science >> Wetenschap >  >> Natuur

De ontbrekende schakel tussen exploderende sterren, wolken, en klimaat op aarde

Kosmische stralen die in wisselwerking staan ​​met de atmosfeer van de aarde produceren ionen die helpen kleine aerosolen om te zetten in condensatiekernen van wolken - zaden waarop vloeibare waterdruppels worden gevormd om wolken te maken. Een proton met een energie van 100 GeV interageert aan de bovenkant van de atmosfeer en produceert een cascade van secundaire deeltjes die moleculen ioniseren wanneer ze door de lucht reizen. Elke seconde raakt elke m2 aan de bovenkant van de atmosfeer een proton van 100 GeV. Krediet:H. Svensmark/DTU

Een doorbraak in het begrip van hoe kosmische straling van supernovae de bewolking van de aarde en daarom het klimaat van de aarde kan beïnvloeden, wordt vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie . De studie onthult dat atmosferische ionen, geproduceerd door energetische kosmische stralen die door de atmosfeer regenen, helpen bij de groei en vorming van wolkencondensatiekernen - de zaden die nodig zijn voor het vormen van wolken in de atmosfeer.

Wanneer de ionisatie in de atmosfeer verandert, het aantal wolkencondensatiekernen verandert, die de eigenschappen van wolken beïnvloeden. Meer wolkencondensatiekernen betekenen meer wolken en een kouder klimaat, en vice versa. Omdat wolken essentieel zijn voor de hoeveelheid zonne-energie die het aardoppervlak bereikt, de implicaties zijn significant voor het begrip van klimaatvariaties in het verleden en ook voor toekomstige klimaatveranderingen.

Wolkencondensatiekernen kunnen worden gevormd door de groei van kleine moleculaire clusters die aërosolen worden genoemd. Tot nu toe werd aangenomen dat extra kleine aerosolen geen wolkcondensatiekernen zouden worden, omdat er geen mechanisme bekend was om dit te bereiken. De nieuwe resultaten onthullen, zowel theoretisch als experimenteel, hoe interacties tussen ionen en aerosolen de groei kunnen versnellen door materiaal toe te voegen aan de kleine aerosolen, en daardoor helpen ze te overleven om wolkencondensatiekernen te worden. Het geeft een fysieke basis voor de grote hoeveelheid empirisch bewijs dat aantoont dat zonneactiviteit een rol speelt bij variaties in het klimaat op aarde. Bijvoorbeeld, de middeleeuwse warme periode rond het jaar 1000 na Christus en de koude periode in de kleine ijstijd 1300-1900 na Christus passen beide bij veranderingen in zonneactiviteit.

"Eindelijk, we hebben het laatste stukje van de puzzel dat uitlegt hoe deeltjes uit de ruimte het klimaat op aarde beïnvloeden. Het geeft inzicht in hoe veranderingen veroorzaakt door zonneactiviteit of door supernova-activiteit het klimaat kunnen veranderen, " zegt Henrik Svensmark, van DTU Space aan de Technische Universiteit van Denemarken, hoofdauteur van de studie.

Het fundamentele nieuwe idee in de studie is om een ​​bijdrage aan de groei van aerosolen op te nemen door de massa van de ionen. Hoewel de ionen niet de meest talrijke bestanddelen in de atmosfeer zijn, de elektromagnetische interacties tussen ionen en aerosolen compenseren de schaarste en maken fusie tussen ionen en aerosolen veel waarschijnlijker. Zelfs bij lage ionisatieniveaus, ongeveer 5 procent van de groeisnelheid van aerosolen is te wijten aan ionen. In het geval van een nabijgelegen supernova, het effect kan meer dan 50 procent van de groeisnelheid zijn, wat een impact zal hebben op de wolken en de temperatuur op aarde.

Om de resultaten te bereiken, een theoretische beschrijving van de interacties tussen ionen en aerosolen werd geformuleerd samen met een uitdrukking voor de groeisnelheid van de aerosolen. De ideeën werden vervolgens experimenteel getest in een grote nevelkamer. Vanwege experimentele beperkingen veroorzaakt door de aanwezigheid van kamerwanden, de verandering in groeisnelheid die moest worden gemeten was in de orde van 1 procent, die een hoge eis stelt aan de stabiliteit tijdens de experimenten, die tot 100 keer werden herhaald om een ​​goed signaal te krijgen ten opzichte van ongewenste fluctuaties. De gegevens zijn genomen over een periode van twee jaar met in totaal 3100 uur aan gegevensbemonstering. De resultaten van de experimenten kwamen overeen met de theoretische voorspellingen.

  • Kosmische stralen, hoogenergetische deeltjes die neerregenen van ontplofte sterren, klop elektronen uit luchtmoleculen. Dit produceert ionen, positieve en negatieve moleculen in de atmosfeer.
  • De ionen helpen aerosolen - clusters van voornamelijk zwavelzuur en watermoleculen - om zich te vormen en stabiel te worden tegen verdamping. Dit proces wordt nucleatie genoemd. De kleine aerosolen moeten bijna een miljoen keer in massa groeien om effect te hebben op wolken.
  • De tweede rol van ionen is dat ze de groei van de kleine aerosolen tot wolkencondensatiekernen versnellen - zaden waarop vloeibare waterdruppels worden gevormd om wolken te maken. Hoe meer ionen, hoe meer aerosolen wolkencondensatiekernen worden.
  • Lage wolken gemaakt met vloeibare waterdruppels koelen het aardoppervlak.
  • Variaties in de magnetische activiteit van de zon veranderen de instroom van kosmische straling naar de aarde.
  • Als de zon inactief is, magnetisch gesproken, er zijn meer kosmische stralen en meer lage wolken, en de wereld is cooler.
  • Als de zon actief is, minder kosmische straling de aarde bereikt en met minder lage bewolking, de planeet warmt op.

De implicaties van de studie suggereren dat het mechanisme van invloed kan zijn geweest op:

  • De klimaatveranderingen die in de 20e eeuw zijn waargenomen
  • De afkoelingen en opwarmingen van rond de 2°C die zich de afgelopen 10 keer herhaaldelijk hebben voorgedaan, 000 jaar, aangezien de activiteit van de zon en de instroom van kosmische straling varieerden.
  • De veel grotere variaties tot 10°C die optreden als de zon en de aarde door de melkweg reizen, het bezoeken van regio's met een wisselend aantal exploderende sterren.