Planetene bestemmer solflekkperiodens lengde?

Transkript

1 Planetene bestemmer solflekkperiodens lengde? Det er mye som tyder på at planetene bidrar til å styre Solas aktivitet. Solaktiviteten viser nemlig variasjoner som samsvarer med bevegelsesmønstre hos planetene. AV JAN-ERIK SOLHEIM Illustrasjon: Venus, Jorda, Jupiter og Saturn er de planetene som øver størst gravitasjonsinnflytelse på Sola. Bidrar de derved også til å styre solaktiviteten? Solfoto: Hinode JAXA/NASA Iet tidligere nummer av Astronomi (nr. 4/2010) har jeg skrevet at for målestasjoner i Norge er det en sammenheng mellom lengden av en solflekkperiode og middeltemperaturen på samme sted i neste periode: Lengre solflekkperioder gir lavere temperatur i neste periode. Da solflekkperiode 23, som sluttet i desember 2008, ble 2,2 år lengre enn den foregående, kunne dette brukes til en prognose om lavere temperaturer i den solflekkperioden vi nå er inne i. I det følgende diskuterer jeg hva som bestemmer hvor lang solflekkperioden er og konkluderer med at det er planetene som bestemmer at vi i dette hundreåret vil ha lange solflekkperioder. Vi kan vente et dypt solflekkminimum som kan gi lavere temperaturer. Litt historikk Galilei observerte solflekker med sitt teleskop i Han oppdaget at de fulgte Sola, og kunne ut fra dette bestemme at Sola roterte. Solflekkperioden ble oppdaget av den tyske apoteker Samuel Heinrich Schwabe som observerte Sola i hele 43 år ( ) fra sitt observatorium i Dessau, omkring 80 km sørvest for Berlin. Han publiserte sitt funn i 1843, og direktøren for observatoriet i Bern (senere Zürich), Rudolf Wolf, definerte solflekktallet, med ekstra vekt på grupper av flekker. Han startet i 1848 systematiske tellinger som fortsetter med samme teleskop den dag i dag. Ut fra opptegnelser har det vært mulig å rekonstruere de månedlige solflekktall helt tilbake til Siden statistikken var ufullstendig før 1750, ble solflekkperiodene nummerert slik at periode nr. 1 starter i 1755 (figur 1). Vi er nå på sjette året inne i periode 24. I gjennomsnitt er en solflekkperiode på 11 år, men lengden kan variere. Hva denne variasjonen kan skyldes er tema for denne artikkelen. Edvard Walter Maunder studerte historiske opptegnelser av solskiven, og fant ut at solflekkene var omtrent totalt fraværende i perioden mellom 1645 og Dette perioden, som falt sammen med Den lille istid i Europa, er blitt kalt Maunder Minimum (figur 2). George Ellery Hale fant i 1908 at solflekkene var magnetiske og at de skifter magnetisk karakter med en 22-årsperiode. Det kalles Haleperioden. Solflekkene er et mål for solaktiviteten, spesielt solvinden, som fører til variasjoner i kos- 24 Astronomi 5/14

2 Figur 1. Figuren viser månedlige solflekktall tilbake til år 1750, med fargekode som angir hvor mange dager i måneden der data mangler. Etter NASA/Marshall Space Flight Center Ill.: David Hathaway/NASA/ARC 2014/08 Figur 2. Mangelen på solflekker i årene kalles Maunder Minimum. Ill. etter NASA/MSFC misk stråling som treffer Jorda. Den kosmiske strålingen fører til at det blir dannet radioaktive isotoper, Be-10 og C-14, som fungerer som et arkiv for solaktivitet langt tilbake i tid. Forskere har på denne måten funnet at det er 8000 år siden det har vært en like lang periode med så stor solaktivitet som vi hadde i siste del av forrige århundre (Solanki m.fl., Nature, 2004). Rekonstruksjon av solaktiviteten de siste 1000 år viser at det har vært flere perioder med lav solaktivitet med en avstand på ca. 200 år. Disse har fått navn Oort ( ), Wolf ( ), Spörer ( ), Maunder ( ) og Dalton ( ) minima (se også figur 7). I disse periodene har klimaet på Jorda vært kaldere. En klokke inne i Sola eller utenfor? Den generelle oppfatning blant dagens solforskere er at Solas aktivitet og variable utstråling kan forklares ved hydromagnetiske modeller for Solas dynamo, hvis dynamikk styres av kaotiske prosesser. Modellene forklarer forløpet og detaljene i det som skjer i løpet en solflekkperiode, men er ikke er i stand til å forklare hvorfor lengden av solflekkperioden er 11 år og den magnetiske perioden (Hale-perioden) er 22 år. Det vil si: modellene gir riktige svar hvis noen parametre, som kan velges fritt, gis bestemte verdier. Det er tre forklaringer det spekuleres på: om lengden av solflekkperioden kan skyldes tilfeldige variasjoner; om det finnes en klokke inne i Sola; eller om det finnes noe utenfor Sola som gir impulser på rette tidspunkt. Hvis det var tilfeldige variasjoner er det neppe sannsynlig at perioden kan holde seg omkring 11 år gjennom mange århundre. Hvis det er en klokke inne i Sola, vet vi ikke hvor den er og hva som fører til at den går relativt jevnt. Derimot vet vi at planetene i vårt solsystem har perioder som stemmer ganske bra med solflekkperioden. Jupiter har en baneperiode på 11,86 år. Allerede Rudolf Wolf spekulerte på om dette kunne ha en sammenheng med solflekkperioden. I tillegg er Jupiter og Saturn i samme retning sett fra Sola med 19,86 års mellomrom (synodisk periode). Dette gir en tidevannsvirkning som vi kaller springflo. En tilsvarende virkning har vi når Jupiter og Saturn står på linje på hver sin side av Sola. Tiden mellom hver springflo på Sola blir derfor halvparten av 19,86 år, dvs. 9,93 år. Også planetene Jorda og Venus har omtrent like stor tidevannsvirkning på Sola som Jupi- Astronomi 5/14 25

3 siden 1700 finner vi alle disse tre periodene, se figur 3. Vi ser at den observerte solflekkperioden siden 1700 inneholder tre perioder som alle stemmer overens innenfor måleusikkerheten med tidevannsperioder fra planetene. Den direkte tidevannsvirkningen på Sola fra planetene er meget liten. Venus og Jupiter gir størst virkning: 0,7-2 mm på soloverflaten. For at virkningen på Sola skal være observerbar må det finnes en mekanisme som forsterker de svake signalene. Dette kommer jeg tilbake til i slutten av artikkelen. Figur 3. Frekvensanalyse av månedlige solflekktall siden Toppene viser hvilke perioder som dominerer. Vi ser at solflekkperioden som i gjennomsnitt er 11 år består av fire perioder. Tre av disse finner vi igjen i samstilling mellom tidevannsplanetene Venus, Jorda og/eller Jupiter. Figur 4. Antall solflekkperioder med lengder i stolper på halve år. Vi ser at fordelingen er skjev, dvs. den er ikke symmetrisk om midtpunktet. Dette forteller oss at det er mer enn en solflekkperiode. ter, og de står i samme retning med 22,14 års mellomrom sett fra Sola. Men konfigurasjonen Sol-Venus-Jord-Jupiter har samme tidevannsvirkning som Jord-Venus-Sol-Jupiter og til sammen gir dette en tidevannsperiode på 11,07 år, som tilsvarer gjennomsnittlig solflekkperiodelengde siden Analyseres solflekktallet Bestemmelse av solflekkperiodens lengde Lengden av en solflekkperiode kan måles fra topp til topp, mellom maksima, eller mellom minima. En solflekkperiode starter ved at flekker med motsatt magnetisk polaritet dukker opp ved høye breddegrader, samtidig som det fortsatt er flekker igjen ved lave breddegrader fra den forrige perioden. Normalt er det to år der flekker fra to påfølgende perioder kan finnes samtidig. For å finne tidspunkt for maksimum og minimum av solflekkperiodene bestemmes topp og bunn av en glattet månedlig solflekkurve og en tilsvarende kurve for grupper av solflekker. For minima brukes i tillegg antall dager uten solflekker og hvor mange gamle og nye flekker som er tilstede samtidig. Siden lengden mellom solflekkminima er bestemt ved flere parametre, brukes dette som mål for solflekkperiodens lengde. En tabell over solflekkperioders maksima, minima og lengde kan lastes ned fra følgende nettsted: solar-data/solar-indices/sunspot-numbers/cycle-data/ table_cycle-dates_maximum-minimum.txt Variasjon av solflekkperiodens lengde Ut fra opptegnelser har det vært mulig å bestemme lengden på i alt 36 solflekkperioder. De varierer mellom 8,2 og 15 år. Midlere lengde er 11,06 ± 1,5 år. Sorterer vi solflekkperiodene etter lengde finner vi at halvparten er 10,7 år eller kortere, og den andre 11,0 år eller lengre. Pussig nok finner vi ingen solflekkperiodelengder mellom 10,7 og 11 år. Sorter vi lengdene i stolper med halvårs bredde får vi fordelingen som vist i figur 4. Vi ser at det er flest perioder med lengde omkring 10 år, mens vi kunne vente flest i 11-årsboksen hvis det er en såkalt normal fordeling. Denne 26 Astronomi 5/14

4 Figur 5. Solflekkperiodenes lengde siden Det er ikke umiddelbart lett å se noe mønster i variasjonene, men dette analyserer vi i figur 6 og 7. skjevheten forteller at det muligens er mer enn en solflekkperiode slik som vi fant ved analyse av solflekktallene. Variasjon av solflekkperiodens lengde siden 1615 Figur 5 viser lengden av solflekkperiodene siden På 1600-tallet varierer lengden av solflekkperioden svært mye. Det kan skyldes at det var få flekker (Maunder-minimum) og vanskelig å bestemme lengden. Mellom 1725 og 1800 er det flest korte perioder, mens det mellom 1800 og 1900 er flest lange. I forrige århundre var det igjen flest korte perioder. O-C analyse viser systematiske variasjoner i solflekkperiodelengden Astronomer som arbeider med variable stjerner har utviklet en teknikk som kalles O-C analyse. Dette er en enkel måte å lete etter perioder, og se om de er stabile. Analysen utføres på følgende måte: Vi starter med å anta at det finnes en fast periode, som for eksempel mellom formørkelser av formørkelsesvariable stjerner, mellom lysmaksima for variable stjerner etc. Har vi funnet en hendelse kan vi beregne når den neste skal inntreffe ut fra den antatte perioden. Dette kaller vi tidspunktet «C». Så observerer vi når hendelsen inntreffer (tidspunkt «O») og lager et diagram over avviket O-C. Hvis vi får en jevnt stigende O-C kurve er perioden lengre enn vi trodde, og vi kan korrigere perioden og derved C til vi får en kurve som ikke stiger (eller synker). Differansen O-C forteller om hendelsen kommer for tidlig eller for sent. Tenker vi på usikkerheten i bestemmelse av lengden av solflekkperioden, og da særlig muligheten for feil når det er lite solflekker, vil feil kunne korrigeres av tidspunkt for gode observasjoner når det er større variasjoner i solflekktallet. Vi bruker perioden P=11,06 år og beregner O-C for lengden av de 36 periodene som er observert. Resultatet er vist i figur 6. Vi ser at solflekkminimum har vært opptil 4 år for tidlig omkring 1620 og 1750, mens det har vært omtrent 4 år for sent omkring Etter 1900 har solflekkperiodene stadig blitt kortere, unntatt for periode 24 som ble to år lengre enn den foregående. Analyserer vi forløpet finner vi at det er en periode på ca. 190 år som kontrollerer lengden av solflekkperioden, og hvis den fortsetter å kontrollere, er vi nå i et århundre der vi kan vente oss lengre solflekkperioder. Astronomi 5/14 27

5 Figur 6. Her har vi antatt at den gjennomsnittlige solflekkperiodelengden er 11,06 år (stiplet vannrett linje). Den såkalte OC-analysen viser hvordan minima har kommet opptil fire år for sent eller for tidlig sammenlignet med gjennomsnittsperioden. En sinuskurve (rød) med periode 190 år og variabel amplitude gir best tilpasning til observasjonene. Figur 7. Den nederste kurven viser rekonstruert tiårs gjennomsnittlig antall solflekkgrupper for perioden (Usoskin m. fl. Astronomy & Astrophysics, 2007) forlenget til 2014 ved justerte internasjonale solflekktall (SILSO). Den øverste kurven viser 190-årsperioden som styrer lengden av solflekkperioden , forlenget over hele perioden. På denne er markert navngitte perioder for minimum aktivitet med en tykkere kurve. Siden alle minima har vært på oppstigende gren av denne sinuskurven, er et fremtidig (Ventet) minimum også antydet ved stiplet tykk kurve. etter Scafetta 190-årsperioden og dype minima i solaktivitet de siste 1000 år Selv om solflekktall eksisterer kun fra 1612 har det vært mulig å konstruere tidligere solflekktall fra årringer i trær og radioaktivt karbon, som samsvarer med solflekktallet i nyere tid. I figur 7 er vist en slik rekonstruksjon der også en enkel sinusfunksjon med periode på 190 år er tegnet inn. Sammenligner vi de konstruerte eldre solflekkdata med de nyere, ser vi at vi at solflekktallet det siste hundre år har vært det høyeste på tusen år. Videre ser vi at det alltid har vært et dypt solflekkminimum nær minima, eller litt etter minima, i 190-årsperioden. Alle de 5 solflekkminima har kommet i oppstigende fase av 190-års perioden. Det er derfor høyst sannsynlig at vi står foran et dypt solflekkminimum. Dette kan få betydning for klimaet på Jorda de neste tiårene. 28 Astronomi 5/14

6 Figur 8. Solsenterets bevegelse i forhold til Solsystemets barysentrum i årene 1980 til Barysenteret er det felles tyngdepunktet for alle legemer som finnes i Solsystemet. Enheter på aksene er solradius. Vi ser at solsenteret kan være opptil 2 solradier fra barysenteret. Solfoto: ESA/NASA 190-årsperioden kan forklares ved tidevannsplanetene Når to eller flere svingeperioder virker på et system, oppstår det en modulasjon av signalet som vi kaller beat-perioden. Vi har tidligere identifisert to viktige perioder for solflekkene: Hale-perioden på 22,14 år som kan skyldes Sola-Venus-Jord-Jupiter på linje, og Jupiter- Saturns synodiske periode på 19,86 år. Beatperioden for disse to er 193 år. Dette gir en god forklaring på 190-årsperioden. Solas bane slingrer på grunn av planetene kan det forklare solflekkperiodene? Figur 8 viser hvordan Sola har beveget seg i forhold til planetsystemets massesenter (kalt barysenteret) mellom 1980 og Som enhet er brukt Solas radius. Vi ser at Sola blir tvunget til å gjøre raske endringer i sin bane. Dette fører til akselerasjoner som gir krefter som virker også inne i Sola. Det er foreslått to mulige steder hvor slike krefter kan ha stor virkning, og gi den forsterking av planetsignalene som er nødvendig for at de kan observeres. Det ene forslaget er at mer masse blir presset inn i det området der kjernereaksjoner produserer energi i sentrum av Sola. Endring i energiproduksjonen fører til trykkbølger som vil få Solas diameter til å øke vi får mer solstråling. Forslaget begrunnes med at kjernereaksjoner i Sola gir et energiutbytte som er 4 millioner ganger sterkere enn det gravitasjonsvirkningen av tidevannskreftene gir. Dette kan ifølge Nicola Scafetta (2012) forklare variasjonene i innstråling fra Sola over en solflekkperiode. En annet forslag (Abreu, 2012) er at det laget der Solas dynamo ligger, forandrer form i takt med tidevannspåvirkningen fra planetene. Dette laget ligger et stykke under soloverflaten og det er allerede funnet ved heliosesmiske observasjoner at det avviker fra kuleform. Hvilke av disse to forslagene som er mest sannsynlige, er gjenstand for forskning. Analyserer vi periodiske variasjoner i hastigheten til solsenteret finner vi mange av de solflekkperiodene vi har beskrevet ovenfor. En økning av stråling fra Sola i fase med planetene Merkur, Venus, Jorda og Jupiter, er målt med flere satellitter i perioden Virkningen var størst når solaktiviteten var stor. Det er derfor mye som peker på at planetene bidrar til styring av Solas aktiviteter. Det er funnet andre sollignende stjerner som har aktivitetssykler med perioder mellom 7 og 14 år. Noen av disse har planeter. Det blir spennende å finne ut om også disse planetene styrer aktivitetsperiodene til moderstjerna. Astronomi 5/14 29