Variabilidade solar e clima terrestre

Publicado: fevereiro 5, 2013 em Arquivo BFC!
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These six images from SDO, chosen to show a representative image about every six months, track the rising level of solar activity since the mission first began to produce consistent images in May, 2010. The period of solar maximum is expected in 2013. The images were taken in the 171 Angstrom wavelength of extreme ultraviolet light.

Jan. 8, 2013: No esquema galático das coisas, o Sol é uma estrela notavelmente constante. Enquanto algumas estrelas apresentam pulsações dramáticas, descontroladamente alternando em tamanho e brilho, e as vezes explodem, a luminosidade do nosso próprio sol varia míseros 0,1% ano ao longo do ciclo solar de 11 anos.

Há, no entanto, um crescente consenso entre os investigadores, que mesmo essas variações aparentemente pequenas podem ter um efeito significativo no clima terrestre. O novo relatório divulgado pelo National Research Council (NRC), “Os efeitos da variabilidade solar sobre o clima da Terra”, estabelece algumas das maneiras surpreendentemente complexas que a atividade solar pode fazer-se sentir no nosso planeta.

Entender a conexão entre Sol e Clima exige uma amplitude de conhecimento em áreas como a física do plasma, atividade solar, química atmosférica e dinâmica de fluidos, física de partículas energéticas, e até mesmo a história terrestre. Um único pesquisador não tem toda a gama de conhecimentos necessários para resolver o problema. Para avançar, a NRC tinha que convocar dezenas de especialistas de muitos campos em uma oficina. O relatório resume seus esforços combinados para enquadrar o problema em um contexto verdadeiramente multi-disciplinar.

Um dos participantes, Greg Kopp, do Laboratório de Física Atmosférica e Espacial da Universidade do Colorado, apontou que, enquanto as variações de luminosidade sobre o valor do ciclo solar de 11 anos são apenas de um décimo de um por cento da produção total do sol, uma fração tão pequena ainda é importante. “Mesmo típicas variações de curto prazo de 0,1% na radiação incidente pode exceder todas as outras fontes de energia (como a radioatividade natural no núcleo da Terra) combinadas”, diz ele.

De particular importância no sol é a radiação ultravioleta (UVE), com pico nos anos em torno do máximo solar. Dentro da faixa relativamente estreita de comprimentos de onda UVE, a saída do sol não varia de acordo com um minúsculo 0,1%, mas por fatores colossais de 10 ou mais. Isto pode afetar fortemente a estrutura química e térmica da atmosfera superior.

Space-borne measurements of the total solar irradiance (TSI) show ~0.1 percent variations with solar activity on 11-year and shorter timescales. These data have been corrected for calibration offsets between the various instruments used to measure TSI. SOURCE: Courtesy of Greg Kopp, University of Colorado.

Vários pesquisadores discutiram como as mudanças na atmosfera superior podem “escorrer” para a superfície da Terra. Há muitas vias “de cima para baixo” de influência do sol. Por exemplo, Charles Jackman do Goddard Space Flight Center descreveu como óxidos de nitrogênio (NOx) criadas por partículas energéticas solares e raios cósmicos na estratosfera poderiam reduzir os níveis de ozônio por alguns por cento. Porque o ozônio absorve a radiação UV, menos ozônio significa mais raios UV do sol atingindo a superfície da Terra.

Isaac Held da NOAA deu um passo a mais. Descreveu como perda de ozônio na estratosfera poderia alterar as dinâmicas da atmosfera abaixo dela.”O resfriamento da estratosfera polar associada com a perda de ozônio aumenta o gradiente de temperatura horizontal perto da tropopausa”, explica ele. “Isso altera o fluxo de energia angular por latitudes vórtices médias. [Energia angular é importante porque] o “saco” de energia angular da troposfera controla os westerlies (tempestades de ventos do oeste para o leste) superficiais “. Em outras palavras, a atividade solar sentida na atmosfera superior, pode através de uma complicada série de influências, empurrar faixas de tempestade de superfície para fora do curso.

How incoming galactic cosmic rays and solar protons penetrate the atmosphere. SOURCE: C. Jackman, NASA Goddard Space Flight Center, “The Impact of Energetic Particle Precipitation on the Atmosphere,” presentation to the Workshop on the Effects of Solar Variability on Earth’s Climate, September 9, 2011.

Muitos dos mecanismos propostos na oficina tinham um quê de “Rube Goldberg”. Eles se basearam em várias etapas de interações entre várias camadas da atmosfera e do oceano, alguns contando com a química para fazer seu trabalho, outros apoiando-se na termodinâmica ou na física de fluídos. Mas só porque algo é complicado, não significa que seja irreal.

Na verdade, Gerald Meehl do Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica (NCAR) apresentou evidências convincentes de que a variabilidade solar está deixando uma marca no clima, especialmente no Pacífico. De acordo com o relatório, quando os pesquisadores olham para os dados de temperatura da superfície do mar durante os anos de pico nas manchas solares, o Pacífico tropical mostra um padrão pronunciado de La Niña, com um resfriamento de quase 1°C no Pacífico equatorial oriental. Além disso, “há sinais de precipitação maior no ZCIT do Pacífico (Zona de convergência intertropical) e ZSCP (Zona Sul de Convergência do Pacífico), bem como acima do normal de pressão ao nível do mar em média de latitude no Norte e Sul do Pacífico “, correlacionada com picos no ciclo de manchas solares.

Os sinais de ciclo solar são tão fortes no Pacífico, que Meehl e seus colegas começaram a se perguntarem se algo no sistema climático do Pacífico está agindo para amplificá-las. “Um dos mistérios relacionados com o sistema climático terrestre  … é como as flutuações relativamente pequenas do ciclo solar de 11 anos podem produzir a magnitude dos sinais climáticos observados no Pacífico tropical”. Usando modelos com supercomputadores para modelagem de clima, mostramos que não só mecanismos “de cima para baixo”, mas também “de baixo para cima” que envolvem interações oceano-atmosfera são necessárias para ampliar o forçante solar na superfície do Pacífico.

Composite averages for December-January-February for peak solar years. SOURCE: G.A. Meehl, J.M. Arblaster, K. Matthes, F. Sassi, and H. van Loon, Amplifying the Pacific climate system response to a small 11 year solar cycle forcing, Science 325:1114-1118, 2009; reprinted with permission from AAAS.

Nos últimos anos, os investigadores consideraram a possibilidade de que o sol tem um papel no aquecimento global. Afinal, o sol é a principal fonte de calor para o nosso planeta. O relatório NRC sugere, no entanto, que a influência da variabilidade solar é mais regional do que global. A região do Pacífico é apenas um exemplo.

Caspar Amamn do NCAR observado no relatório que “Quando o balanço radiativo da Terra é alterado, como no caso de uma mudança na força do ciclo solar, nem todos os locais são afetados igualmente. O centro Equatorial do Pacífico é geralmente mais frio, o escoamento dos rios no Peru são reduzidos, e condições mais secas afetam parte ocidental dos EUA. “

Raymond Bradley da UMass, que estudou os registros históricos da atividade solar impresso por radioisótopos em anéis de árvores e núcleos de gelo, diz que as chuvas regionais parecem ser mais afetadas do que a temperatura. “Se há de fato um efeito solar sobre o clima, ele se manifesta por alterações na circulação geral, em vez de em um sinal de temperatura direto.” Isso se encaixa com a conclusão do IPCC e relatórios anteriores do NRC que a variabilidade solar não é a causa do aquecimento global nos últimos 50 anos. (Será? Com o balanço geral de radiação afetado, não teriamos mudança direta na temperatura? by: Fakeclimate)

Muito tem se falado da provável ligação entre o Mínimo de Maunder, com um déficit de 70 anos de manchas solares no século 17, até meados de 18, e a parte mais fria da Pequena Era do Gelo, durante o qual a Europa e América do Norte foram submetidos a invernos com muito frio. O mecanismo para que o resfriamento regional pode ter sido uma queda na saída do sol EUV, isto é, no entanto, especulativo.

The yearly averaged sunspot number for a period of 400 years (1610-2010). SOURCE: Courtesy of NASA Marshall Space Flight Center.

Dan Lubin, da Instituição Scripps de Oceanografia apontou o valor de olhar para estrelas como o sol em outras partes da Via Láctea para determinar a freqüência de similar grand minima. “As primeiras estimativas de frequência mínima em estrelas do tipo solar variou de 10% a 30%, o que implica que a influência do Sol pode ser avassaladora. Estudos mais recentes utilizando dados de Hipparcos (a Agência Espacial Europeia astrometria satélite) e devidamente representando a metalicidade das estrelas, coloque a estimativa na faixa de menos de 3%. “Este não é um número grande, mas é significativo.”

Na verdade, o sol pode estar no limiar de um evento de mini-Maunder agora. Ciclo Solar 24 em curso é o mais fraco em mais de 50 anos. Além disso, não há (controversa) evidências de uma tendência de enfraquecimento a longo prazo na intensidade do campo magnético de manchas solares. Matt Penn e William Livingston do Observatório Nacional Solar prevêem que, até o tempo do ciclo solar 25 chegar, os campos magnéticos no sol vão ser tão fracos que poucos ou nenhumas manchas solares serão formadas. Linhas independentes de pesquisa envolvendo heliosismologia e de superfície, campos polares tendem a apoiar a sua conclusão. (Nota: Penn e Livingston não eram participantes do seminário NRC).

“Se o sol realmente está entrando em uma fase estranha do ciclo solar, então devemos redobrar os nossos esforços para compreender a ligação sol-clima”, observa Lika Guhathakurta da NASA, vivendo como uma Star Program, que ajudou a financiar o estudo do NRC. “O relatório oferece algumas boas idéias de como começar.”

Em um painel de discussão de conclusão, os pesquisadores identificaram uma série de possíveis próximos passos. O primeiro deles foi a implantação de um gerador de imagem radiométrica. Dispositivos atualmente utilizados para medir a irradiância solar total (ETI) reduzir o sol inteiro para um único número: a luminosidade total somado em todas as latitudes, longitudes, e comprimentos de onda. Este valor integrado se torna um ponto solitário em uma série de controle de tempo de saída do sol.

Na verdade, como Pedro Foukal de Heliofísica, Inc., apontou, a situação é mais complexa. O sol não é uma bola fratulenta de luminosidade uniforme. Em vez disso, o disco solar é pontilhado pelos núcleos escuros de manchas solares e salpicado de espuma magnética brilhante conhecido como Faculae.

Radiométrica de imagens seria, essencialmente, mapear a superfície do sol e revelar as contribuições de cada um dos fatores para a luminosidade do sol. De particular interesse são a Faculae. Enquanto manchas escuras tendem a desaparecer durante mínimos solares, o Faculae brilhante não. Isso pode ser por que os registros paleoclimáticos de sol sensíveis a isótopos C-14 e Be-10 mostram um ciclo de 11 anos, mesmo durante o Mínimo de Maunder. Um “imager” radiométrico, implantado em alguns observatórios espaciais futurísticos, permitiriam aos pesquisadores desenvolver a compreensão de que necessitam para projetar o link sol-clima para prever um futuro de mais ou menos manchas mais prolongado.

This image of the Sun’s upper photosphere shows bright and dark magnetic structures responsible for variations in TSI. SOURCE: Courtesy of P. Foukal, Heliophysics, Inc.

Alguns participantes sublinharam a necessidade de colocar sol-clima de dados em formatos padrão e torná-los amplamente disponíveis para estudos multidisciplinares. Porque os mecanismos de influência do Sol no clima são complicados, pesquisadores de diversas áreas terão que trabalhar juntos para modelá-los com sucesso e comparar os resultados concorrentes. Colaboração permanente e melhorada entre a NASA, NOAA e NSF são as chaves para este processo.

Hal Maring, uma cientista do clima na sede da NASA, que estudou o relatório, observa que “muitas possibilidades interessantes foram sugeridas pelos painelistas. No entanto, poucos, se algum, foram quantificados a ponto de que podemos definitivamente avaliar o seu impacto sobre o clima. “Fortalecendo as possibilidades em concreto, os modelos físico-completos é um grande desafio para os pesquisadores.” (Repare o tamanho da incerteza! by: fakeclimate)

Finalmente, muitos participantes lembraram a dificuldade de decifrar o link sol-clima de registros paleoclimáticos, como os anéis das árvores e núcleos de gelo. Variações no campo magnético da Terra e da circulação atmosférica podem afetar a deposição de radioisótopos muito mais do que a atividade solar real. O melhor registro de longo prazo de irradiância solar pode ser codificada nas rochas e sedimentos da Lua ou Marte. Estudar outros mundos pode ser a nossa própria chave.

O relatório completo, “os efeitos da variabilidade solar sobre o clima da Terra”, está disponível a partir da National Academies Press em http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=13519

Traduzido por: Luis Fernando

Fonte:http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2013/08jan_sunclimate/

Author: Dr. Tony Phillips |Production editor: Dr. Tony Phillips | Credit: Science@NASA

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