خورشيد و اقليم زمين
نويسنده: کريستينا گريفانتيني
ترجمه: کيارا عباسي زاده اقدم
ترجمه: کيارا عباسي زاده اقدم
تغييرات در ميزان خروجي مواد و انرژي از خورشيد بر آب و هواي زمين به گونه اي اثر مي گذارد که دانشمندان هنوز در پي شناختن آن هستند.
از زمين، خورشيد به صورت قرص درخشان يکنواختي ديده مي شود که درخشش شديد آن سياره ما را گرم مي کند. اما اگر مي توانستيم درست بالاي اين گوي سوزان به پرواز درآييم، ديگ جوشاني از حباب هاي غول آسا مي ديديم. در اين درياي متلاطم از گازهاي 5500 درجه ي سانتي گرادي، گرداب هاي تاريکي پديدار مي شوند که از چند ساعت تا چندين ماه دوام مي آورند و به نظر مي رسد که به آرامي بر سطح خورشيد به گرد آن حرکت مي کنند.
از درون تلسکوپي فيلتردار و گاه بدون بزرگ نمايي، اين لکه هاي خورشيدي مثل مرکب پاشيده شده روي قرص روشن خورشيد جلوه مي کنند. پديدار و ناپديد شدن لکه ها، که چيزي بيش از آشفتگي ظاهري و سطحي است، اين فکر را به وجود مي آورد که خلق و خوي آشوبناک خورشيد ممکن است آب و هواي کره ي زمين را تحت تأثير قرار دهد.
در 30 سال گذشته، ماهواره ها به طور عميق تري چرخه ي مغناطيسي خورشيد را بررسي کرده اند. پروژه هاي مشترک اروپا با ناسا به نام رصدخانه ي خورشيدي و خورشيد کره اي (سوهو) اندازه گيري هايي بسيار دقيق و بي نظير از يک چرخه ي کامل 11 ساله صورت داده است. همچنين فضاپيماي ژاپني - آمريکايي هينوده از زمان پرتابش در شهريور 1385 / سپتامبر 2006 بعضي از دقيق ترين و با جزييات ترين تصاوير خورشيد را گرفته است.
ميدان مغناطيسي خورشيد، که در سرتاسر منظومه ي شمسي گسترش دارد، از فرآيندي مشابه کار دينام در درون خورشيد سرچشمه مي گيرد. شماري حرکت به کار اين دينام تداوم مي بخشند، از جمله چرخش خورشيد و جريان ماده از استوا به قطب ها. اين حرکات باعث مي شوند که حباب هايي از گاز داغ و باردار (پلاسما) به سمت سطح مرئي خورشيد (نورسپهر) بالا بيايند، به درون تاج گسترش يابند و ميدان هاي مغناطيسي موضعي ايجاد کند که دماي يک ناحيه را تغيير مي دهند. اين فرايند ها ميزان بيرون ده انرژي خورشيد را تغيير مي دهند. گرچه دانشمندان دينام را عامل چرخه هاي مغناطيسي خورشيد مي دانند، مدل سازي سازوکار پيچيده اي آن بسيار بغرنج است.
خطوط ميدان مغناطيسي معمولاً به هم مي پيوندند و در هم گره مي خورند. به اين ترتيب جلو جريان رو به بالاي انرژي را مي گيرند و موجب ايجاد لکه هاي خورشيدي مي شوند. از آن جا که لکه هاي خورشيدي مانع جريان انرژي از اعماق بيشتر مي شوند، چند هزار درجه سردتر از بقيه ي نقاط نور سپهرند و بنابراين نسبت به محيط اطراف خود تيره تر به نظر مي رسند.
گرچه لکه هاي خورشيدي نواحي اي با دماي کمترند، جالب است که حضور آن ها نشانگر پر انرژي تر بودن خورشيد است. طي بيشينه ي خورشيدي تعداد نواحي فعال روشن به نام مشعل و همچنين مناطقي به نام روشنه (پلاژ)، که دوروبر آن ها هستند، نيز افزايش مي يابد. افزايش انرژي خروجي از اين نواحي درخشان دو برابر انرژي کاهش يافته از لکه هاي خورشيدي است که باعث يک افزايش کلي درخشندگي طي بيشينه ي خورشيدي مي شود.
ماهواره ها نشان داده اند که خورشيد طي بيشينه ي چرخه تقريباً 0/1 درصد در نور مرئي درخشان تر مي شود و ميزان بسيار بيشتري انرژي در نور فرابنفش و پرتوهاي ايکس تابش مي کند که در جو بالايي کره ي زمين جذب مي شوند. نواحي فعالي که مسئول اين تغييرات اند همچنين سبب فوران هاي مغناطيسي اي مي شوند که در قسمت هاي بالاتر جو خورشيد شراره ها و فوران هاي جرمي تاج را توليد مي کنند.
گرچه به نظر مي رسد که تأثير اين اختلاف بر اقليم زمين ناچيز باشد، اما دانشمندان زمان شگفت آوري را در تاريخچه ي زمين معرفي مي کنند که در آن چند چرخه ي خورشيد متوالي رخ دادند که به طور نامعمولي کم لکه بودند. طي بيشينه ي خورشيدي سال 1614 ميلادي بيش از 100 لکه بر سطح خورشيد وجود داشت. اما بين سال هاي 1645 و 1715 ميلادي دوره ي ثابتي بود که در آن لکه هاي خورشيدي تقريباً حضور نداشتند. اين دوره به نام اخترشناس انگليسي، ادوارد ماندر که نخستين بار در سال 1893 با بررسي گذشته متوجه اين روند شد، مينيمم (کمينه ي) ماندر ناميده شده است. مدت کوتاهي پس از آن، کمينه ي دالتون آغاز شد که از حدود سال 1795 تا 1825 ميلادي ادامه داشت.
تقريباً در همين زمان، دوره هاي سرماي بسيار شديد به ويژه در شمال اروپا آن چنان بارز شدند که برخي محققين دوره ي زماني از حدود سال 1450 تا 1850 را «عصر يخبندان کوچک» ناميده اند. کميته ي ماندر هم زمان با سردترين بخش عصر يخبندان کوچک به وقوع پيوست - زماني که در بسياري از مناطق اروپا يخچال هاي طبيعي گسترش يافتند، تابستان هاي گرم رخ ندادند و رودخانه ها، بندرگاه ها و کانال هاي آب يخ زدند. شبيه سازي هاي اقليمي بر اساس بازسازي هاي دما حاکي از سرمايش جهاني به ميزان حدود 0/2 درجه ي سانتي گراد و در بعضي از بخش هاي اروپا يک درجه يا بيشتر بوده است.
کم بودن لکه هاي خورشيدي نشانگر غير فعال بودن خورشيد است، که کمينه هاي ماندر و دالتون فقط چند مثال اخير آن هستند. از آنجا که لکه هاي خورشيدي فقط از حدود سال 1610 ميلادي ثبت شده اند دانشمندان به سراغ اندازه گيري هاي غيرمستقيم ديگري رفته اند تا دريابند فعاليت خورشيدي طي هزاره ي اخير به چه ترتيب تغيير کرده است.
وقتي خورشيد از نظر مغناطيسي فعال است، باد خورشيدي قوي تر است و پرتوهاي کيهاني پر انرژي کهکشاني را که به طور پيوسته زمين را بمباران مي کنند، منحرف مي کند. بر عکس، وقتي فعاليت خورشيد کم انرژي تر است، پرتوهاي کيهاني بيشتري به جوّ زمين برخورد مي کنند و ايزوتوپ هايي چون کربن -14 و بريليوم-10 توليد مي کنند. اين ايزوتوپ ها سرانجام به ترتيب از حلقه هاي درختان و هسته هاي يخي سر در مي آورند. بررسيهايي که نشان مي داد بيشتر کربن -14 در حلقه هاي درختان جمع مي شود منجر به کشف کمينه ي اسپورر، از حدود سال 1450 تا 1550 ميلادي، شد که نشانگر آغاز عصر يخبندان کوچک بوده است.
به گفته ي فيزيک داني به نام جوديت لين (از آزمايشگاه تحقيقاتي نيروي دريايي آمريکا) که در زمينه ي ارتباط خورشيد و زمين کار مي کند: «ثبت هاي بريليوم و کربن در اين کمينه ها کمي گنگ و مبهم اند». ممکن است فراواني اين ايزوتوپ ها نه فقط تحت تأثير فعاليت خورشيدي بلکه متأثراز اقليم نيز باشد، بنابراين ثبت انجام شده سر راست نيست. آب و هواي محلي نيز ممکن است سبب تغييراتي شود.
همچنين مدل ساز آب و هوا به نام کريس اي. فورست (از MIT) چنين مي گويد: «هيچ فرآيند فيزيکي روشني وجود ندارد که بتوان به کمک آن سرمايش شديد جهاني را به صورت نتيجه ي کمينه ي ماندر توجيه کرد». اما او از افزايش فعاليت آتشفشاني با عنوان يک علت ممکن ياد مي کند. «سال بدون تابستان» اروپا و شمال آمريکا در 1816 ميلادي با فوران فاجعه آميز آتشفشان تامبورا در اندونزي در سال 1815 در ارتباط بود که صدها ميليون تن غبار، سنگ و ذرات منعکس کننده ي حرارت را به هوا وارد کرد. وقوع اين رويداد همچنين در خلال کمينه ي دالتون بود.
به گفته ي اقليم شناسي به نام مايکل مان (از دانشگاه ايالتي پن)، «عصر يخبندان کوچک را مي توان در مدل ها با ترکيبي از فعاليت آتشفشاني شديد و پايين آمدن نسبي انرژي خروجي خورشيد توجيه کرد. مدل ها پيش بيني مي کنند که وقتي انرژي خروجي خورشيد به ميزاني، که تصور مي کنيم در کمينه ي ماندر رخ داده، کاهش مي يابد. آن قدر بر جريان جِت استريم در اقيانوس اطلس شمالي تاثير دارد که مي تواند بخش هايي از اروپا را چند درجه ي سانتيگراد سردتر کند. گرچه همان ميزان تغيير در انرژي خروجي خورشيد دماهاي جهاني را فقط يک دهم اين مقدار سرد کرد».
توماس کارل، مدير مرکز ملي داده هاي اقليمي در اداره ي ملي مطالعات اقيانوسي و جوّي آمريکا، اضافه مي کند: «تاثير خورشيد بر اقليم کره ي زمين طي چند دهه ي گذشته بسيار اندک بوده است». اما او تصديق مي کند که چرخه هاي خورشيدي اهميت بالقوه زيادي دارند؛ همان طور که عصر يخبندان کوچک گواه آن است، يعني زماني که لکه هاي خورشيدي ناپديد شدند. «تفاسير زيادي براي داده ها وجود دارند، اما به هر حال شواهد بسيارخوبي وجود دارند حاکي از آن که تابندگي خورشيد کمتر بوده و نيز اين امر بر آب و هوا تاثير گذاشته است».
اما مدل هاي اقليمي نشان مي دهند که در مورد عصرهاي يخبندان بزرگ، مکانيک مداري گردش زمين به دور خورشيد و تغييرات تمايل محوري زمين مسئول افت و خيزهاي عمده در پيشروي هاي يخچال ها بوده است.
بازسازي هاي انجام شده از درخشندگي خورشيد بر اساس لکه هاي خورشيدي و مقادير ثبت شده ي ايزوتوپ ها، از ابتداي دهه ي 1900 ميلادي نشان مي دهند، اما بيشتر صاحب نظران مي گويند که اين روند پس از حوالي سال 1950/1329 به تدريج متوقف شده است. به جز سوهو، اندازه گيري تابندگي خورشيدي کل- يعني کلّ انرژي خورشيد در طول موج هاي مختلف - عمدتاً از مأموريت بيشينه ي خورشيدي، نيمبوس 7، ماهواره ي تحقيقاتي جو بالايي (UARS)، ماهواره ي کم هزينه ي تابش زمين (ERBS)، ماهواره ي ACRIMSAT و به ويژه مأموريت کنوني آزمايش اقليم و تابش خورشيدي (SORCE) - که تابش سنج هاي خورشيدي مدرني براي بررسي هم زمان انرژي کل و طيف دارد - به دست آمده است.
به گفته ي کارل: «از اواخر دهه ي 1970، افزايش دماي جهاني تقريباً ثابت و ميزان آن تقريباً 0/2 درجه ي سانتي گراد در هر دهه بوده است. از آن زمان تاکنون بر اساس اندازه گيري هاي مستقيم ماهواره ها تغيير کلي بسيار کوچکي در انرژي خورشيد مشاهده کرده ايم».
از آن جا که اين ماهواره ها اندازه گيري هاي مطلق انجام مي دهند، نتايج آن ها بايد با يکديگر مقايسه شود تا جا براي تفسير باز شود. به گفته ي لين، «اندازه گيري تابندگي کار دشواري است چون کميتي مطلق است. شما به ثابت بودن تابش سنج ها اعتماد مي کنيد و بايد آن ها را مدام تنظيم کنيد». پژوهشگران اميدوارند مقادير ثبت شده ي تابندگي طي مدت زمان طولاني را از SORCE و مأموريت هاي پس از آن GLORY و NPOESS که با خود تابش سنج خورشيدي حمل خواهند کرد به دست آورند. لين مي گويد: «نياز داريم بدانيم تابندگي چگونه از چرخه اي به چرخه ي ديگر تغيير مي کند و اين که آيا روندهاي بلند دوره واقعاً در حال رخ دادن هستند يا خير. بدون داده هاي بلند مدت، تأييد بازسازي هاي تاريخي تغييرات درخشندگي خورشيد، که پژوهشگران اقليم هم اکنون از آن ها استفاده مي کنند، ناممکن خواهد شد».
مدل هاي اقليمي افزايش اندک انرژي خروجي خورشيد در اوايل قرن بيستم را قطعاً به حساب مي آورند. به گفته ي مان: «مدل ها نشان مي دهند که عامل نيروهاي خورشيد مي تواند حدود 0/1 تا 0/2 درجه ي سانتي گراد از گرمايش در آن بازه ي زماني را توضيح دهد. از آن جا که ميزان خالص گرمايش نزديک به 1 درجه ي سانتي گراد است احتمالاً افزايش انرژي خورشيد فقط مي تواند حدود 20 درصد گرمايش قرن بيستم را توضيح دهد. اگر تاثيرات ناشي از عملکرد انسان را در مدل ها وارد نکنيد و فقط فعاليت خورشيدي و آتشفشاني را در نظر بگيريد، نخواهيد توانست گرمايش قرن بيستم را توجيه کنيد، بلکه کمي هم سرمايش به دست خواهد آورد!»
با در نظر گرفتن بازتابندگي و هندسه ي زمين، چرخه هاي خورشيدي اخير تغييري در حدود 0/2 وات بر متر مربع در سطح ايجاد کرده اند. مدل هاي اقليمي پيشرفته تر، در کنار اين گرمايش سطحي مستقيم، اثرات مربوط به تابش فرابنفش چرخه ي خورشيدي را نيز به صورت عاملي به حساب مي آورند. اما نشر گازهاي گلخانه اي به دست انسان منجر به افزايشي معادل 2/5 وات بر متر مربع از دوران ما قبل صنعتي تا به امروز شده است که فقط بخشي از آن، به وسيله ي سرمايش حدود 1 وات بر متر مربعي ناشي از ذرات صنعتي وارد شده به جوّ، جبران مي شود. در نتيجه، بيشتر مدل ها حاکي از آن اند که گرمايش محسوس قرن گذشته بيشتر حاصل عوامل انساني بوده است.
فرضيه اي بحث برانگيزتر درباره ي چگونگي تاثير فعاليت خورشيدي بر اقليم کره ي زمين، مربوط به باد خورشيدي است. فيزيک داني به نام هنريک سونسمارک (از مؤسسه ي فضايي ملي دانمارک) و عده اي ديگر پيشنهاد مي کنند که شايد يونيزاسيون بيشتر در گشت کره بر اثر پرتوهاي کيهاني، پوشش ابري را تحت تاثير قرار دهد. اين يونيزاسيون ممکن است باعث شکل گيري ابرهايي شود که گرما را به فضا باز مي تابانند. اين گروه تصور مي کند که وقتي فعاليت خورشيدي ضعيف تر است، پرتوهاي کيهاني بيشتري به زمين برخورد مي کنند و شکل گيري ابرها افزايش مي يابد که اين باعث کاهش گرمايي مي شود که به سطح زمين مي رسد.
اين گروه داده هاي مربوط به ماهواره ها و دستگاه هاي ردگير پرتوهاي کيهاني را مقايسه کرده است. آن ها در مؤسسه ي فضايي ملي دانمارک مشغول آزمودن فرضيه ي سونسمارکاست. به گفته ي آيگيل فريز کريستِنسِن، مدير اين مؤسسه، «ما ارتباطي ميان پرتوهاي کيهاني و ابرهاي پايين در چند کيلومتر اول گشت کره يافتيم.» پژوهش گران با ساختن يک اتاقک ابر مصنوعي، نشانه هايي يافتند مبني بر اين که يونيزاسيون ناشي از پرتوهاي کيهاني منجر به افزايش شکل گيري ذرات ايروسل بسيار ريز مي شود که پايه ي شکل گيري هسته هاي تراکم ابري در جو هستند. اين گروه هم اکنون در حال آزمودن فرضيه ي خود با تلاش براي به راه انداختن فرآيند شکل گيري ايروسل هاي بسيار ريز در يک معدن زغال سنگ متروک است، يعني جايي که هيچ پرتو کيهاني نمي تواند نفوذ کند.
قرار است ناسا در اوايل سال 2010 (زمستان 1388) رصدخانه ي ديناميک خورشيدي (SDO) را به فضا پرتاب کند. SDO به گونه اي تجهز شده است که به زير سطح خورشيد بنگرد، از لکه هاي خورشيدي تصويربرداري کند، و ميدان مغناطيسي خورشيد را اندازه بگيرد و نيز نخستين مأموريت در برنامه ي «زندگي با يک ستاره» ناسا براي درک بهتر تغييرپذيري خورشيد است. رصدخانه ي SDO از تاج خورشيد در گستره اي از دماها مربوط به فرابنفش فرين، شش بار در دقيقه به مدت 5 سال، تصويربرداري خواهد کرد.
کرِل شريور (از آزمايشگاه خورشيدي و اخترفيزيکي لاکهيد مارتين) که در ساخت SDO همکاري کرده است، مي گويد: «اين طرح پروژه ي مهم بعدي است و هزار برابر داده ي بيشتري به دست خواهد داد». گرچه SDO تابندگي خورشيدي را اندازه نخواهد گرفت، به ثبت تابش فرابنفش فرين و پرتوهاي ايکس خورشيد، که جوّ بالايي زمين را گرم مي کند، مي پردازد.
دانشمندان تابندگي کل خورشيد را فقط در 2 چرخه ي خورشيدي اخير به طور کامل اندازه گرفته اند. جالب است که به گفته ي لين: «تغييرات تابندگي در چرخه ي 23 (که اکنون در حال تمام شدن است) تقريباً مشابه چرخه ي 22 بود، در حالي که تعداد لکه هاي خورشيدي متفاوت بوده است».
مشعل هاي وابسته نيز منبع تغييرات تابندگي اند و لکه هاي خورشيدي به تنهايي نشان گرهاي ناقصي از چرخه ي خورشيدي به شمار مي آيند. براي آن که دانشمندان دريابند چگونه کمينه ي ماندر بر اقليم تاثير داشته، بايد بدانند که چه اتفاقي براي مشعل ها رخ داده است، اما چنين اطلاعات ثبت شده اي وجود ندارد. به گفته ي لين: «کليد حل مسئله، درک چرخه ي فعاليت خورشيد است که ميدان مغناطيسي ايجاد مي کند. ما از لکه هاي خورشيدي به صورت نشان گرهاي کلي استفاده مي کنيم، اما واقعاً بايد پديده هاي مرتبط ديگر - مثل مشعل هاي درخشان - را نيز درک کنيم. فعاليت خورشيدي ممکن است تغيير کند، اما اين نسبت لکه ها به مشعل هاست که تعيين مي کند تابندگي چگونه تغيير مي کند». هنگامي که دانشمندان دريابند تابندگي چگونه از چرخه اي به چرخه ي ديگر تغيير مي کند، مي فهمند که آيا روندهاي بلند دوره تري نيز وجود دارند يا خير.
به گفته ي يي-مينگ وانگ (از آزمايشگاه تحقيقاتي نيروي دريايي آمريکا)، اين نتايج بالقوه هيجان انگيزند، اما در ضمن هشدار مي دهد که ما هنوز در بخش پاييني چرخه ي 23 هستيم و اندازه گيري هاي بيشتري طي بيشينه ي خورشيدي بعدي مورد نياز است تا بتوان روند بلند دوره ي تغييرات مربوط به چرخه ي خورشيدي را بازشناخت.
پيش بيني ها در اين باره که در چرخه ي بعد که حوالي سال 2012/1391 اوج خوهد گرفت چه رخ مي دهد با هم متفاوت است. برخي فيزيک دانان خورشيدي پيش بيني مي کنند که چرخه ي آينده يکي از شديدترين چرخه هاي ثبت شده باشد. برخي ديگر ادعا مي کنند که اين چرخه به طرز نامعمولي خفيف خواهد بود. اصلاح درک ما از چرخه ي خورشيدي و بررسي دقيق تر خورشيد ممکن است در نهايت به تعيين - و شايد پيش بيني - اين کمک کند که خورشيد متغير ما چه پيامدهايي براي کره ي زمين خواهد داشت.
منبع: نشريه نجوم، شماره 192.
از زمين، خورشيد به صورت قرص درخشان يکنواختي ديده مي شود که درخشش شديد آن سياره ما را گرم مي کند. اما اگر مي توانستيم درست بالاي اين گوي سوزان به پرواز درآييم، ديگ جوشاني از حباب هاي غول آسا مي ديديم. در اين درياي متلاطم از گازهاي 5500 درجه ي سانتي گرادي، گرداب هاي تاريکي پديدار مي شوند که از چند ساعت تا چندين ماه دوام مي آورند و به نظر مي رسد که به آرامي بر سطح خورشيد به گرد آن حرکت مي کنند.
از درون تلسکوپي فيلتردار و گاه بدون بزرگ نمايي، اين لکه هاي خورشيدي مثل مرکب پاشيده شده روي قرص روشن خورشيد جلوه مي کنند. پديدار و ناپديد شدن لکه ها، که چيزي بيش از آشفتگي ظاهري و سطحي است، اين فکر را به وجود مي آورد که خلق و خوي آشوبناک خورشيد ممکن است آب و هواي کره ي زمين را تحت تأثير قرار دهد.
آتش در آسمان
در 30 سال گذشته، ماهواره ها به طور عميق تري چرخه ي مغناطيسي خورشيد را بررسي کرده اند. پروژه هاي مشترک اروپا با ناسا به نام رصدخانه ي خورشيدي و خورشيد کره اي (سوهو) اندازه گيري هايي بسيار دقيق و بي نظير از يک چرخه ي کامل 11 ساله صورت داده است. همچنين فضاپيماي ژاپني - آمريکايي هينوده از زمان پرتابش در شهريور 1385 / سپتامبر 2006 بعضي از دقيق ترين و با جزييات ترين تصاوير خورشيد را گرفته است.
ميدان مغناطيسي خورشيد، که در سرتاسر منظومه ي شمسي گسترش دارد، از فرآيندي مشابه کار دينام در درون خورشيد سرچشمه مي گيرد. شماري حرکت به کار اين دينام تداوم مي بخشند، از جمله چرخش خورشيد و جريان ماده از استوا به قطب ها. اين حرکات باعث مي شوند که حباب هايي از گاز داغ و باردار (پلاسما) به سمت سطح مرئي خورشيد (نورسپهر) بالا بيايند، به درون تاج گسترش يابند و ميدان هاي مغناطيسي موضعي ايجاد کند که دماي يک ناحيه را تغيير مي دهند. اين فرايند ها ميزان بيرون ده انرژي خورشيد را تغيير مي دهند. گرچه دانشمندان دينام را عامل چرخه هاي مغناطيسي خورشيد مي دانند، مدل سازي سازوکار پيچيده اي آن بسيار بغرنج است.
خطوط ميدان مغناطيسي معمولاً به هم مي پيوندند و در هم گره مي خورند. به اين ترتيب جلو جريان رو به بالاي انرژي را مي گيرند و موجب ايجاد لکه هاي خورشيدي مي شوند. از آن جا که لکه هاي خورشيدي مانع جريان انرژي از اعماق بيشتر مي شوند، چند هزار درجه سردتر از بقيه ي نقاط نور سپهرند و بنابراين نسبت به محيط اطراف خود تيره تر به نظر مي رسند.
گرچه لکه هاي خورشيدي نواحي اي با دماي کمترند، جالب است که حضور آن ها نشانگر پر انرژي تر بودن خورشيد است. طي بيشينه ي خورشيدي تعداد نواحي فعال روشن به نام مشعل و همچنين مناطقي به نام روشنه (پلاژ)، که دوروبر آن ها هستند، نيز افزايش مي يابد. افزايش انرژي خروجي از اين نواحي درخشان دو برابر انرژي کاهش يافته از لکه هاي خورشيدي است که باعث يک افزايش کلي درخشندگي طي بيشينه ي خورشيدي مي شود.
ماهواره ها نشان داده اند که خورشيد طي بيشينه ي چرخه تقريباً 0/1 درصد در نور مرئي درخشان تر مي شود و ميزان بسيار بيشتري انرژي در نور فرابنفش و پرتوهاي ايکس تابش مي کند که در جو بالايي کره ي زمين جذب مي شوند. نواحي فعالي که مسئول اين تغييرات اند همچنين سبب فوران هاي مغناطيسي اي مي شوند که در قسمت هاي بالاتر جو خورشيد شراره ها و فوران هاي جرمي تاج را توليد مي کنند.
عصر يخبندان کوچک
گرچه به نظر مي رسد که تأثير اين اختلاف بر اقليم زمين ناچيز باشد، اما دانشمندان زمان شگفت آوري را در تاريخچه ي زمين معرفي مي کنند که در آن چند چرخه ي خورشيد متوالي رخ دادند که به طور نامعمولي کم لکه بودند. طي بيشينه ي خورشيدي سال 1614 ميلادي بيش از 100 لکه بر سطح خورشيد وجود داشت. اما بين سال هاي 1645 و 1715 ميلادي دوره ي ثابتي بود که در آن لکه هاي خورشيدي تقريباً حضور نداشتند. اين دوره به نام اخترشناس انگليسي، ادوارد ماندر که نخستين بار در سال 1893 با بررسي گذشته متوجه اين روند شد، مينيمم (کمينه ي) ماندر ناميده شده است. مدت کوتاهي پس از آن، کمينه ي دالتون آغاز شد که از حدود سال 1795 تا 1825 ميلادي ادامه داشت.
تقريباً در همين زمان، دوره هاي سرماي بسيار شديد به ويژه در شمال اروپا آن چنان بارز شدند که برخي محققين دوره ي زماني از حدود سال 1450 تا 1850 را «عصر يخبندان کوچک» ناميده اند. کميته ي ماندر هم زمان با سردترين بخش عصر يخبندان کوچک به وقوع پيوست - زماني که در بسياري از مناطق اروپا يخچال هاي طبيعي گسترش يافتند، تابستان هاي گرم رخ ندادند و رودخانه ها، بندرگاه ها و کانال هاي آب يخ زدند. شبيه سازي هاي اقليمي بر اساس بازسازي هاي دما حاکي از سرمايش جهاني به ميزان حدود 0/2 درجه ي سانتي گراد و در بعضي از بخش هاي اروپا يک درجه يا بيشتر بوده است.
کم بودن لکه هاي خورشيدي نشانگر غير فعال بودن خورشيد است، که کمينه هاي ماندر و دالتون فقط چند مثال اخير آن هستند. از آنجا که لکه هاي خورشيدي فقط از حدود سال 1610 ميلادي ثبت شده اند دانشمندان به سراغ اندازه گيري هاي غيرمستقيم ديگري رفته اند تا دريابند فعاليت خورشيدي طي هزاره ي اخير به چه ترتيب تغيير کرده است.
وقتي خورشيد از نظر مغناطيسي فعال است، باد خورشيدي قوي تر است و پرتوهاي کيهاني پر انرژي کهکشاني را که به طور پيوسته زمين را بمباران مي کنند، منحرف مي کند. بر عکس، وقتي فعاليت خورشيد کم انرژي تر است، پرتوهاي کيهاني بيشتري به جوّ زمين برخورد مي کنند و ايزوتوپ هايي چون کربن -14 و بريليوم-10 توليد مي کنند. اين ايزوتوپ ها سرانجام به ترتيب از حلقه هاي درختان و هسته هاي يخي سر در مي آورند. بررسيهايي که نشان مي داد بيشتر کربن -14 در حلقه هاي درختان جمع مي شود منجر به کشف کمينه ي اسپورر، از حدود سال 1450 تا 1550 ميلادي، شد که نشانگر آغاز عصر يخبندان کوچک بوده است.
به گفته ي فيزيک داني به نام جوديت لين (از آزمايشگاه تحقيقاتي نيروي دريايي آمريکا) که در زمينه ي ارتباط خورشيد و زمين کار مي کند: «ثبت هاي بريليوم و کربن در اين کمينه ها کمي گنگ و مبهم اند». ممکن است فراواني اين ايزوتوپ ها نه فقط تحت تأثير فعاليت خورشيدي بلکه متأثراز اقليم نيز باشد، بنابراين ثبت انجام شده سر راست نيست. آب و هواي محلي نيز ممکن است سبب تغييراتي شود.
همچنين مدل ساز آب و هوا به نام کريس اي. فورست (از MIT) چنين مي گويد: «هيچ فرآيند فيزيکي روشني وجود ندارد که بتوان به کمک آن سرمايش شديد جهاني را به صورت نتيجه ي کمينه ي ماندر توجيه کرد». اما او از افزايش فعاليت آتشفشاني با عنوان يک علت ممکن ياد مي کند. «سال بدون تابستان» اروپا و شمال آمريکا در 1816 ميلادي با فوران فاجعه آميز آتشفشان تامبورا در اندونزي در سال 1815 در ارتباط بود که صدها ميليون تن غبار، سنگ و ذرات منعکس کننده ي حرارت را به هوا وارد کرد. وقوع اين رويداد همچنين در خلال کمينه ي دالتون بود.
به گفته ي اقليم شناسي به نام مايکل مان (از دانشگاه ايالتي پن)، «عصر يخبندان کوچک را مي توان در مدل ها با ترکيبي از فعاليت آتشفشاني شديد و پايين آمدن نسبي انرژي خروجي خورشيد توجيه کرد. مدل ها پيش بيني مي کنند که وقتي انرژي خروجي خورشيد به ميزاني، که تصور مي کنيم در کمينه ي ماندر رخ داده، کاهش مي يابد. آن قدر بر جريان جِت استريم در اقيانوس اطلس شمالي تاثير دارد که مي تواند بخش هايي از اروپا را چند درجه ي سانتيگراد سردتر کند. گرچه همان ميزان تغيير در انرژي خروجي خورشيد دماهاي جهاني را فقط يک دهم اين مقدار سرد کرد».
توماس کارل، مدير مرکز ملي داده هاي اقليمي در اداره ي ملي مطالعات اقيانوسي و جوّي آمريکا، اضافه مي کند: «تاثير خورشيد بر اقليم کره ي زمين طي چند دهه ي گذشته بسيار اندک بوده است». اما او تصديق مي کند که چرخه هاي خورشيدي اهميت بالقوه زيادي دارند؛ همان طور که عصر يخبندان کوچک گواه آن است، يعني زماني که لکه هاي خورشيدي ناپديد شدند. «تفاسير زيادي براي داده ها وجود دارند، اما به هر حال شواهد بسيارخوبي وجود دارند حاکي از آن که تابندگي خورشيد کمتر بوده و نيز اين امر بر آب و هوا تاثير گذاشته است».
اما مدل هاي اقليمي نشان مي دهند که در مورد عصرهاي يخبندان بزرگ، مکانيک مداري گردش زمين به دور خورشيد و تغييرات تمايل محوري زمين مسئول افت و خيزهاي عمده در پيشروي هاي يخچال ها بوده است.
فعاليت خورشيدي و اقليم امروزي
بازسازي هاي انجام شده از درخشندگي خورشيد بر اساس لکه هاي خورشيدي و مقادير ثبت شده ي ايزوتوپ ها، از ابتداي دهه ي 1900 ميلادي نشان مي دهند، اما بيشتر صاحب نظران مي گويند که اين روند پس از حوالي سال 1950/1329 به تدريج متوقف شده است. به جز سوهو، اندازه گيري تابندگي خورشيدي کل- يعني کلّ انرژي خورشيد در طول موج هاي مختلف - عمدتاً از مأموريت بيشينه ي خورشيدي، نيمبوس 7، ماهواره ي تحقيقاتي جو بالايي (UARS)، ماهواره ي کم هزينه ي تابش زمين (ERBS)، ماهواره ي ACRIMSAT و به ويژه مأموريت کنوني آزمايش اقليم و تابش خورشيدي (SORCE) - که تابش سنج هاي خورشيدي مدرني براي بررسي هم زمان انرژي کل و طيف دارد - به دست آمده است.
به گفته ي کارل: «از اواخر دهه ي 1970، افزايش دماي جهاني تقريباً ثابت و ميزان آن تقريباً 0/2 درجه ي سانتي گراد در هر دهه بوده است. از آن زمان تاکنون بر اساس اندازه گيري هاي مستقيم ماهواره ها تغيير کلي بسيار کوچکي در انرژي خورشيد مشاهده کرده ايم».
از آن جا که اين ماهواره ها اندازه گيري هاي مطلق انجام مي دهند، نتايج آن ها بايد با يکديگر مقايسه شود تا جا براي تفسير باز شود. به گفته ي لين، «اندازه گيري تابندگي کار دشواري است چون کميتي مطلق است. شما به ثابت بودن تابش سنج ها اعتماد مي کنيد و بايد آن ها را مدام تنظيم کنيد». پژوهشگران اميدوارند مقادير ثبت شده ي تابندگي طي مدت زمان طولاني را از SORCE و مأموريت هاي پس از آن GLORY و NPOESS که با خود تابش سنج خورشيدي حمل خواهند کرد به دست آورند. لين مي گويد: «نياز داريم بدانيم تابندگي چگونه از چرخه اي به چرخه ي ديگر تغيير مي کند و اين که آيا روندهاي بلند دوره واقعاً در حال رخ دادن هستند يا خير. بدون داده هاي بلند مدت، تأييد بازسازي هاي تاريخي تغييرات درخشندگي خورشيد، که پژوهشگران اقليم هم اکنون از آن ها استفاده مي کنند، ناممکن خواهد شد».
مدل هاي اقليمي افزايش اندک انرژي خروجي خورشيد در اوايل قرن بيستم را قطعاً به حساب مي آورند. به گفته ي مان: «مدل ها نشان مي دهند که عامل نيروهاي خورشيد مي تواند حدود 0/1 تا 0/2 درجه ي سانتي گراد از گرمايش در آن بازه ي زماني را توضيح دهد. از آن جا که ميزان خالص گرمايش نزديک به 1 درجه ي سانتي گراد است احتمالاً افزايش انرژي خورشيد فقط مي تواند حدود 20 درصد گرمايش قرن بيستم را توضيح دهد. اگر تاثيرات ناشي از عملکرد انسان را در مدل ها وارد نکنيد و فقط فعاليت خورشيدي و آتشفشاني را در نظر بگيريد، نخواهيد توانست گرمايش قرن بيستم را توجيه کنيد، بلکه کمي هم سرمايش به دست خواهد آورد!»
با در نظر گرفتن بازتابندگي و هندسه ي زمين، چرخه هاي خورشيدي اخير تغييري در حدود 0/2 وات بر متر مربع در سطح ايجاد کرده اند. مدل هاي اقليمي پيشرفته تر، در کنار اين گرمايش سطحي مستقيم، اثرات مربوط به تابش فرابنفش چرخه ي خورشيدي را نيز به صورت عاملي به حساب مي آورند. اما نشر گازهاي گلخانه اي به دست انسان منجر به افزايشي معادل 2/5 وات بر متر مربع از دوران ما قبل صنعتي تا به امروز شده است که فقط بخشي از آن، به وسيله ي سرمايش حدود 1 وات بر متر مربعي ناشي از ذرات صنعتي وارد شده به جوّ، جبران مي شود. در نتيجه، بيشتر مدل ها حاکي از آن اند که گرمايش محسوس قرن گذشته بيشتر حاصل عوامل انساني بوده است.
فرضيه اي بحث برانگيزتر درباره ي چگونگي تاثير فعاليت خورشيدي بر اقليم کره ي زمين، مربوط به باد خورشيدي است. فيزيک داني به نام هنريک سونسمارک (از مؤسسه ي فضايي ملي دانمارک) و عده اي ديگر پيشنهاد مي کنند که شايد يونيزاسيون بيشتر در گشت کره بر اثر پرتوهاي کيهاني، پوشش ابري را تحت تاثير قرار دهد. اين يونيزاسيون ممکن است باعث شکل گيري ابرهايي شود که گرما را به فضا باز مي تابانند. اين گروه تصور مي کند که وقتي فعاليت خورشيدي ضعيف تر است، پرتوهاي کيهاني بيشتري به زمين برخورد مي کنند و شکل گيري ابرها افزايش مي يابد که اين باعث کاهش گرمايي مي شود که به سطح زمين مي رسد.
اين گروه داده هاي مربوط به ماهواره ها و دستگاه هاي ردگير پرتوهاي کيهاني را مقايسه کرده است. آن ها در مؤسسه ي فضايي ملي دانمارک مشغول آزمودن فرضيه ي سونسمارکاست. به گفته ي آيگيل فريز کريستِنسِن، مدير اين مؤسسه، «ما ارتباطي ميان پرتوهاي کيهاني و ابرهاي پايين در چند کيلومتر اول گشت کره يافتيم.» پژوهش گران با ساختن يک اتاقک ابر مصنوعي، نشانه هايي يافتند مبني بر اين که يونيزاسيون ناشي از پرتوهاي کيهاني منجر به افزايش شکل گيري ذرات ايروسل بسيار ريز مي شود که پايه ي شکل گيري هسته هاي تراکم ابري در جو هستند. اين گروه هم اکنون در حال آزمودن فرضيه ي خود با تلاش براي به راه انداختن فرآيند شکل گيري ايروسل هاي بسيار ريز در يک معدن زغال سنگ متروک است، يعني جايي که هيچ پرتو کيهاني نمي تواند نفوذ کند.
نگاهي به آينده
قرار است ناسا در اوايل سال 2010 (زمستان 1388) رصدخانه ي ديناميک خورشيدي (SDO) را به فضا پرتاب کند. SDO به گونه اي تجهز شده است که به زير سطح خورشيد بنگرد، از لکه هاي خورشيدي تصويربرداري کند، و ميدان مغناطيسي خورشيد را اندازه بگيرد و نيز نخستين مأموريت در برنامه ي «زندگي با يک ستاره» ناسا براي درک بهتر تغييرپذيري خورشيد است. رصدخانه ي SDO از تاج خورشيد در گستره اي از دماها مربوط به فرابنفش فرين، شش بار در دقيقه به مدت 5 سال، تصويربرداري خواهد کرد.
کرِل شريور (از آزمايشگاه خورشيدي و اخترفيزيکي لاکهيد مارتين) که در ساخت SDO همکاري کرده است، مي گويد: «اين طرح پروژه ي مهم بعدي است و هزار برابر داده ي بيشتري به دست خواهد داد». گرچه SDO تابندگي خورشيدي را اندازه نخواهد گرفت، به ثبت تابش فرابنفش فرين و پرتوهاي ايکس خورشيد، که جوّ بالايي زمين را گرم مي کند، مي پردازد.
دانشمندان تابندگي کل خورشيد را فقط در 2 چرخه ي خورشيدي اخير به طور کامل اندازه گرفته اند. جالب است که به گفته ي لين: «تغييرات تابندگي در چرخه ي 23 (که اکنون در حال تمام شدن است) تقريباً مشابه چرخه ي 22 بود، در حالي که تعداد لکه هاي خورشيدي متفاوت بوده است».
مشعل هاي وابسته نيز منبع تغييرات تابندگي اند و لکه هاي خورشيدي به تنهايي نشان گرهاي ناقصي از چرخه ي خورشيدي به شمار مي آيند. براي آن که دانشمندان دريابند چگونه کمينه ي ماندر بر اقليم تاثير داشته، بايد بدانند که چه اتفاقي براي مشعل ها رخ داده است، اما چنين اطلاعات ثبت شده اي وجود ندارد. به گفته ي لين: «کليد حل مسئله، درک چرخه ي فعاليت خورشيد است که ميدان مغناطيسي ايجاد مي کند. ما از لکه هاي خورشيدي به صورت نشان گرهاي کلي استفاده مي کنيم، اما واقعاً بايد پديده هاي مرتبط ديگر - مثل مشعل هاي درخشان - را نيز درک کنيم. فعاليت خورشيدي ممکن است تغيير کند، اما اين نسبت لکه ها به مشعل هاست که تعيين مي کند تابندگي چگونه تغيير مي کند». هنگامي که دانشمندان دريابند تابندگي چگونه از چرخه اي به چرخه ي ديگر تغيير مي کند، مي فهمند که آيا روندهاي بلند دوره تري نيز وجود دارند يا خير.
چرخه ي بعدي
به گفته ي يي-مينگ وانگ (از آزمايشگاه تحقيقاتي نيروي دريايي آمريکا)، اين نتايج بالقوه هيجان انگيزند، اما در ضمن هشدار مي دهد که ما هنوز در بخش پاييني چرخه ي 23 هستيم و اندازه گيري هاي بيشتري طي بيشينه ي خورشيدي بعدي مورد نياز است تا بتوان روند بلند دوره ي تغييرات مربوط به چرخه ي خورشيدي را بازشناخت.
پيش بيني ها در اين باره که در چرخه ي بعد که حوالي سال 2012/1391 اوج خوهد گرفت چه رخ مي دهد با هم متفاوت است. برخي فيزيک دانان خورشيدي پيش بيني مي کنند که چرخه ي آينده يکي از شديدترين چرخه هاي ثبت شده باشد. برخي ديگر ادعا مي کنند که اين چرخه به طرز نامعمولي خفيف خواهد بود. اصلاح درک ما از چرخه ي خورشيدي و بررسي دقيق تر خورشيد ممکن است در نهايت به تعيين - و شايد پيش بيني - اين کمک کند که خورشيد متغير ما چه پيامدهايي براي کره ي زمين خواهد داشت.
کمينه ي ماندر بعدي؟
منبع: نشريه نجوم، شماره 192.
