KAZIMIERZ M. BORKOWSKI — Toruń
PLAMY SŁONECZNE,
ZLODOWACENIA I PROGNOZY
Celem tego artykułu jest krótki przegląd aktualnych kierunków badań związanych z fizyką układu Słońce-Ziemia. I choć temat jest zbyt rozległy, żeby omówić znaczącą część prac, to jednak można jeszcze wskazać kilka z nich o wyróżniających się wartościach. Część z uwag dotyczy najnowszych, nie zawsze jeszcze dostatecznie ugruntowanych idei — i stąd stosunkowo częste odnośniki do oryginalnych źródeł.*)
Potrzeba przewidywania przebiegu aktywności Słońca ma swoje uzasadnienie zarówno naukowe jak i ekonomiczne. Korzyści naukowe są dość oczywiste. Jeśli zaś chodzi o pożytek dla dziedzin bardziej „przyziemnych" i dotyczących nas wszystkich, takich jak np. rolnictwo, łączność, albo pogoda i klimat, to również łatwo go dostrzec, jeśli się stwierdzi istnienie związków przyczynowo-skutkowych pomiędzy aktywnością Słońca i zjawiskami geofizycznymi.
 |
| Rys. 1. Przebiegi średniej rocznej nadwyżki (ponad poziom najniższy danej stacji) opadów R – Ro (mm) znalezionej dla 22 stacji w strefie 60°N Ł j Ł 70°N i wskaźnika pól Ia — średnia z pierwiastków powierzchni plam i powierzchni pochodni w latach 1883–1960 (wg Xanthakisa). Czytelnik z dobrym przybliżeniem może Ia traktować jako znormalizowany przebieg aktywności plamotwórczej mierzonej liczbą Wolfa. |
W przeszłości wielokrotnie sugerowano wpływ 11- i 22-letniego cyklu aktywności plamotwórczej Słońca na pogodę. Obecnie nagromadzono już tyle faktów, że wydaje się, iż nawet ci najbardziej sceptyczni badacze będą zmuszeni zgodzić się, że pewne istotne procesy w dolnej atmosferze stowarzyszone są ze zjawiskami słonecznymi: poczynając od krótkotrwałych (jak np. rozbłyski), poprzez rotacyjny cykl 27-dniowy, aż do 11- i 22-letniego, a prawdopodobnie także 80-letniego cyklu. By nie pozostawić Czytelnika przy tak ogólnikowych stwierdzeniach, proponujemy przykład niewątpliwej korelacji średnich opadów atmosferycznych w strefie o szerokości geograficznej 60–70°N z aktywnością Słońca w latach 1883–1960 (rys. 1) zaczerpnięty z pracy X a n t h a k i s a (1973). Więcej różnorodnych i przekonujących przykładów można znaleźć np. u W i l c o x a (1975) albo w przeglądach D o m i n g o (1976) i K i n g a (1975). Ten ostatni pokazał np., że klęski głodowe, które wystąpiły po 1700 r., często były stowarzyszone z minimami aktywności Słońca; prawdopodobieństwo przypadkowości tej korelacji zostało ocenione na 10–4! Wiadomo powszechnie, że dla łączności pierwszorzędne znaczenie ma przewidywanie warunków propagacji fal radiowych, ułatwione dzięki korelacji stanu jonosfery i zjawisk geomagnetycznych z aktywnością Słońca.
Tego typu korelacje, chociaż jakościowo niekiedy łatwo wytłumaczalne, w istocie są wynikiem bardzo złożonych mechanizmów fizycznych. Ta złożoność powoduje, że ciągle jeszcze nie potrafimy przewidywać najważniejszych zjawisk i skutków z zadowalającą dokładnością. Trudności potęguje mnogość zjawisk pochodzenia słonecznego i periodyczności z nimi związanych. Istnieje wszakże bogata już literatura dająca fizyczne podłoże cykliczności zjawisk krótkookresowych, oparte na teorii pulsacji gwiazd. Dokładność jednak — zarówno obserwacji jak i teorii — jest jeszcze taka, że określonej obserwowanej częstotliwości z powodzeniem można przypisać kilka (w rzeczywistości zupełnie różnego pochodzenia) prążków widma teoretycznego. I na odwrót, z tej samej przyczyny, wielu z teoretycznych częstotliwości nie można jeszcze potwierdzić obserwacyjnie.
Nie lepsza sytuacja panuje w zakresie niskich częsotliwości i zmian wiekowych procesów słonecznych. Jeszcze do niedawna brak było fizyczpego uzasadnienia tak ewidentnej przecież okresowości jaką jest cykl 1l-letni, a stałą słoneczną (ilość energii słonecznej docierającej do Ziemi) nie podejrzewano o jakąkolwiek niestabilność. W tej sytuacji sukcesem niewątpliwie są prace W o l f f a (1976), który dobierając tylko 2 (!) parametry obserwacyjne (okres obrotu Słońca i jeden z prążków w widmie plam) z nadzwyczajną precyzją wyznaczył aż 20 spośród 25 okresów zawartych w widmie liczby Wolfa (wziętym z najdokładniejszych jak dotychczas wyników C u r r i e'go (1973) i C o l e'a (1973), w zakresie od 3,1 do 178 lat. Jego teoria opiera się na dudnieniach pomiędzy sztywno rotującymi i bezwładnie oscylującymi modami g wewnątrz Słońca. Okazuje się np., że jeśli istnieje okresowość 11,85 lat (Cole 1973) to powinna jej wtórować pulsacja o okresie 10,46 lat (u Colle'a jest 10,56!). Zwykła różnica w tych dwóch okresach jest z kolei odpowiedzialna za składową 178-letnią, odkrytą wcześniej przez wielu autorów, zaś równie dobrze znany cykl 80-letni zdaje się być zaledwie harmoniczną częstotliwością odpowiadającą tej różnicy. Wiele wysiłków włożonych w analityczny opis przebiegu plamotwórczej aktywności Słońca prawdopodobnie z góry było zdanych na niepowodzenie. Wniosek taki zdaje się wypływać z niedawnych prac E d d y'ego (1976, H u g h e s 1977). Szczegółowe jego studia okresów tzw. minimów Maundera (1645–1715 r.) i Spörera (ok. 200 lat wcześniej) pokazały, że nie są one wynikiem braku w obserwacjach, lecz realnej sytuacji, w której przez ok. 70 lat praktycznie brak było plam na Słońcu (pojedyncze wyjątki potwierdzają fakt). Uwzględniając również innego rodzaju badania (np. statystykę wartości ekstremalnych w cyklach 1–19, wykonaną przez S i s c o e 1976) można wnieść, że praktycznie brak jest dowodów na to, żeby przed ok. 1700 r. cykl 11-letni w ogóle istniał (!) i że wielce prawdopodobnymi były znaczne (nieokresowe) zmiany w zachowaniu się Słońca (w tym także stałej słonecznej) w ciągu setek i tysięcy lat. Może się okazać, że praca S m y t h e i E d d y'ego (1977) dowodząca, że w okresie minimum Maundera częstość złączeń planet i widmo pływów na Słońcu z nimi związane nie różnią się od analogicznych wielkości z doby współczesnej, była ostatnim „gwoździem do trumny" dla tzw. pływowej teorii powstawania plam (grawitacyjny wpływ planet). W tym kontekście plamotwórczość zdaje się być bezpośrednio związana tylko z całkowitą energią wypromieniowaną przez Słońce. Ta, z kolei, przypuszczalnie zmienia się z czasem w zakresie ok. 1%. Pozostają jednak wciąż nie rozwiązane problemy: dlaczego stała słoneczna się zmienia i jak te zmiany wpływają na produkcję plam.
Efektywne zmiany stałej słonecznej, wywołane bądź to zmianami w samym Słońcu, bądź przesłanianiem promieniowania przez pył międzygwiezdny o różnej gęstości w różnych epokach (T a l b o t i in. 1976), czy wreszcie wiekowymi zmianami parametrów orbity ziemskiej, są często koronnymi argumentami w hipotezach wyjaśniających zmiany klimatu Ziemi. Czynniki pozaziemskie w ogólności grają ważną rolę we współczesnych modelach mechanizmów odpowiedzialnych za zmiany klimatu i pogody (M i t c h e l l 1976, C o l e 1976, W i l l i s 1976). H a y s i in. (1976) korzystając z geologicznych badań osadów morskich stwierdzili ponad wątpliwość, że zmiany klimatyczne w ciągu czwartorzędu, w szczególności tak zagadkowe zlodowacenia w plejstocenie, są ściśle skorelowane ze zmianami geometrii orbity naszej planety (nachylenie ekliptyki do równika — okresowość ok. 42 000 lat, precesja — 23 000 l. i mimośród — 100 000 l.). Wnoszą oni też, że najbliższe 20 000 l. na północnej półkuli będzie charakteryzowała tendencja do zlodowacenia i chłodniejszego klimatu. Z niezależnych rozważań podobne wnioski wysuwa B e r g e r (1977) dając prognozę globalnych zmian temperatury Ziemi na najbliższe 200 000 lat. Wynika z niej, że następne zlodowacenie wypadnie już za 10000 lat. Berger obecuje jednak, że będzie ono względnie łagodne.
Wracając do plamotwórczej aktywności Słońca trzeba stwierdzić, że słabość teorii fizycznych powoduje, iż przy stawianiu prognoz aktywności ich miejsce okupują metody statystyczne. Jednak i te są bezradne wobec braku zadowalająco obfitych i dokładnych materiałów obserwacyjnych lub gdy analizowany proces okaże się bardziej niestacjonarny niż tego wymaga metoda. Ze względu na obfitość materiału obserwacyjnego, najczęstszą podstawą prognoz długoterminowych aktywności Słońca są analizy przebiegu liczby Wolfa. Prawidłowości znalezione w obserwowanym ciągu ekstrapoluje się na przyszłość, co już stanowi prognozę. Rok zaledwie minął od momentu kiedy obserwowaliśmy ostatnie, dość niezwykłe zresztą (M e r g e n t a l e r 1977) minimum i jesteśmy ciekawi, jak będzie przebiegał 21 cykl. Prócz zwykłego zaspokojenia ciekawości warto również przyjrzeć się prognozom choćby po to, by móc później ocenić, która metoda daje najpoprawniejsze wyniki, a zatem, które parametry są rzeczywiście powiązane z fizycznymi procesami na Słońcu. Kilka wybranych prognoz momentu wystąpienia maksimum liczby Wolfa i wartości tej liczby zawiera tab. 1. Dla porównania, do ostatnio publikowanych prognoz dołączono zbiorczą prognozę obejmującą prace sprzed r. 1975 (opracowane wg V a s i l y e v a i in. 1975). Oto kilka uwag uzupełniających do tabeli.
Tab. 1. Prognozy 21 cyklu plamotwórczej aktywności Słońca
Autor lub źródło Prognoza maksimum prognozy Epoka (rok) Rmax |
Prognoza V a s i l y e v a i in. (1975) oparta została na analizie (harmonicznej) widmowo-częstotliwościowej, uwzględniającej 10 niskich częstości (okres dłuższy niż 5,5 lat). Jej atutem jest bardzo trafna przepowiedź ostatniego minimum na środek roku 1976. O l (1976) badał statystyczny związek poziomu aktywności geomagnetycznej w spadkowej części cyklu poprzedzającego z wysokością danego cyklu. Przy założeniu, że minimum wystąpiło w 1976 r. metoda ta wskazuje moment maksimum odległy o 2,8 lat od minimum.
Rezultaty V i t i n s k y'ego (1976) zostały uzyskane ze statystycznej zależności średniej szerokości heliograficznej pierwszych grup plam nowego cyklu od jego wysokości przy założeniu epoki minimum 1976,6.
Potwierdzoną przez siebie (w pracy doktorskiej) na 20 cyklu metodę używa R a m a s w a m y (1977). Znalazł on korelację między względną intensywnością cyklu {mierzoną stosunkiem maksymalnych liczb Wolfa w dwóch sąsiednich cyklach) a wskaźnikiem asymetrii (parametr, wyznaczany z momentów 2 i 3 rzędu) poprzedzającego cyklu.
Analiza regresji cykli 8–20 (stwierdzono, że cykle wcześniejsze należą do innej populacji statystycznej) — przy założeniu, że minimalna wygładzona średnia miesięczna liczba plam wystąpiła w lipcu lub marcu 1976 r., to podstawa dwóch prognoz proponowanych w SGD (nr 389 i kilka wcześniejszych lub 390–392, 1977, odpowiednio).
Wreszcie propozycja H i l l a (1977) została opracowana z modelu przebiegu aktywności plamotwórczej. Model ten został zbudowany dla 40 dyskretnych linii widmowych, znalezionych ulepszoną anharmoniczną metodą P a u l a (1972), która różni się od zwykłej dyskretnej transformacji Fouriera w istocie tym, że nie zakłada iż końcowe widmo składa się li tylko z częstości harmonicznych.
Nie od rzeczy będzie zwrócić uwagę na to, że wspólnym wykładnikiem ostatnich prognoz jest znacznie wyższe maksimum 21 cyklu niż cyklu poprzedniego; dotyczy to także prognoz publikowanych nieco wcześniej, w których przeważały maksymalne liczby rzędu kilkudziesięciu, a te prognozy, które podawały w to miejsce liczby większe od 100, były przyjmowane bardzo krytycznie. Przypomnijmy, że od 1700 r. największa średnia roczna liczba Wolfa miała wartość 190 (1957 r.). Obecnie skłonni jesteśmy zastanawiać się nad tym, czy przypadkiem najbliższe lata nie przyniosą nowego rekordu!
Kiedy mowa o maksimum, godzi się na zakończenie dodać, że okres kwiecień 1979 – październik 1980 wstępnie ogłoszono (MONSEE Bulletin nr 8, 1976) Rokiem Słonecznego Maksimum (SMY — Solar Maximum Year). Wiąże się z tym skoordynowany program badań w wielu obserwatoriach. Główne ich kierunki to: studia ewolucji plam słonecznych, pól prędkości, badania zmian pól magnetycznych i wzajemnych związków różnych obszarów aktywnych. **)