Kuula samal teemal: Toomas Jüriado intervjuu KALJU EERMEga
KUKU raadio 9. oktoobri saates Loodusajakiri
Päikese aktiivsus on mitme hiljutise tsükli vältel kõrge olnud. Nüüd ilmuvad teated aktiivsuse languse kohta, millega käivad kaasas ennustused kliima jahenemisest kõige dramaatilisemates variantides kuni uue väikese jääaja tulekuni. Seetõttu on kohane arutleda natuke Päikese aktiivsusest üldse ja protsessidest, mille kaudu Päike saab mõjutada Maa kliimat. Mõju vahetalitajateks on Päikese ultraviolettkiirgus, kosmilised kiired ja mõlema, nii Päikese kui Maa magnetväli.
Päike on õnneks väga rahulik täht ning midagi katastroofilist ei ole temast oodata. Sellegipoolest ei kulge protsessid meie kodutähe sisemuses ja välispinnal päris ühetaoliselt. Muutlikkus avaldub kõige ilmekamalt Päikese pinnal paiknevate tumedate moodustiste ehk päikeseplekkide arvu ja pindala muutumise kaudu. Kaasnevad ka muud ilmingud, kuid päikeseplekid on kõige kergemini jälgitavad.
Päikese aktiivsust saab mõõta plekkide, süsiniku ja berülliumiga
Päikeseplekid on madalama temperatuuriga tumedamad alad päikesekettal, kus tugevad magnetväljad takistavad granulatsioonina avalduvat konvektsiooni Päikese väliskihtides ja soodustavad lokaalselt pinnakihtide jahtumist. Madalama temperatuuri tõttu näibki päikeseplekk normaalsest pinnast tumedamana. Päikeseplekkide arvukama esinemise aegadel on Päike rahutum ka teiste näitajate poolest. Teda ümbritsev magnetväli on siis korrapäratuma kujuga ja sagedasemad on ioniseeritud gaasi väljapurskumised.
Suuremaid päikeseplekkide kogumeid õnnestub vaadelda isegi palja silmaga ning seda on tehtud juba õige ammustel aegadel. Vanimad tähelepanekud päikeseplekkide kohta on kaudselt teada Hiinast koguni 2800 aasta eest. Keskaja Euroopas paljude poolt tähele pandud eriti suurt päikeseplekki tõlgendati hiljem kui Karl Suure surma ettekuulutajat. Karl Suur suri aastal 814, varaseimad tänini säilinud päikeseplekkide ülestähendused pärinevad kolm sajandit hilisemast ajast, aastast 1128. Teleskoopide ajastul, viimase 400 aasta jooksul, on nende jälgimise võimalus oluliselt avardunud.
Kaudsete andmete põhjal on Päikese tsüklilist aktiivsust tagasiulatuvalt rekonstrueeritud kuni 11 400 aasta ulatuses. Aluseks on olnud säilinud puutüvede aastaringides salvestunud radiosüsinik. Päikese nõrgema aktiivsuse aegadel pääsevad süsiniku radioaktiivse isotoobi 14C teket põhjustavad Galaktika avarustest pärit suure energiaga kosmilised kiired kergemini maapinnani. Puu võtab õhust süsihappegaasi, ja kui radioaktiivset isotoopi on rohkem, siis salvestub seda rohkem ka kasvavatesse kudedesse. Pärast puu surma süsiniku juurdevool lakkab ning 14C sisaldus kahaneb kaks korda iga järgneva 5570 aasta jooksul.
Päikese aktiivsuse rekonstrueerimisel kasutatakse ka kosmiliste kiirte mõjul tekkinud radioaktiivse berülliumi isotoobi 10Be, pooleaga 1,51 miljonit aastat, sisaldust pinnase ülemistes kihtides, kuhu see on atmosfäärist sadestunud. Päikese aktiivsuse rekonstrueeritud käik viimasel 600 aastal päikeseplekkide aastase arvu ja pinnase berülliumisisalduse muutumise põhjal on kujutatud joonisel (vt trükinumbris).
Kõrge aktiivsus langetab nisu hinda
Vähemalt viimased kakssada aastat on otsitud seoseid maapealse ilma ja Päikese aktiivsuse vahel.
Esmakordselt juba aastal 1801 juhtis kuulus astronoom William Herschel (1738-1822) tähelepanu päikeseplekkide arvu ja nisu hinna vahelisele negatiivsele korrelatsioonile. Päikese kõrge aktiivsuse ajal kippus nisu hind langema, madala aktiivsuse ajal aga tõusma. Selle seose juurde pöördusid mitmed autorid 19. sajandi jooksul korduvalt tagasi ning küsimusega tegeletakse jätkuvalt tänapäevalgi.
Nisuhinna tõusu põhjuseks on kas põuast või siis liigsest niiskusest ja vähesest päikesekiirgusest tingitud kehv saak. Nisu kerkis hind korduvalt kõrgustesse aastatel 1795-1820. See ajavahemik kattub enam-vähem Päikese kahe järjestikuse madala aktiivsusega tsükliga, mida kokku on Inglise loodusteadlase John Daltoni (1766-1844) järgi nimetatud Daltoni miinimumiks. Üks kõrgetest tippudest langeb kokku Tambora vulkaani 1815. aasta purske järgse aastaga, mis sai Euroopas laiemalt tuntuks kui aasta ilma suveta. Nimetatud suve halba ilma ei ole põhjust Päikese süüks panna, kuid teiste hinnatippude seos Päikese aktiivsusega näib küll paika pidavat. Hinna mõõdukam kõikumine 18. sajandi teisel poolel ja suurele hinnahüppele järgnenud kümnenditel on mõnel puhul tõesti üsna hästi vastasfaasis Päikese aktiivsusega. Selguse saamiseks ei piisa mõistagi ainult statistilise korrelatsiooni arvutamisest, vaid tuleb teada saada, millised looduslikud mehhanismid võiksid nende seoste taga peituda.
Kliima pole muutunud kunagi ühes suunas
Aga esmalt tuleb koostada nii Päikese aktiivsust iseloomustavate suuruste kui maapealse kliima karakteristikute aegread ning täpsemalt vaadata, millal midagi juhtus, ning püüda mõista, miks nii võis juhtuda.
Rekonstrueeritud radiosüsiniku dendrokronoloogia alusel on leitud, et viimase 70 aasta jooksul täheldatud Päikese kõrge aktiivsus on pigem haruldane kui tüüpiline. Sama kõrge võis tema aktiivsus olla viimati 7000 või 8000 aastat tagasi, ja üldse veedab Päike nii kõrge aktiivsusega seisundis vaid mõne protsendi ajast. Praegusega võrreldes ekstreemselt madal Päikese aktiivsus esines Inglise astronoomi Edward W. Maunderi (1851-1928) järgi Maunderi miinimumiks nimetatud perioodil 1645-1715, mil päikeseplekke nähti õige harva.
Nagu teadmised Päikese aktiivsuse kohta, toetuvad ka teadmised mineviku kliima kohta rekonstruktsioonidele. Regulaarselt mõõdetud meteoroloogiliste andmete aegread on kogutud põhiliselt paaril viimasel sajandil. Meteoroloogilisi mõõtmisi on üksikutes kohtades tehtud küll juba 17. sajandi teisel poolel, enamasti on nendega aga alustatud millalgi 19. sajandil ning paljudes kohtades veelgi hiljem. Kuni päris hiljutise satelliitide ajastuni katavad meteoroloogiliste mõõtmiste andmed maakera ka väga ebaühtlaselt. Eriti vähe on neid ookeanide kohal.
Põhiliselt on rekonstrueerida üritatud globaalse keskmise temperatuuri muutumist, kasutades kõiki kättesaadavaid ülestähendusi ja märke, alates kirjalikest allikatest kuni looduses säilinud jälgedeni. Kindlalt on selgeks saanud, et kliima pole muutunud kunagi pikka aega ühes suunas, vaid pigem kõikunud, kord soojenedes, kord jahtudes. Ka viimase aja soojadel perioodidel pole kunagi olnud ainult soe ega külmadel ainult külm.
Kuna Päikese madala aktiivsuse Maunderi miinimum langeb ajaliselt kokku väikeseks jääajaks nimetatud jaheda perioodiga, siis sellest asjaolust ongi saadud kõige enam indu nende kahe seose otsimiseks.
Päike või inimkond
Praegu on küsimus taas ülimalt aktuaalne, kuna käivad vaidlused, kumb on kliima soojenemises rohkem süüdi, kas inimkond oma kasvuhoonegaaside emissioonidega või Päike. Praeguse seisuga pannakse lõppenud 20. sajandi globaalsest soojenemisest (vt joonis trükinumbris) Päikese aktiivsuse kasvu süüks kuni pool, sajandi viimase 20 aasta omast aga kõigest veerand kuni kolmandik. Väike jääaeg läheb peaaegu täielikult Päikese arvele. Alates 1985. aastast on kliima jätkuvalt soojenenud, kuid Päikese aktiivsus juba tasapisi langusesse pööranud.
Kokkuvõtvalt võiks nentida, et kuigi Päikese mõju kliimale on olemas, pole see ainus kliima muutumist põhjustav tegur ja tema suhteline tähtsus kliima muutumisse ei ole kestvalt ühesugune.
Kuidas Päikesel toimuvad muutused Maa kliimat mõjutama pääsevad? Üldjoontes on selleks kaks mehhanismi.
Päikesekiirguse mõju Maa kliimale
Maa kliimasüsteem töötab Päikeselt saabuva kiirgusenergia varal. Siit on ahvatlev jõuda sirgjoonelise seoseni selle energiavoo ning globaalse keskmise temperatuuri vahel. Globaalse keskmise temperatuuri all mõistetakse sageli maapinnalähedase õhukihi temperatuuri, mida ilmateadeteski maha öeldakse.
Päikesest soojendatud maapinna soojus ei jää kunagi täielikult maalähedasse õhukihti. See jaotub vertikaalselt kuni mitme kilomeetri ulatuses ja milliseks see jaotus kujuneb, see oleneb mitmest asjaolust. Peale selle kannab õhuvool ilma horisontaalselt ühest kohast teise. Nii ei peagi maalähedase õhukihi temperatuur isegi väga keskmistatud kujul täpselt järgima energiavarustuse muutusi.
Esmapilgul tundub ikkagi kõige loomulikum otsida seost kliima ja Päikese kiirgusvoo muutuste vahel. Viimaste Päikese aktiivsuse 11-aastaste tsüklite vältel on tema energiavoog kõikunud kõigest kümnendiku protsendi piirides ja nii pisike energiavarustuse erinevus tundub liiga väike, et kliimat muuta. Teiselt poolt kulgevad mõned muutused kliimasüsteemis siiski Päikese aktiivsusega sünkroonselt. On niisiis tõenäoline, et otsitav seos on olemas, kuid peategelane ei ole selles Päikese kogu kiirgusvoog.
Viimastel aastakümnetel on olnud võimalik registreerida ka seda osa Päikese kiirgusspektrist, mis maapinnani ei jõua ja neeldub juba üsna suurtel kõrgustel. Maapinnani jõuab parimal juhul kiirgus lainepikkusega 290 nanomeetrit (nm), aga kui Päike käib madalalt, siis paikneb lävi veel suurematel lainepikkustel. Ultraviolettkiirguse lainepikkuste vahemikus 200-300 nm muutub kiirgusvoog Päikese tsükli vältel kõige tagasihoidlikumatel hinnangutel pooleteise protsendi ulatuses, kuid viimasel ajal ilmunud tööd pakuvad amplituudiks isegi 3-4 protsenti. See ei ole enam tühine suurus. Pealegi kasvab muutumise amplituud lainepikkuse kahanedes. Seepärast peetaksegi üheks Päikese poolt tingitud kliimamuutuste põhjuseks just Päikese ultraviolettkiirguse voo muutumist. Maunderi miinimumist Päikese viimaste kõrge aktiivsusega tsükliteni on üle tsüklite keskmistatud ultraviolettkiirguse tase kasvanud umbes neli protsenti ja 1875. aastast lugedes kuni kolm protsenti.
Ultraviolettkiirgus lainepikkustel alla 242 nm lõhub tavalise, kahest aatomist koosneva hapniku molekuli aatomiteks ja osaleb stratosfääri osooni tekkeprotsessis. Osooni molekulid neelavad ultraviolettkiirgust veidi pikematel lainepikkustel ja neeldunud energia soojendab stratosfääri. Seetõttu on Päikese kõrge aktiivsuse ajal stratosfääris 2-3 protsenti rohkem osooni ning temperatuur mõne kümnendiku kraadi võrra tavalisest kõrgem. Osooni ruumilise jaotuse kujundab stratosfääri õhuringlus, mis omakorda sõltub osooni hulgast ja jaotumisest. Päikese mõju globaalsele õhuringlusele saab alguse umbes 50 kilomeetri kõrgusel stratopausi kihis ja levib sealt aeglaselt allapoole. Päikese kõrge aktiivsuse korral levivad stratosfääris alguse saanud õhuringluse häired alla troposfääri ja kiirendavad talvist läänest itta kulgevat õhuvoolu polaarfrondi lähistel. Päikese madala aktiivsuse ajal häired oluliselt troposfääri ei jõua.
Ent Päikese mõju ei liigu ainult ühepoolselt ülalt alla. Troposfääri ülaosas läänest itta kulgevas õhuvoolus moodustunud pikad nn Rossby lained levivad talvel ka alt üles stratosfääri ja kandivad oma mehaanilise energia läbi turbulentsi keeriste soojusliikumiseks. Stratosfääri talvises energiavarustuses mängib alt lainetega üles kantav mehaaniline energia olulist osa.
Lisaks sellele on troopikavööndis Päikese kõrge aktiivsuse aegadel konvektsioon tugevam ning seal kerkinud õhk laskub sademetevaeses subtroopilises kliimavööndis alla keskmiselt mõnevõrra suurematel laiuskraadidel kui Päikese madala aktiivsuse korral. See mõjutab omakorda parasvöötme õhuringlust ning Päikese suurema aktiivsuse ajal nihkuvad ka tormid kuigivõrd kõrgematele laiuskraadidele. Kliimasüsteem ei reageeri päikesekiirguse muutustele eriti erksalt, sest ookean kui suur soojussalvesti silub nende muutuste mõju.
Päikesetuul ja Maa magnetväli
Teine Päikese aktiivsuse mõjude "maaletooja" on päikesetuul (vt joonis trükinumbris). See on prootonite, α-osakeste ja elektronide voog Päikeselt planeetidevahelisse ruumi. Päikese elektromagnetkiirgusega võrreldes kannab päikesetuul Maa kaugusele umbes miljon korda vähem energiat, kuid see ei tähenda, et päikesetuule mõju Maale oleks miljon korda väiksem.
Päikesetuule mõju sõltub oluliselt Maa enda magnetvälja olukorrast, mis pole sugugi igikestvalt ühesugune. Praegugi on see suhteliselt kiiresti muutumas. Maa korrapärase magnetvälja tõttu päikesetuul otsejoones maapinnani ei jõua. Enamik selle osakestest liigub ümber Maa magnetvälja Päikesesüsteemi kaugemate alade suunas. Maa magnetvälja mõjusfääri sattunud elektrilaenguga osakesed liiguvad keereldes piki Maa magnetvälja jõujooni kummagi magnetpooluse suunas. Magnetpooluste lähistel suubuvad jõujooned vertikaalselt Maasse (vt joonis trükinumbris). Teatud kõrgusest alates sukelduvad päikesetuule osakesed nagu lehtrisse ja tekitavad mõnesaja kuni tuhande kilomeetri kõrgusel õhu molekulide ergastamise teel virmalisi, mille sagedaima esinemise tsoon, nn virmaliste ovaal, paikneb magnetpoolusest paarikümne kraadi kaugusel.
Ka Päikest ümbritseb magnetväli, mis rahulikus olekus on Maa magnetväljaga sarnaselt korrapärane. Suurema aktiivsuse ajal muutub Päikese magnetväli "auklikuks", võimaldades pursetena Päikese pinnalt väljuvatel plasmapilvedel oma haardest kergemini väljuda. Tavaolukorras väljub Päikeselt nõrk hõre päikesetuul kiirusega 300-400 km/s, kuid suure aktiivsuse ajal saavutavad üksikud väljapaiskuvad plasmapilved kiirusi 900 km/s ja enamgi. Olenevalt lähtepositsioonist võivad need Maast kaugelt mööda minna või ka Maale pihta saada. Viimasel juhul on käigus palju rohkem ja suurema energiaga osakesi kui tavaliselt ning need tekitavad intensiivseid virmalisi ja magnettorme. Magnettormid on tingitud Maa magnetvälja suletud osasse sattunud ja seal ümber Maa tiirleva plasma toimest Maa magnetväljale. Tekkinud lisaväli nõrgendab Maa magnetvälja. Magnettormide esmauurijaks ja nimetuse juurutajaks 1808 oli Alexander von Humboldt (1769-1859).
Magnettormiks peetakse olukorda, kui magnetvoo tiheduse muutus kokkulepitud magnetobservatooriumide keskmisena küünib üle 100 nanotesla (nT). Tugevamate magnettormide ajal on magnetvoo tiheduse keskmine kõrvalekalle küündinud üle 350 nT. Magnetpooluste lähedal võivad välja kõrvalekalded küündida ka tunduvalt üle 1000 nT. Meenutame, et Maa magnetvälja enda magnetvoo tihedus on 24 000 ja 60 000 nT vahel.
Maa magnetväli on viimastel sajanditel nõrgenenud. Viimasel paaril tuhandel aastal toimunud nõrgenemine võib aga kaudsete andmete järgi küündida üle 40 protsendi ning magnetiliste mõõtmiste ajastul, alates 1845. aastast, on see olnud ligi kümnendik. Mõned autorid on leidnud, et Maa välistuumas toimuv magnetvälja genereerimine on seotud orbiidi ekstsentrisuse muutumise 100 000-aastase perioodiga. Nõrgem magnetväli pidurdab vähem kosmilisi kiiri. Maa magnetvälja praegune kiire nõrgenemine võib vihjata, et lähenemas on tema polaarsuse vahetumine, mis saab toimuda vaid väga nõrga välja korral. Polaarsuse vahetumine tähendab, et magnetpoolused muudavad vastastikku oma asukohad ja väli muutub senisega võrreldes vastupidiseks. Päikese magnetvälja puhul valitseb selles suhtes selge kord - iga tsükli järel toimub polaarsuse vahetus. Maa magnetvälja polaarsuse vahetumised on viimastel kümnetel miljonitel aastatel toimunud küllaltki reeglipäratult keskmiselt 250 000 aasta tagant ning viimasest vahetumisest on möödas juba 780 000 aastat. Olekski justkui aeg vahetuda.
Maa magnetvälja tugevus ja magnetpooluste asukohad on ka muidu pidevas muutumises. Viimasel ajal on mõlemad magnetpoolused triivinud jõudsalt põhja suunas. Magnetiline põhjapoolus Kanada saarestikus on jõudnud 1945. aasta 74. laiuskraadilt 2005. aastaks juba 83. laiuskraadini (vt joonis trükinumbris).
Päikesetuule mõju Maa kliimale
Päikesetuule mõju kliimale avaldub kõige selgemini kosmiliste kiirte tiheduse moduleerimise kaudu. Maailmaruumist saabuvad kosmilised kiired koosnevad samasugusest plasmast nagu päikesetuul, ainult osakeste kiirus ja sellest tulenevalt energia võib olla palju suurem. Hästi on teada, et samanimelised elektrilaengud tõukuvad. Sel teel siis tõrjub intensiivsem päikesetuul galaktilisi kosmilisi kiiri Maast eemale. Radioaktiivsete isotoopide 14C ja 10Be sisalduses ilmneb selge antikorrelatsioon Päikese aktiivsusega.
Päikese madala aktiivsuse korral pääsevad kosmilised kiired kergemini Maa atmosfääri, põhjustades seal ionisatsiooni. Tekkinud ioonid, mille külge liituvad kergesti vee molekulid, on troposfääris aerosooli ja pilvepiiskade tekkekolleteks ehk kondensatsioonituumadeks. Nõrga päikesetuule korral tekib piiskade kondensatsioonitsentreid rohkem ja suuremast hulgast piiskadest koosnevad pilved peegeldavad paremini päikesekiirgust maailmaruumi tagasi. Tugevam päikesetuul võib galaktiliste kosmiliste kiirte tõkestamise kaudu pilvede teket mõnevõrra pidurdada ja võimaldada päikesepaistel maapinda rohkem soojendada. Ka on väiksemast hulgast suurematest piiskadest pilved halvemad päikesekiirguse tagasipeegeldajad ning sellest tingituna saab Maa rohkem soojust kui hästi peegeldavate pilvede puhul. Globaalne pilvisus võib Päikese aktiivsusest sõltuvalt muutuda siiski vaid paari protsendi ulatuses. Globaalse keskmise maapinnalähedase õhukihi temperatuuri kõikumiseks Päikese aktiivsuse tsükli vältel on hinnatud umbes 0,2 oC.
Päikese ultraviolettkiirguse ja geomagnetilise aktiivsuse võimalikud mõjud kliimale on hinnangute kohaselt umbes ühesuurused. Samuti on näidatud, et nad võivad teineteise toimet võimendada ning koos mõjutada kliimat rohkem, kui on mõlema efekti lihtne summa
KALJU EERME (1938) on lõpetanud Tartu Ülikooli astronoomia erialal 1963. Füüsika-matemaatikakandidaat aastast 1973. Aastatel 1968-1993 tegelenud peamiselt atmosfääri optiliste omaduste uurimisega kosmoselaevadele Saljut ja Mir paigaldatud aparatuuri abil. 1993. aastast on pühendunud atmosfääriosooni ja ultraviolettkiirguse uuringutele Eestis. Osaleb Euroopa Liidu vastavate ühisuuringute ettevalmistamises ja koordineerimises.
