Solen kan bromsa växthuseffekten

I slutet av 1800-talet kopplade forskare ihop två saker som inte verkade ha med varandra att göra – solfläckar och klimat. När historiska uppgifter om solfläcksförekomster jämfördes med klimatet här på jorden, framträdde ett tyd­ligt samband. Särskilt påtagligt var det under åren då lilla istiden hade sitt maximum och solfläckarna sitt minimum.
Nu finns det tecken på att solaktiviteten är på väg in i ett minimum igen – vilket kan ­innebära ännu en liten istid här på jorden.
Och det är kanske precis vad vi behöver.

HMI-instrumentet på SDO-satelliten under tillverkning. Med hjälp av det kan forskarna kartlägga hur solens komplicerade magnetfält förändras. Bild: Lockheed Martin

HMI-instrumentet på SDO-satelliten under tillverkning. Med hjälp av det kan forskarna kartlägga hur solens komplicerade magnetfält förändras. Bild: Lockheed Martin

När Galileo Galilei för första gången riktade ett teleskop mot solen i januari 1610 såg han fläckar på sol­ytan. Det var en vetenskaplig sensation, svårsmält för många kyrkliga företrädare som betraktade solen som gudomligt perfekt och felfri.
Men Galilei var inte den förste som la märke till solfläckar. Både greker och kineser hade observerat och beskrivit fenomenet över tusen år tidigare. Solfläckar kan ses med blotta ögat under vissa förhållanden då solen står så lågt att man titta på den utan att skada ögonen. År 1610 fanns det redan många observationer. Troligen var Galilei inte ens först med att se fläckarna i ett teleskop, men han var mån om att delge sina upptäckter och skicklig på att dokumentera sitt arbete och får därför ofta äran för upptäckten.

Galilei och andra fortsatte att studera hur solfläckarna kom och gick under 1600-talet. Under perioden 1645–1720 försvann de nästan helt. De var så sällsynta att en av tidens ledande forskare, Robert Boyle, skrev ett vetenskapligt papper om fenomenet när han äntligen fick syn på en.

Solen avbildad på tre olika sätt. Från vänster ett magnet­o­gram, i mitten ett foto i synligt ljus av fotosfären, det vill säga det vi upplever som ”solytan” samt ett foto i UV-våglängd. Man ser där också de magnetiska kraftlinjerna som bildar öglor ovanför solytan. Bild: JPL/California Institute of Technology

Solen avbildad på tre olika sätt. Från vänster ett magnet­o­gram, i mitten ett foto i synligt ljus av fotosfären, det vill säga det vi upplever som ”solytan” samt ett foto i UV-våglängd. Man ser där också de magnetiska kraftlinjerna som bildar öglor ovanför solytan. Bild: JPL/California Institute of Technology

Klimatet var bistert under denna period som var kulmen på en epok som blivit känd som lilla istiden. Stränga vintrar och kalla somrar, missväxt och elände präglade delar av världen. Att det skulle ha något med solfläckar att göra var det ingen som funderade på då. Men i slutet av 1800-talet kopplade forskarparet Walter och Annie Maunder ihop de två fenomenen efter att ha grävt i historiska arkiv och sammanställt tabeller över solfläcksaktivitet. Numera kallas därför perioder med inga eller mycket få solfläckar för Maunders minimum eller Maunderminimum.

SDO, Solar Dynamic Observatory, bevakar solen dygnet runt. Med dess instrument försöker man förstå hur solens magnetiska fält uppstår och hur de påverkar den omgivande rymden, inklusive jorden. Man studerar också variationer i utstrålningen. Bild: Nasa

SDO, Solar Dynamic Observatory, bevakar solen dygnet runt. Med dess instrument försöker man förstå hur solens magnetiska fält uppstår och hur de påverkar den omgivande rymden, inklusive jorden. Man studerar också variationer i utstrålningen. Bild: Nasa

Kalla fläckar

Solfläckarna är cirka 1 500 grader svalare än omgivningen och framstår därför som mörka. De kommer och går med ett maximum ungefär vart elfte år. Det kan mellan dessa maxima hända att solskivan är helt ren, men bara i några dagar. Under ett maximum är solen särskilt aktiv och het plasma från solytan slungas ut i rymden. När de laddade partiklarna når jorden kan elektronik och elektriska installationer störas, polarskenen blir intensivare och mer frekventa.

Elvaårscykeln är inte en fysikaliskt given självklarhet, och egentligen är det ett genomsnitt för hur solaktiviteten varierar. Sedan 1960-talet har astronomerna med spektralanalys studerat variationer i andra stjärnors utstrålning och slutit sig till hur deras solfläckscykler ser ut. Hos solliknande stjärnor varierar längden mellan maximum och minimum mycket från stjärna till stjärna. Det finns stjärnor som varierar i perioder likt vår sol, andra som befinner sig i ett Maunderminimum och sådana som varierar på ett kaotiskt sätt.

Ett utbrott på solen den 31 augusti 2012. Laddade partiklar som kastas ut i rymden kan störa elektronik och elektriska installationer på jorden. Men nu tycks solen vara på väg in i en lugnare fas. Bild: Nasa/Goddard Space Flight Center

Ett utbrott på solen den 31 augusti 2012. Laddade partiklar som kastas ut i rymden kan störa elektronik och elektriska installationer på jorden. Men nu tycks solen vara på väg in i en lugnare fas. Bild: Nasa/Goddard Space Flight Center

Under 1900-talet har solen varit mycket aktiv och solfläckarna talrika. Men i slutet av århundradet märktes en avmattning och en känd solfysiker, Mike Lockwood, förutsade för några år sedan att den 25:e solfläckscykeln (en allmänt vedertagen numrering) med maximum på 2020-talet skulle bli ett Maunderminimum. Med facit i hand vet vi nu att han hade fel - cykeln ser ut ungefär som sin föregångare.

Nu har solforskarna betydligt mer data att arbeta med sedan SDO, Solar Dynamic Observatory, sköts upp 2010 till en bana varifrån solen kan övervakas dygnet runt. SDO ”ser” också vad som händer inne i solen - både i dess magnetfält och i ”solbävningar”, det vill säga stora rörelser i den plasma solen består av.

Öglorna av magnetiska flöden kan nå högt upp i koronan. I området där dessa kraftlinjer bryter ut ur solens inre brukar det finnas solfläckar. Bild: Nasa

Öglorna av magnetiska flöden kan nå högt upp i koronan. I området där dessa kraftlinjer bryter ut ur solens inre brukar det finnas solfläckar. Bild: Nasa

Kaotisk magnetism

Temperaturen i solen är så hög att elektronerna rör sig fritt och inte är bundna till atomkärnor, ett materialtillstånd som kallas plasma.

Alla partiklar på solen är därför elektriskt laddade och plasmaströmmarna skapar starka magnetiska fält.

Den största solfläcken i den 24: solfläckscykeln sådan den tedde sig den 18 oktober 2014. Dess storlek motsvarade tio jorddiametrar. Bild: Nasa/SDO

Den största solfläcken i den 24: solfläckscykeln sådan den tedde sig den 18 oktober 2014. Dess storlek motsvarade tio jorddiametrar. Bild: Nasa/SDO

I grunden har solen ett sydpolsfält och ett nordpolsfält, men också ett magnetfält kring ekvatorn. Solen är dock inte en fast kropp och den roterar snabbare kring ekvatorn än närmare polerna. Magnetfälten vrids och snurras upp på ett tilltrasslat sätt, vilket gör att de blir mycket komplicerade eller rent kaotiska.

Forskarna kan i dag följa magnetiska kraftlinjer som rör sig fram och tillbaka mellan ekvatorzonen och polerna. När de vrids på grund av hastighetsskillnaderna i solplasman får de en högre energi. Fluxtuber - magnetiska kraftlinjer som är omkring 70 kilometer tjocka - slår då igenom sol­ytan och försvinner sedan i en båge ner i djupet. Det är i områden som fluxtuberna når solytan som solfläckarna uppstår.

Idag har forskare möjlighet att se förstadierna till fluxtuber och kan därför förutsäga solaktiviteten relativt tidigt. Det går att se en avmattning under de senare åren.

– Nära maximum på varje elvaårscykel sker en polomkastning på solen, säger docent Henrik Lundstedt vid Institutionen för rymdfysik. Den senaste omkastningen har förvånat alla.

Den var kraftigt försenad och processen vid nord- och sydpolen inträffade ovanligt nog vid olika tidpunkter. Detta är något vi inte har sett tidigare.

Ett så kallat fjärilsdiagram över drygt hundra års solfläckar. Som synes fördelar de sig jämt över solens norra och södra halvklot.

Ett så kallat fjärilsdiagram över drygt hundra års solfläckar. Som synes fördelar de sig jämt över solens norra och södra halvklot.

Medan solfläcksobservationerna sträcker sig hundratals år bakåt i tiden är magnetogram - kartor över solytans magnetism - något nytt. Den längsta serien av sådana data har samlats in av Wilcox Solar Observatory i Stanford, Kalifornien. Tidskriften Nature har publicerat en uppseendeväckande matematisk analys av dem med V V Zharkova som huvudförfattare. Den sträcker sig från 21:a till och med 23:e cykeln.

– Man har komprimerat magnetdata och fått fram två huvudkomponenter. Dels har man en perfekt överensstämmelse med solfläcksvariationerna. Men man får också fram en längre solcykel som varar i drygt 350 år. Och var hamnar vi om vi extrapolerar bakåt i tiden? Jo, i Maunderminimumet på 1600-talet. Fortsätter man längre bakåt kommer man till en period med förhöjd solaktivitet 800 - 1200 e.Kr. Och mycket riktigt - det var en period så varm att man i Sverige kunde dricka vin odlat i Cambridge och Oxford, säger Henrik Lundstedt och fortsätter:
– Man kan naturligtvis också extrapolera framåt i tiden. Vi är på väg in i den 25:e cykeln med ett maximum på 2020-talet och den förefaller vara lika svag som den 24:e – som var den svagaste på hundra år. Den 26:e på 2030-talet kan mycket väl bli ett nytt Maunderminimum.

Någon enighet bland forskare om att vi är på väg mot ett nytt Maunderminimum finns dock inte. Även om vi ser att solens magnetfält förändras i cykler som tycks vara ganska stadiga, är förhållandena på vår stjärna så kaotiska att det inte går att göra exakta beräkningar om framtiden. Om det är ett nytt Maunderminimum på gång, kan det innebära en välbehövlig avkylning och en broms av den globala uppvärmningen. Man ska dock vara medveten om att det är en tillfällig nedkylning. Solaktiviteten kommer att öka igen.

Fakta: 
Lilla istiden
En ”frost-marknad” på den igenfrusna Themsen vintern 1683-84 målad av Thomas Wyke.

En ”frost-marknad” på den igenfrusna Themsen vintern 1683-84 målad av Thomas Wyke.

Den solfäcksfria perioden 1645 - 1720 är en del av en längre epok känd som lilla istiden. Vintrarna var stränga och somrarna kylslagna, blåsiga och torra. Under Maunder-minimumet rådde missväxt på flera håll. Sanddyner började vandra in över odlingsbar jord i Nordafrika, Turkiet och centrala Europa. Themsen var isbelagd flera vintrar och att isen måste ha varit mycket tjock framgår av målningar av de stora marknader som hölls på floden.

På Kreta rapporterades om snöfall och i norra Italien var medeltemperaturen några vintrar så låg som minus tre grader Celsius. I norra Atlanten försvann torsken nästan helt eftersom fiskens lever tog skada av den låga vattentemperaturen. De kalla vindarna från norr kan ha orsakats av växande polarisar.

Lilla istiden satte också sina spår i den svenska historien. När Stora och Lilla Bält frusit till i januari 1657 tågade Karl X Gustav över dessa isar med sin armé. Danskarna led sitt största nederlag någonsin mot svenskarna och tvingades i freden i Roskilde att ge upp en tredjedel av sitt territorium, bland annat Halland, Skåne och Blekinge.

Så påverkas klimatet av solfläckar
Den kosmiska strålningen har ökat tydligt under de senaste två åren enligt mätningar gjorda mellan den 27 december 2014 och den 14 juni 2017. Strålningen har mätts uppe i stratosfären med utrustning som lyfts av heliumballonger. Gray är enheten för absorberad strålning, där en Gray är en joule per kg. Data från Earth to Sky Calculus

Den kosmiska strålningen har ökat tydligt under de senaste två åren enligt mätningar gjorda mellan den 27 december 2014 och den 14 juni 2017. Strålningen har mätts uppe i stratosfären med utrustning som lyfts av heliumballonger. Gray är enheten för absorberad strålning, där en Gray är en joule per kg. Data från Earth to Sky Calculus

Solfläckar har i sig ingen direkt inverkan på jordens klimat. När de försvinner är det en indikation på att någon annan faktor i solaktiviteten också har förändrats - men vad? En teori är att solen utstrålar mindre ultraviolett ljus. Den danske solfysikern Henrik Svensmark har lanserat en annan teori som tilldragit sig allt större intresse. Den utgår från antagandet att solens magnetfält försvagas under ett solfäcksminimum.

Tillsammans med det jordmagnetiska fältet skyddar detta magnetfält oss från den kosmiska strålningen. Under ett minimum träffas vi alltså av mer kosmisk strålning och när partiklar från den kolliderar med molekyler högt uppe i vår atmosfär bildas partiklar som fungerar som kondensationskärnor. Runt dessa kondenserar vattenånga och det bildas moln. Molnen gör så att solens trålar inte når jordytan i samma utsträckning och klimatet blir kyligare.

Det finns ett par rön som understöder teorin. Långt innan den framkastades hade astronomen John Allen Eddy upptäckt en intressant sak i årsringar i trä som bildats under Maunderminimumet. De hade en ovanligt hög halt av den radioaktiva isotopen kol-14. Den kan ha bildats när kosmisk strålning slagit sönder kväveatomer i atmosfären.

En annan indikation är av färskt datum. Studenter vid Stanforduniversitetet skickar ofta upp ballonger för att mäta den kosmiska strålningen. Under dagar när det varit utbrott på solen med förmodad högre magnetisk aktivitet har den kosmiska strålningen blivit svagare. Det kan alltså finnas en koppling inte bara mellan solmagnetismen och klimatet – väderleken från dag till dag kan också påverkas.

Kartlagd magnetism
Ett magnetogram från den 25 september 2017. Svarta fläckar är magnetiska sydpoler och vita fläckar nordpoler. När de ligger intill varandra indikerar det att en magnetisk ögla skär genom solens yta. Bild: Stanford/HMI

Ett magnetogram från den 25 september 2017. Svarta fläckar är magnetiska sydpoler och vita fläckar nordpoler. När de ligger intill varandra indikerar det att en magnetisk ögla skär genom solens yta. Bild: Stanford/HMI

Tack vare rymdobservatorier som SOHO och SDO kan man nu följa processer inne i solen ner till ett djup av 70 procent av solradien. Av särskild vikt för att studera uppkomsten av solfäckar är HMI (Helioseismic and Magnetic Imager), ett av tre instrument på SDO.

Det ljus som faller in i HMI passerar först ett filter så att man kan välja att undersöka olika typer av spektra. Genom att analysera hur vissa spektrallinjer - till exempel linjerna för järn - påverkas av solens magnetfält är det möjligt att skapa en karta över hela solytan, ett magnetogram. Där kan man se hur magnetiska kraftlinjer skjuter upp eller ner genom solytan. Förskjutningar av spektrallinjerna mot den röda eller blå delen av spektrat avslöjar om strömmar av plasma rör sig bort från eller mot observatören.

Material från
Allt om Vetenskap nr 11 - 2017

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter