Τι συμβαίνει με τον ήλιο; Θα μπορούσε μια ασυνήθιστη συμπεριφορά να είναι προάγγελος μιας νέας εποχής των παγετώνων;

Πηγή: Popular Science, 27 Ιανουαρίου 2009

Για περίπου 50 χρόνια από το 1650 έως το 1700 περίπου, ο Ήλιος έκανε ένα διάλειμμα από την τυπική δραστηριότητα των κηλίδων του. Αυτή η φάση της ηλιακής ηρεμίας συνέπεσε με την "Μικρή Παγετωνική Εποχή" - μια περίοδο ψύξης της Γης που οδήγησε σε δύσκολους ψυχρούς χειμώνες, ιδίως στην Ευρώπη και τη Βόρεια Αμερική. Οι επιστήμονες αποδίδουν την Μικρή Παγετωνική Εποχή σε δύο βασικές αιτίες: την αυξημένη ηφαιστειακή δραστηριότητα και την μειωμένη ηλιακή δραστηριότητα.

Η πρώτη ηλιακή κηλίδα του 24ου κύκλου εμφανίζεται ταυτόχρονα με την τελευταία του 23ου κύκλου

Θα μπορούσε να συμβεί ξανά; Και κατευθυνόμαστε προς τα εκεί τώρα;

Ο όρος "ηλιακή δραστηριότητα" αναφέρεται συλλογικά στις ηλιακές κηλίδες, στις ηλιακές εκλάμψεις, και τις ηλιακές εκρήξεις. Μαζί, αυτά τα φαινόμενα συνθέτουν το "διαστημικό καιρό", που μεταβάλλει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της Γης και της ατμόσφαιρας της, προκαλώντας πιθανές διαταραχές στους δορυφόρους, τα συστήματα επικοινωνιών, και τα ηλεκτρικά δίκτυα. Η μεταβολή των επιπέδων της ηλιακής δραστηριότητας επίσης μπορεί να προκαλέσει σημαντικές αλλαγές στα μοντέλα της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας, που μπορεί έτσι να επηρεάσει τον καιρό και το κλίμα της Γης.

Οι ηλιακοί κύκλοι, που διαρκούν κατά μέσο όρο 11 χρόνια, εξαρτώνται από τον αριθμό, το μέγεθος και την τοποθέτηση των ηλιακών κηλίδων - πιο ψυχρά, πιο σκούρα στίγματα στην επιφάνεια του Ήλιου, όπου παρατηρείται έντονη μαγνητική δραστηριότητα - στην επιφάνεια της Ήλιου. Κάθε κύκλος χαρακτηρίζεται από ένα ηλιακό ελάχιστο και ένα ηλιακό μέγιστο, δηλαδή ο κατά προσέγγιση χρόνος στον κύκλο όπου συμβαίνουν οι μικρότερες και μεγαλύτερες ηλιακές δραστηριότητες. Κατά τη διάρκεια του ηλιακού ελάχιστου, η δραστηριότητα  της κηλίδας μειώνεται, και κατά την διάρκεια του μέγιστου αυξάνεται ο αριθμός των κηλίδων. Καθώς μειώνεται ένας κύκλος και ένας άλλος αρχίζει, τότε  μπορεί να ειδωθούν ταυτόχρονα κηλίδες και από τους δύο κύκλους.

Μέχρι τα τέλη του 2007, ο ηλιακός κύκλος 23, που ξεκίνησε το 1996, είχε χαμηλά επίπεδα δραστηριότητας, και η NOAA πρόβλεψε ότι η 24ος Ηλιακός Κύκλος θα άρχιζε τον Μάρτιο του 2008, συν ή πλην έξι μήνες. Πράγματι, στο νέο κύκλο η πρώτη κηλίδα εμφανίστηκε τον Ιανουάριο του 2008 - σε υψηλό γεωγραφικό πλάτος, ένα σαφές μήνυμα ότι είναι μέρος του νέου ηλιακού κύκλου. Όμως, κατά τους μήνες που ακολούθησαν, παρατηρήθηκε μια σημαντική μείωση της δραστηριότητας της ηλιακής κηλίδας, δίνοντας αφορμή να τεθούν ερωτήματα για το αν θα μπορούσε να είναι η αρχή μιας άλλης μικρής παγετωνικής εποχής.

Μετά από εννέα μήνες πολύ μικρής ηλιακής δραστηριότητας, εμφανίστηκε μια παρτίδα πέντε ηλιακών κηλίδων αρχίζοντας την 31 Οκτωβρίου του 2008, τέσσερις εκ των οποίων ανήκαν στο νέο κύκλο. Μέχρι στιγμής φέτος, εμφανίστηκαν συνολικά τέσσερις ημέρες δύο κηλίδες - μία του 23ου κύκλου και μία του 24ου.

Βέβαια ξέρουμε ότι συνήθως κατά τη διάρκεια ενός ηλιακού ελάχιστου δεν υπάρχουν κηλίδες για ένα ή δύο μήνες, οπότε αυτό που είδαμε το 2008, είναι χαρακτηριστικό των περισσότερων ηλιακών κύκλων.

Ο Tom Woods ένας ειδικός της ηλιακής δραστηριότητας, επισημαίνει ότι υπάρχουν και άλλες ενδείξεις, εκτός από την δραστηριότητα των ηλιακών κηλίδων, ότι ο νέος 24ος κύκλος μπορεί να είναι διαφορετικός. Πρώτον, το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου στους πόλους είναι περίπου 40% χαμηλότερο από αυτό που συνήθως είναι σε ηλιακό ελάχιστο. "Την τελευταία φορά που το πολικό πεδίο ήταν τόσο ασθενές ανάγεται στις αρχές του 1800, μια περίοδος που ονομάζεται Dalton Minimum, όταν είχαμε μια χαμηλή ηλιακή δραστηριότητα", λέει. Η περίοδος  Dalton Minimum διήρκεσε από το 1790 έως περίπου το 1830 και συνέπεσε με μια περίοδο πιο χαμηλής θερμοκρασίας από το μέσο όρο στον πλανήτη.

Επιπλέον, ο Woods αναφέρει ότι η ταχύτητα του ηλιακού ανέμου είναι σήμερα χαμηλότερη από την κανονική. Μήπως αυτό σημαίνει ότι θα γίνει μια μεγάλη αλλαγή στον ηλιακό κύκλο; "Δεν το γνωρίζουμε αλλά είμαστε σε αναμονή και το παρακολουθούμε", τονίζει. "Αυτός ο νέος κύκλος θα μπορούσε να είναι ανώμαλα χαμηλής ή θα μπορούσε να είναι κανονικής δραστηριότητας."

Αν και ο 12-ετής 23ος Κύκλος (ξεκίνησε το 1996) δεν είναι έξω από τα φυσιολογικά όρια, θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση γιατί η δραστηριότητα του 24ου Κύκλου είναι χαμηλή. Οι ειδικοί επισημαίνουν ότι, με βάση τους προηγούμενους 22 ηλιακούς κύκλους ξέρουμε ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο προηγούμενος κύκλος, τόσο μικρότερος είναι ο επόμενος από άποψη δραστηριότητας.

Σύμφωνα με τον Woods  ακόμη και ένας μικρότερος κύκλο ηλιακής θα μπορούσε να προκαλέσει κάποια ψύξη στη Γη. "Όχι βέβαια αρκετή για να αντισταθμίσει το φαινόμενο του θερμοκηπίου που έχει σαν αποτέλεσμα την υπερθέρμανση του πλανήτη", διευκρινίζει, "αλλά αρκετή για να την καθυστερήσει ενδεχομένως για λίγα χρόνια."

Η επίδραση του ηλιακού κύκλου πάνω στην παγκόσμια θερμοκρασία είναι περίπου το 1/10 του ενός βαθμού Κελσίου μόνο, ενώ το φαινόμενο του θερμοκηπίου κατά τα τελευταία 30 χρόνια ανέβασε τη θερμοκρασία περίπου ένα βαθμό.

"Ακόμη και έτσι, είναι απίθανο να έχουμε ένα σενάριο με τίτλο "Little Ice Age". Μάλλον είναι απίθανο ότι προχωρούμε σε μια φάση όπου δεν θα έχουμε καμία δραστηριότητα ηλιακών κηλίδων για 50 χρόνια. Βέβαια δεν μπορούμε να εξαλείψουμε τελείως αυτή την πιθανότητα, αλλά θα έλεγα ότι οι πιθανότητες δεν είναι υψηλές", συνεχίζει. 

Δεν υπάρχει βέβαια κανένα μοντέλο που μπορεί να προβλέψει αν θα πάμε σε μια εποχή παγετώνων. Γι αυτό και δεν είμαστε σίγουροι για τίποτα.

Γιατί είναι οι ηλιακές κηλίδες σκοτεινές

Επειδή οι ηλιακές κηλίδες εμφανίζονται κατά ομάδες στην φωτόσφαιρα του ήλιου ανάμεσα στους φωτοσφαιρικούς κόκκους, σε μια ζώνη 400 km πάνω από την επιφάνεια του ήλιου, είναι πιο ψυχρές (4.200 Κ) από την περιβάλλουσα περιοχή της επιφάνειας (6.400 Κ). Αυτή είναι μια μερική εξήγηση μόνο. Και γιατί να είναι πιο ψυχρές; Η απάντηση είναι ότι οφείλεται στα ισχυρά μαγνητικά πεδία που συνδέονται με τις ηλιακές κηλίδες.

Γνωρίζουμε ότι στην περιοχή κάτω από τη φωτόσφαιρα, είναι η ζώνη μεταφοράς. Από εκεί ανεβαίνουν τα λεγόμενα ρεύματα μεταφοράς που είναι κατά ένα μεγάλο μέρος υπεύθυνα για την κάθετη κίνηση μεγάλων ποσοτήτων καυτού αερίου και ότι αυτή η δραστηριότητα μεταφέρει  θερμότητα από το εσωτερικό προς την ηλιακή επιφάνεια. Τα μαγνητικά όμως πεδία, της τάξεως των 3.000 Gauss, ασκούν δυνάμεις στα κινούμενα φορτισμένα σωματίδια, και επειδή αυτό το ηλιακό υλικό είναι ιδιαίτερα ιονισμένο, τα μαγνητικά κάθετα πεδία προς την κίνηση των ιόντων, επηρεάζουν ιδιαίτερα την ανοδική κίνηση. Σαν αποτέλεσμα έχουμε τη μικρότερη θερμοκρασία των κηλίδων.

Λεπτομερείς εκτιμήσεις δείχνουν ότι οι μαγνητικές δυνάμεις εμποδίζουν τη μεταφορά της θερμότητας στην επιφάνεια με το να κάνουν δυσκολότερη την άνοδο στα καυτά αέρια. Κατά συνέπεια, η περιοχή στις ηλιακές κηλίδες που έχουν ισχυρά μαγνητικά πεδία τείνει να είναι πιο ψυχρή από την περιβάλλουσα περιοχή και εμφανίζεται έτσι σκοτεινότερη από τις περιβάλλουσες θερμότερες περιοχές.

Ηλιακές κηλίδες και μαγνητικά πεδία

Αναλύοντας το φως από τις ηλιακές κηλίδες βλέπουμε ένα σημαντικό διαχωρισμό Zeeman των φασματικών γραμμών. Κατά συνέπεια, οι ηλιακές κηλίδες συνδέονται με τα ισχυρά μαγνητικά πεδία. Επιπλέον, παρατηρούμε και τα παρακάτω:

1. Όταν οι ηλιακές κηλίδες είναι σε ζεύγη, έχουν αντίθετη πολικότητα (δηλαδή η μία συμπεριφέρεται μαγνητικά όπως ο βόρειος πόλος ενός μαγνήτη και η άλλη κηλίδα συμπεριφέρεται όπως ο νότιος πόλος).
2. Κατά τη διάρκεια ενός ορισμένου κύκλου μιας ηλιακής κηλίδας, οι κύριες ηλιακές κηλίδες στο βόρειο ημισφαίριο του ήλιου τείνουν όλες να έχουν την ίδια πολικότητα, ενώ το ίδιο πράγμα ισχύει για τις ηλιακές κηλίδες στο νότιο ημισφαίριο, εκτός από το ότι η κοινή πολικότητα είναι αντίθετη από αυτήν των ηλιακών κηλίδων στο βόρειο ημισφαίριο.
3. Κατά τη διάρκεια του επόμενου κύκλου του ήλιου, οι πολικότητες των μαγνητικών πεδίων σε κάθε ημισφαίριο είναι αντίθετη από αυτή που ήταν στον προηγούμενο κύκλο.

Η πάνω εικόνα παρουσιάζει τη κατανομή του μαγνητικού πεδίου στην ηλιακή επιφάνεια από το ηλιακό παρατηρητήριο SOHO (27 Ιανουαρίου του 1998). Το μαύρο δείχνει μια αρνητική πολικότητα (μαγνητικό πεδίο που δείχνει προς το εσωτερικό του ήλιου) ενώ το λευκό δείχνει μια θετική πολικότητα (προς το εξωτερικό μέρος του ήλιου). Οι μεγάλες συγκεντρώσεις και των δύο πολικοτήτων βρίσκονται κοντά στις ενεργές περιοχές και τις ηλιακές κηλίδες

Υπάρχουν φαινόμενα που εκδηλώνονται ταυτόχρονα στη φωτόσφαιρα, τη χρωμόσφαιρα και το στέμμα (μια περιοχή εξωτερικά της χρωμόσφαιρας όπου η αραιή ύλη της διασκορπίζεται στο διάστημα με μορφή ηλιακού ανέμου). Αυτές είναι οι περιοχές δράσης όπου χαρακτηρίζονται από ισχυρά μαγνητικά πεδία και με τις δυναμικές τους γραμμές να συνδέονται με άλλες περιοχές μαγνητικών πεδίων αντίθετης πολικότητας. Οι   περιοχές δράσης εμφανίζονται όταν οι μαγνητικές γραμμές που υπάρχουν κάτω από την επιφάνεια του ήλιου,  αναδύονται λόγω της υδροστατικής και της μαγνητικής πίεσης που υφίστανται. Αποτέλεσμα του φαινομένου αυτού είναι η εμφάνιση μιας διπολικής μαγνητικής περιοχής. Η εμφάνιση μιας τέτοιας μαγνητικής διπολικής περιοχής προηγείται κάθε δραστηριότητας στην ατμόσφαιρα του ήλιου.

Ο μαγνητικός κύκλος των 22 χρόνων

Επισταμένες εκτιμήσεις δείχνουν ότι το ηλιακό μαγνητικό πεδίο έχει έναν κύκλο 22 χρόνων, ακριβώς δύο φορές του κύκλου των ηλιακών κηλίδων, επειδή η πολικότητα του πεδίου επιστρέφει στην αρχική τιμή της, σε κάθε δύο ηλιακούς κύκλους. Έτσι, η θεμελιώδης περίοδος που ελέγχει την ηλιακή δραστηριότητα είναι ο μαγνητικός κύκλος των 22 ετών, ενώ ο κύκλος των ηλιακών κηλίδων, που είναι ακριβώς το μισό του, είναι ακριβώς μια ειδική εκδήλωση του μαγνητικού κύκλου. Όπως γνωρίζουμε, το μαγνητικό πεδίο διαδραματίζει έναν σημαντικό ρόλο στις περισσότερες πτυχές της δραστηριότητες του ήλιου (ηλιακές κηλίδες, προεξοχές, εκλάμψεις, ηλιακός άνεμος, και τη φύση του στέμματος), έτσι ο μαγνητικός κύκλος των 22 ετών είναι κεντρικός στην περιοδικότητα του ενεργού ήλιου.

Το φαινόμενο του 11-ετούς κύκλου εξηγείται από το μοντέλο της ηλεκτρομαγνητικής γεννήτριας ή του δυναμό. Η ζώνη μεταφοράς, κάτω από τη φωτόσφαιρα, συμπεριφέρεται σαν περιστρεφόμενο ρευστό. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα οι περιοχές του ήλιου κοντά στους πόλους να περιστρέφονται πιο αργά (περίοδος 31 ημέρες) από ότι οι περιοχές του ισημερινού (περίοδος 25 ημέρες). Αυτή η διαφορική περιστροφή του ήλιου προκαλεί περιπλοκή των μαγνητικών γραμμών και το πεδίο γίνεται πιο ισχυρό σε μεγάλα πλάτη. Αλληλεπιδράει τότε με τα ανερχόμενα ρεύματα της ιονισμένης ύλης και αυτή η αλληλεπίδραση είναι που δημιουργεί τα φαινόμενα δράσης.

Τα μαγνητικά πεδία, που ασκούν πίεση ανάλογη του τετραγώνου της έντασης του πεδίου, αναγκάζουν το ρευστό υλικό κάτω από την επιφάνεια (εκεί όπου το μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρό) να αναδυθεί. Τότε όμως αναδύονται και οι μαγνητικές γραμμές και δημιουργούνται οι διπολικές μαγνητικές περιοχές. Στην αρχή το φαινόμενο συμβαίνει σε μεγάλα πλάτη 40^Ο. Γι' αυτό και οι κηλίδες πρωτοεμφανίζονται σε μεγάλα πλάτη.  Με την πάροδο του χρόνου το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται και σε περιοχές κοντά στον ισημερινό κι έτσι εμφανίζονται κι εκεί νέες κηλίδες.