi popsáno v článku o kosmickém záření, má galaktické kosmické záření přicházející ze zdrojů mimo Sluneční soustavu daleko vyšší energii než může mít kosmické záření ze Slunce. Proniká tak i skrz magnetické pole Země do její atmosféry. Zároveň je však odstiňováno magnetickým polem spojeným se slunečním větrem, který „vane“ směrem od Slunce ven ze Sluneční soustavy. Pokud je aktivita Slunce vysoká, jsou i magnetické poruchy, které způsobuje velmi intenzivní. Odstíní tak galaktické kosmické záření a jeho intenzita v blízkosti Země se značně sníží. Intenzita tohoto záření tak sleduje průběh jedenáctiletého cyklu sluneční činnosti. V období minima sluneční činnosti je na Zemi maximální hodnota galaktického kosmického záření a v období slunečního maxima pak minimální. Intenzita galaktického kosmického záření zároveň sleduje i dlouhodobé změny sluneční činnosti. Tyto dlouhodobé změny nedokážeme zatím vysvětlit. Pozorujeme však, že se intenzita slunečního větru a s tím spojené poruchy magnetického pole za poslední století zhruba zdvojnásobily. To vedlo ke snížení intenzity galaktického kosmického záření v globálním průměru zhruba o patnáct procent.

 

Kosmické záření při své interakci v atmosféře produkuje také radioaktivní izotop uhlíku 14C. Jeho množství v atmosféře je dáno dlouhodobými změnami v toku galaktického kosmického záření. Změny v poměru mezi množstvím tohoto radioaktivního izotopu uhlíku a izotopu uhlíku stabilního v průběhu posledního tisíciletí nás informují o změnách toku tohoto záření (viz obrázek). Jsou jasně vidět zvýšená množství uhlíku 14C v době známých historických období minima sluneční činnosti (Wolf, Spőrer, Maunder). Drastické snižování podílu radioaktivního uhlíku v posledním století (Suess) nesouvisí s kosmickým zářením ale s velkým množstvím uhlíku, které se do atmosféry dostává vlivem spalování fosilních paliv. Ta obsahují pouze stabilní izotop uhlíku. O pozorování nárůstu „civilizačního“ oxidu uhličitého a jeho měření lze najít na Oslovi podrobný článek .

 

Zvětšit obrázek
Relativní změny zastoupení radioaktivního uhlík 14C, jak bylo určeno z letokruhů. Značky jsou dvě nezávislá velice přesná měření a plná čára fit přes velké množství dat s menší přesností. (Zdroj: Proposal experimentu CLOUD, CERN/SPSC 2000-021)

Pokud se souvislosti mezi intenzitou galaktického kosmického záření a celkovou oblačnou pokrývkou potvrdí, může to mít vliv na naše názory na vývoj klimatu. Pokud intenzita kosmického záření klesá, klesá i plocha oblačné pokrývky. Ta sice částečně zabraňuje úniku záření ze Země, ale převládne vliv zmenšení odrazu záření ze Slunce oblačností se zmenšením jejího rozsahu. Galaktické kosmické záření by se tak mohlo podílet na pozorovaném oteplování zemského klimatu. Korelace mezi množstvím galaktického kosmického záření a velikostí celkové oblačné pokrývky zatím nebyla prokázána bezrozporně a různé práce si odporují. Také není znám přesný mechanismus, jak by toto kosmické záření mohlo velikost oblačnosti ovlivňovat.

 

Zatím hypotetický mechanismus by mohl být takový. Při průchodu velmi energetických primárních částic kosmického záření dochází při jejich srážkách s jádry v atmosféře k produkcí velkého množství sekundárních částic, které velmi intenzivně ionizují. Kosmické záření je tak dominantním zdrojem iontů v troposféře a stratosféře a také zde přispívají ke vzniku volných radikálů. Ty se stávají kondenzačními jádry pro vznik aerosolů, které se pak stávají kondenzačními jádry pro vznik kapek a tak i původcem vzniku oblaků. Ionty v atmosféře by kromě zmiňované produkce aerosolů mohly vést ke vzniku ledových krystalků.


 

Zvětšit obrázek
Urychlovač v laboratoři CERN (protonový synchrotron), který bude zdrojem umělého kosmického záření. (Zdroj: CERN)

Popsaný mechanismus by mohl vysvětlit i pokles oblačnosti během silných poklesů kosmického záření (označovaných jako Forbushovy poklesy), o kterém referuje článek zmíněný v úvodu popisující poslední práci Henrika Svensmarka. Několikadenní zpoždění vůči poklesu galaktického kosmického záření, které se v tvorbě oblačnosti a změně v barvy slunečního svitu v atmosféře pozoruje, se dá vysvětlit dobou, po kterou trvá, než vzniklé radikály a kondenzační jádra vytvoří dostatečně velké kapky, aby měly pozorovatelný vliv. V prvním zhruba týdnu po poklesu záření tak ještě vznikají kondenzace na kondenzačních jádrech, která vznikla před tímto poklesem. Je třeba si uvědomit, že poklesem kosmického záření nedochází k tomu, že by voda z atmosféry zmizela. Jen vodní pára nezkondenzuje na vodní kapky a nevytváří se mraky. Je to podobné tomu, když prolétá letadlo ve velké výšce a díky kondenzačním jádrům, které tvoří spaliny z motoru, se za ním tvoří bílá kondenzační stopa.

 

Problémem je, že i pokud se potvrdí korelace mezi intenzitou sluneční aktivity a tvorbou oblačnosti, která byla pozorována ve více pracích, nemusí být tato zprostředkována galaktickým kosmickým zářením, ale může vznikat díky jiným procesům založeným na interakci Slunce a zemské atmosféry. Proto je důležité otestovat zmiňovaný mechanismus v laboratorních podmínkách.

 

Zvětšit obrázek
Uvnitř mlžné komory experimentu CLOUD (zdroj: CERN).

Experiment CLOUD


Pro zjištění, zda takový proces reálně probíhá a jakým přesně způsobem, se v laboratoři CERN vybudoval experiment CLOUD. Využívá svazek protonů urychlovače PS (Proton Synchrotron) této laboratoře k vytvoření kontrolovaného svazku umělého „kosmického záření“. V daném případě se bude využívat směs mezonů pí a protonů produkovaných pomocí svazku zmíněného urychlovače. Díky tomu, že je možné měnit intenzitu svazku i další jeho vlastnosti v relativně širokém rozmezí, simulují se podmínky, kdy intenzita ionizace kosmického záření (počet sekundárních částic) se mění s výškou až o dva řády. Je zajímavé, že zmiňovaný urychlovač už pracuje padesát let.

 

Svazek urychlených částic je nasměrován do mlžné komory, která imituje podmínky v zemské atmosféře. Mlžná komora je zařízení, které se klasicky využívá pro detekci ionizujícího záření. Umožňuje zobrazovat dráhy nabitých částic. Vytváří se v ní podmínky nutné pro vznik podchlazené páry. V okamžiku průletu nabité částice vznikají ionty, které vytvářejí kondenzační jádra a po dráze částice se tak produkují kapičky vody (či jiné kapaliny podle toho, jaké páry použijeme) a zviditelňují ji.

 

V případě experimentu CLOUD pak bude mlžná komora sloužit jako simulátor zemské atmosféry v různých výškách a podmínkách. Je možné měnit fyzikální i chemické vlastnosti její náplně ve velmi širokém rozmezí. Například teploty od -90 oC do +40 oC. Tlak pak od nuly do hodnoty 150 kPa. Bude tak možné studovat vznik iontů i volných radikálů a jejich vliv na vznik kondenzačních jader i postupný růst kapek vody či ledových krystalků. Tedy celkový fyzikální a chemický průběh ovlivňování vzniku oblaků ionizujícím kosmickým zářením.


Jako vhodné zařízení byla vybrána expanzní mlžná komora. Její aktivní objem bude mít tvar válce o výšce 50 cm a průměru 50 cm. Velice důležitá je velmi široká škála měřících přístrojů, které umožňují průběžné monitorování chemického a fyzikálního stavu náplně komory a probíhající procesy. Velice důležité jsou třeba velmi rychlá CCD zobrazovací zařízení velmi vysokým rozlišením, která jsou schopna pořídit až 12000 obrázků během méně než tří minutový interval. Dále pak třeba několik hmotnostních spektrometrů různých typů.

 

Zvětšit obrázek
Umístění experimentálního zařízení CLOUD na svazku urychlovače PS (zdroj: CERN)

 

 

Závěr

Experiment by měl přinést řadu velice zajímavých informací o procesech v zemské atmosféře, vytváření oblačnosti a vlivu kosmického záření na ně. Možné klimatické změny a otázky spojené s jejich zdroji jsou velice aktuálním a důležitým tématem. Spory, které se o nich vedou nejen mezi vědci, nemůže vyřešit nic jiného, než přesná a kvalitní experimentální měření. A taková by měl experiment CLOUD přinést. Budou velmi důležitým krokem ke zlepšování klimatických modelů a přínosem pro jejich věrohodnost. První výsledky se očekávají brzy po zahájení jeho provozu a podrobnější analýzy zhruba do roka. Očekává se, že by se zařízení mohlo intenzivně využívat zhruba dvacet let.



Autor: Vladimír Wagner
Datum: 18.11.2009 06:15
Tisk článku

Inkoustový mrak - Lomec František
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 150 Kč
cena: 112 Kč
Inkoustový mrak
Lomec František

Diskuze:

Graf nic neříká o vlivu kosmického záření na klima

Vladimír Wagner,2009-11-21 23:15:41

Vážený pane Jírovče, jak se zdá, tak tomu pořád nerozumíte. Intenzita galaktického záření a tedy i obsah radioaktivních prvků (i 10Be) je v antikorelaci se sluneční činnosti a proto je může Kutílek použít pro určení sluneční činnosti v minulosti. Graf Kutílka, který porovnává sluneční aktivitu (získanou pomocí 10Be či počtu slunečních skvrn) a globální teploty na Zemi, pouze ukazuje, že při vyšší sluneční aktivitě jsou vyšší teploty a při nižší sluneční aktivitě pak nižší teploty. Z grafu však nelze říci nic o tom, zda jsou za tím vlivem na klima změny sluneční činnost nebo změny intenzity galaktického záření. Nebo se uplatňují oba tyto vlivy. Vědět, jakou měrou se jednotlivé vlivy uplatňují a jakými mechanismy se realizují je kruciální pro hledání správného klimatického modelu a možnost předpovědi budoucího vývoje klimatu.

Odpovědět

sluneční aktivita a kosmické záření

Stanislav Jirovec,2009-11-21 21:46:17

Pane Wagnere, nechci už zdržovat. Rozumím tomu, co říkáte. Kosmické záření vyjádřené izotopem 10Be je anikorelaci se sluneční aktivitou. Nerozumím tomu, že tako "antikorelační křivka" (graf podle Kutílk) je křivkou podle Vás tedy kosmického záření a podle Kutílka izotop 10Be ukazuje sluneční aktivity a prakticky se shodují s průběhem teplot ( malá doba ledová a nárůst teplot od asi 1850). Proč se tedy řeší, to že nevíme jak kosmické záření ovlivňuje oblačnost a klima, když to graf ukazuje?

Odpovědět

Dotaz na pana Jírovce

Vladimír Wagner,2009-11-20 20:38:39

Musím se přiznat, že Vašemu poslednímu komentáři vůbec nerozumím. Co máte na mysli, když píšete "kosmické záření může být v podstatě stejné"? Vztah mezi sluneční činností a intenzitou galaktického kosmického záření (s energií výšší než stovky MeV)uvnitř Sluneční soustavy je velice dobře potvrzen kosmickými sondami jak v blízkosti Země tak v různých oblastech Sluneční soustavy. V průběhu slunečního cyklu se jeho intenzita mění několikanásobně. To, že radioaktivní prvky v atmosféře vznikají díky němu a jak, je velice dobře prověřeno (viz. ten článek http://www.osel.cz/index.php?clanek=4063 ). Proto se můžou využívat i pro studium sluneční aktivity v minulosti (viz antikorelace využita ve Vámi zmiňovaném grafu z Kutílka). Jinou věcí je, jestli má změna intenzity galaktického kosmického záření nějaký nezanedbatelný vliv na tvorbu oblačnosti a klima. Model Henrika Svensmarka je zatím pouze hypotezou a různé studie, které hledaly korelace mezi intenzitou kosmického záření a tvorbou oblačností jsou rozporuplné. A právě k získání relevantních dat pro posouzení tohoto vlivu má přispět i experiment CLOUD.

Odpovědět

sluneční aktivita byla nízká

Stanislav Jirovec,2009-11-20 17:38:13

Sluneční aktivita, ať ji měříme jakkoli, je vcelku shoda, že během malé doby ledové asi od třecetileté války byla malá aktivita Slunce a teplota nízká. Kutílkovy grafy to ukazují i podle počtu skvrn. Málo skvrn a chlad byl pozorován v době Galilea. Graf č. 7 na http://hledani.gnosis9.net/view.php?cisloclanku=2009040016
viz též:
http://zmeny-klima.ic.cz/skvrny-slunecni-a-klima.htm
Nechci se handrkovat s člověkem, který dělá v oboru, ale pořád zůstává možnost, kterou jsem uvedl, že kosmického záření může být vpodstatě stejně, ale skutečný dopad do atmosféry a vliv na oblaka atd. je omezen při vyšším slunečním větru, to je vyšší aktivitě Slunce, kdy je více skvrn.

Odpovědět

Poločas rozpadu berylia 10

Vladimír Wagner,2009-11-20 12:21:34

Ještě mě napadlo, že by někoho mohlo zarazit, že poločas rozpadu izotopu 10Be je zhruba 1,5 milionů let a my sledujeme vývoj jeho koncetrace v atmosféře v krátkodobém měřítku let. To souvisí s tím, že jeho vymívání z atmosféry deštěm a dalšími procesy je relativně velmi rychlé v řádu jednotek let. Pokud by byl u čtenářů Osla zájem, mohl bych podrobnější povídání o vzniku, transportu radionuklidů v přírodě a jejich využití pro datování či sledování historického vývoje různých parametrů na Zemi i ve vesmíru někdy v budoucnu napsat. Ale nevím, jestli by o to zájem byl.

Odpovědět

Jak je to s 10Be

Vladimír Wagner,2009-11-20 12:11:33

V obou grafech (jak u mého příspěvku tak u článku kolegy Kutílka) jde o stejný izotop berylia. Vysvětlení zdánlivého rozporu, o kterém mluví Stanislav Jirovec, je velmi jednoduché. Kolega Kutílek má ve svém grafu (popis osy ypsilon nalevo) narůstání radioaktivního berylia směrem dolů. Tedy jestliže jde jeho čára v grafu pro obsah berylia nahoru, samotný obsah berylia klesá (prostě tímto vyjadřuje antikorelaci mezi množstvím berylia a sluneční aktivitou). Tedy přesně to, o čem jsem psal. Zvyšování aktivity Slunce vede ke zvýšení množství slunečního větru a magnetických poruch, to vede k vytlačování galaktického kosmického záření a na Zemi se ho dostane méně a je tak méně radioaktivního berylia i uhlíku v atmosféře. Kosmického záření ze Slunce je sice více při větší sluneční aktivitě, ale má menší energii a většinou je zachyceno magnetickým polem Země a do atmosféry se ho tolik nedostane.

Odpovědět

sluneční aktivita

Stanislav Jirovec,2009-11-19 23:04:18

Sluneční aktivita roste ( z poměrů izotopů 10Be/9Be)celé 20. stletí a v trendu od r. 1700 ( graf podle prof.Kutílka : Racionálně o globálním oteplování). podobně roste i sluneční ozáření ( kolísá obecně 1362-1368 W/m2) viz graf 7 na
http://hledani.gnosis9.net/view.php?cisloclanku=2009040016.
Více sluneční aktivity = více slunečního větru ( částic ze Slunce)vede k většímu zychycení kosmického záření po cestě k Zemi. Čili dopadne kosmického záření méně, vytvoří se méně mraků, odrazí se méně do vesmíru a oteplí se.
Mám v tom trochu guláš, kosmické záření i sluneční aktivita se měří izotopy Be ( asi různými). Jednoduchá by byla logika, že kosmického záření je stejně, ale s rostoucí aktivitou slunce, dochází k většímu "srážení" kosmického záření.

Odpovědět

Jak je to s 14C ve dvacátém století

Vladimír Wagner,2009-11-18 23:45:26

Díky moc za upozornění. Někdy člověk považuje něco za tak známé, že na to zapomene upozornit a může to vést k špatným interpretacím. Na každé přednášce v části, která se týká uhlíkového datování, zdůrazňuji, že dat od padesátých let jsou na nic, protože jadernými zkouškami se obsah 14C úplně rozhodil. Teď jsem zapomněl zdůraznit, že graf i data z letokruhů jsou pouze do konce poloviny minulého století. Také jsem nezdůraznil, že není drastické jako drastické :-)) Zatímco všechny změny množství 14C do poloviny minulého století jsou v mezích dvou procent (20x10^-3), tak jaderné pokusy dokázaly zvýšit jeho obsah až skoro na dvojnásobek (tedy několik desítek procent). Je vidět, že některými globálními parametry atmosféry dokáže naše civilizace zahýbat drasticky. Napřed v druhé polovině devatenáctého století a první polovině dvacátého oproti předchozímu vývoji drastický pohyb dolů (ale pořád jen pod dvě procenta) díky spalování a pak opravdu drastický skok nahoru vlivem zkoušek jaderných zbraní (tentokrát téměř procent sto). Z pohledu změn způsobených zkouškami jaderných zbrání se opravdu do té doby obsah uhlíku 14C téměř neměnil. Jinak v článku zobrazená data o změnách obsahu 14C za poslední tisíciletí z letokruhů jsou tak podrobná také proto, že se intenzivně studují. Jsou důležitá pro kalibraci při datování archeologických artefaktů a bez nich by nebylo velmi přesné datování pomocí uhlíku 14C možné.

Odpovědět

obsah C14 ve 20. století?

Stanislav Brabec,2009-11-18 22:36:53

Článek píše o drastickém snižování obsahu C14 v letokruzích ve 20. století, a vysvětluje to činností člověka - vypouštěním fosilního CO2.

Studie odkazované na Wikipedii vykazují v druhé polovině 20. století drastický nárůst C14 v atmosféře, a vysvětlují to činností člověka - pokusnými atomovými výbuchy, s tím, že před rokem 1955 byla koncentrace téměř konstantní.
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-14

Co z toho je tedy vlastně pravda?

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni