Auringon aktiivisuuden vaikutus säähän ja ilmastoon

Auringon aktiivisuuden vaikutus säähän ja ilmastoon on oletettu auringonpilkkuluvun ja lämpötilan välinen yhteys. Kun auringonpilkkuja on vähän, Maassa on viileämpää. 150 viime vuoden ajalla näkyy selvä yhteys auringonpilkkujen määrän ja lämpötilan välillä. Auringon aktiivisuuden aiheuttamat säämuutokset ovat yhä tieteellisten kiistojen aihe, koska ei tiedetä mekanismia millä auringonpilkkujen määrien muutos vaikuttaa säähän. Joka tapauksessa pienen jääkauden aikana oli 1600- ja 1800-luvuilla kaksi suurta auringonpilkkuminimiä.

Miksi auringonpilkkujen väheneminen viilentää säätä 

Monet lähimenneisyydessä ja nykyaikana tehnyt havainnot viittaavat auringonpilkkujen määrän ja ilmaston väliseen yhteyteen.

Auringonpilkkujen lisääntyminen on lämmittänyyt pohjoista pallonpuoliskoa vuodesta 1950, vaikka kasvihuoneilmiötä ei oteta lukuun. Auringonpilkkujen osuus lämpötilan muutoksesta on noin 10–20 %.
Historiallisesti auringonpilkkujen vaihtelu näkyy mm hiili-14:n ja beryllium-10:n määrissä.
Auringonpilkkujen määrän pieneneminen lisää auringon pinnan säteilyä, koska kylmät, tummat pilkut poistuvat. Toisaalta Auringossa on auringonpilkkujen ympärillä fakuloiksi kutsuttuja kirkkaita renkaita. Ne säteilevät säteilyä.
Auringon säteily vaihtelee pilkkujakson aikana 0,11–0,15 %, ja saattoi pienetä Spörerin ja Maunderin minimien lähes pilkuttomina jaksoina 0,25–0,4 % jolloin Maan keskilämpötila putosi 0,3–0,5 C. Auringosta tuleva hiukkassäteily, aurinkotuuli vaihtelee auringonpilkkuluvun mukaan. Tämä voi vaikuttaa otsonin määrään ja sitä myötä maan lämpötiloihin.

Auringonpilkkujen vaikutus Auringon säteilyyn on mutkikas juttu, koska Aurinko säteilee monille eri aallonpituuksilla. Auringonpilkut toisaalta vähentävät, toisaalta lisäävät eri aallonpituuksilla Auringosta lähtevää säteilyä. Yllättäen tumma auringonpilkku säteilee enemmän kuin normaali vaalea Auringon pinta.

Mutta toisaalta auringonpilkkujen määrän pieneneminen lisää varsinkin lyhytaaltoista ultraviolettisäteilyä, jota viileät auringonpilkut synnyttävät vähän. Tämä paksuntaa otsonikerrosta, mikä kuumentaa ilmakehän yläkerroksia ja viilentää alakerroksia. Tämä taas vaikuttaa pilvien syntyyn, ja pilvisyys muuttuu auringonpilkkujakson mukana 2 %.
Toisaalta auringonpilkkujen määrän pieneneminen vähentää Auringon kokonaissäteilyä eli aurinkovakiota. Aurinkovakion vaihtelu pilkkujakson aikana on keskimäärin 0,1 %, mutta yksittäisten pilkkujen ja muiden tekijöiden aiheuttamat vaihtelut ovat suurempia, jopa 0,3 %. Auringonpilkkujen määrä lisää aurinkotuulta, joka ajaa Aurinkokunnan ulkopuolelta tulevaa kosmista säteilyä pois. Kun aurinkotuulen määrä kasvaa, tulee enemmän revontulia.

Tanskalaisen Hanrik Svensmarkin mukaan auringonpilkut lisäävät pilvisyyttä. Svensmarkin mukaan aurinngonpilkut auringonpilkkumäärän lisääntyminen lisää kosmista säteilyä pois ajavaa aurinkotuulta. Pilvet syntyvät Maassa siten, että vesihöyry tiivistyy pieniksi pilvipisaroiksi muun muassa varautuneiden hiukkasten ympärille. pilvethän ovet pieniä vesipisaroita, ei vesihöyryä. Koska kosmisen säteilyn varaamat hiukkaset synnyttävät ilmaan veden tiivistymiskeskuksia. Tällöin pilvisyys ja sateet vähenevät.

Mutta toisaalta havaintojen mukaan pilvisyys on lisääntynyt 50-luvulta lähtien ehkä kasvihuone-ilmiön takia. Toinen mahdollinen mekanismi on, että auringonpilkkuminimin aikana UV-säteily lisääntyy jopa 10 %. Lisääntynyt UV-säteily synnyttää otsonia, joka kuumentaa stratosfääriä. Tällä on vaikutus alempana troposfäärissä puhaltaviin suihkuvirtauksiin ja pilvisyyteen.

Auringonpilkkujen vaikutus säähän perustuu erään teorian mukaan ultraviolettisäteilyn vaihteluihin. Kun auringonpilkkuja on paljon, Aurinko säteilee enemmän ultraviolettia. Ultraviolettisäteilyn vaihtelu muuttaa otsonikerrosta. Lämpiminä kausina pohjoisia leveyksiä lämmittävät lisääntyneet pohjois-eteläsuuntaiset virtaukset. Tällöin auringon aktiivisuuden vaihtelut muuttavat suursäätiloja. Mutta tämäkin teoria ei vastaa havaintoja, koska stratosfääri on lämmennyt otsonikerroksen heikennyttyä nykyisessä ilmastonmuutoksessa.

Kun auringonpilkkuja on vähän, sää on kolea ja sateinen Suomen leveyksillä 50 leveyspiirin pohjoispuolilla. Kun auringonpilkkuja on paljon, on lämmintä. Tämän ajatuksen mukaan Suomessa oli kylmää 1960–1980 ja lämmintä 2000–2020.

Auringonpilkut liittyvät auringon magneettikenttien vaihteluun. Erityisen heikkoa auringon aktiivisuus oli noin 1640–1715. Aktiivisuus voimistui 1720–1800, mutta heikkeni merkittävästi noin 1800–1830. Auringonpilkkuja näkyi taas enemmän 1840–1870. Hieman normaalia vähemmän auringonpilkkuja oli 1880–1940. Pieni jääkausi 1550–1850 sattui suurten auringonpilkkuminimien aikaan. Suurten minimien aikana kosmine säteily on C-14 ja beryllium-mittausten mukaan pienentynyt.

Viilenemiset

Auringon pilkkuluvun pienemisen oletetaan viilentäneen Maan säätä pienen jääkauden aikana 1500–1800-luvuilla. 1600-luvulla auringonpilkkujakso luultavasti melkein hävisi ja niin sanotun Maunderin minimin aikaan Ludvig XVI:n hallitessa Ranskaa Thamesjoki ja Tanskan salmet jäätyivät ja Alppien jäätiköt kasvoivat. Mutta vuoden keskilämpötila laski Englannissa vain 0,5 astetta. Auringonpilkkujakso palasi taas suunnilleen 1720, mutta heikkeni jonkin verran 1795–1830.

Auringonpilkkuja ei näkynyt vuosina 579–808, 1403–1519, 1521–1604 ja 1639–1720/1645–1715.  revontulia ei juuri näkynyt 1400-luvulla ja 1500-luvun alussa. Vuosina 1550–1600 ja 1620–1645 näkyi runsaasti revontulia, mutta vuosina 1645–1715 näkyi vain vähän revontulia.

Vuosina 1460–1550 ja 1645–1715 syntyi vähän hiili-14:aa puiden vuosirankeisiin..

Pariisissa ja Lontoossa oli ankaria talvia 1000–1100, 1420–1500 ja 1600–1700.. Erityisen kylmää oli 1430–1450 luvulla.. Kylmyys luultavasti hävitti skandinaavien Grönlannin siirtokunnat 1400-luvulla.
Keski-Euroopan puuraja laski vuoristossa 1300–1500 100–200 m aiempaa alemmas, ja viininviljelyn yläraja laski Saksan badenissa noin 220 m alemmaksi.

Kaliforniassa oli lämmintä 1100–1200 ja 1420–1500 jaa. kylmää. Noin 1450 oli Kaliforniassa ja Meksikossa kylmää, ja asteekkien valtakunnassa 1450-luvulla lumi- ja raesateita ja nälänhätä. 1400-luvun kylmeneminen näkyy myös Uuden Seelannin tippukivissä.

Maailman jäätiköt kasvoivat tutkimusten mukaan 4000–3000 eaa. ja 1350–500 eaa., sekä monessa vaiheessa vuoden 500 jaa. jälkeen. Tämä kytkeytyy hiili-14:n määrän vaihteluihin. Alppien jäätiköt kasvoivat vuosina 1400–1300 eaa., 1400–900 eaa., 500–300 eaa., 400 jaa. – 650 jaa.. Vaihtelut viittaavat voimakkaaseen 2000–2500 vuoden jaksoon, jonka päällä on lyhyempiä jaksoja, joista yksi on 200 vuoden jakso, toinen ehkä 600 v.

Sään lämpenemisen 1900-luvun loppua kohti uskotaan osin johtuvan Auringon aktiivisuuden muutoksesta, vaikka kasvihuoneilmiö onkin suurempi lämmittäjä.

Auringon aktiivisuutta mitataan auringonpilkkujen runsaudesta lasketulla Wolfin luvulla eli Zürichin auringonpilkkuluvulla. Arvellaan auringon aktiivisuuden vaikuttavan maan säähän. Kausina, jolloin on vähän auringonpilkkuja, aurinko säteilee normaalia vähemmän ja maassa on noin asteen verran viileämpää.  
Oletetun 85-vuotisen jakson maksimeja oli 1770, 1845 ja 1940. Normaalin auringonpilkkujakson pituus on noin 11 vuotta, mutta jakson pituus vaihtelee muutamilla vuosilla. Sen alla on luultavasti voimakkaampi pitkä jakso, jonka pituus on 60–100 vuotta.

Auringonpilkkujen pieni määrä lisää hiili-14:n määrää 20–30 % verrattuna aikaan, jolloin auringonpilkkuja on paljon. Enin osa Auringon säteilystä tulee sen pinnasta, fotosfääristä, jonka lämpötila on normaalisti noin 6 000 K ja pilkun kohdalla noin 4 200 K.

Havaintojen mukaan Aurinko näyttää vaikuttavan kosmisen säteilyn määrään ja Maan ilmastoon, vaikka ilmiötä ei kyetä selittämään. On myös oletettu, että auringon säteily vaihtelisi suuremmisa, esimerkiksi noin 2 300 vuoden jaksoissa.

Auringonpilkkujen määrän normaali 11-vuotinen vaihtelu ei vaikuta Auringon säteilyyn kovinkaan paljon. 11-vuotisen auringonpilkkujakson aikana aurinkovakio 1 366 W/m² vaihtelee 0,1 % eli noin 1 W/m².

Auringon aktiivisuus ja ilmastonmuutos 

Auringon aktiivisuuden on ehdotettu vaikuttaneen viimeaikaiseen ilmaston lämpenemiseen mahdollisesti pilvisyyteen liittyvien palautekytkentöjen voimistamana. Auringon aktiivisuuden kasvu aiheuttaa maanpinnan lämpenemisen lisäksi stratosfäärin lämpenemistä, kun taas kasvihuoneilmiön aiheuttama lämpeneminen johtaa stratosfäärin viilenemiseen. Stratosfäärisen otsonin vähenemisellä on niin ikään viilentävä vaikutus, joskaan merkittävää otsonikerroksen ohentumista ei tapahtunut ennen 1970-luvun loppua. Alemman stratosfäärin viilenemistä on havainnoitu ainakin vuodesta 1960 lähtien. Erään tutkimuksen mukaan auringon aktiivisuudessa 1980-luvun puolivälistä eteenpäin tapahtuneilla muutoksilla on voinut olla vain ilmastoa viilentävä vaikutus. Muilla ilmiöillä, kuten auringon aktiivisuudella yhdistettynä tulivuorten toimintaan, on luultavasti ollut lämmittävä vaikutus esiteollisesta ajasta 1900-luvun puoliväliin asti, mutta siitä eteenpäin vaikutus on ollut viilentävä. Auringon aktiivisuus ei siten ole viimeaikaisen lämpenemisen pääasiallinen aiheuttaja. Hallitustenvälinen ilmastopaneeli IPCC arvioi, että auringon irradianssissa vuodesta 1750 eteenpäin tapahtuneiden muutosten säteilypakote on noin +0,12 W/m2, hiilidioksidin säteilypakotteen ollessa noin +1,66 W/m2.

Jotkin tutkimukset viittaavat kuitenkin siihen, että auringon vaikutusta on saatettu aliarvioida. Kaksi tutkijaa Duke Universitystä ovat arvioineet, että 40–50 % maailmanlaajauisten pintalämpötilojen kasvusta 1900-luvulla ja noin 25–35 % vuosina 1980–2000 on johtunut auringosta. Kyseistä tutkimusta on kritisoitu mm. RealClimatessa. Toinen tutkimus viittaa siihen, että ilmastomalleissa kasvihuonekaasujen vaikutus suhteessa auringon säteilyyn on yliarvioitu samalla, kun vulkaanisen pölyn ja sulfaattiaerosolien viilentävä vaikutus on aliarvioitu. Tutkimus kuitenkin toteaa, että vaikka ilmasto olisi arvioitua herkempi aurinkopakotteille, viimeaikainen lämpeneminen johtuu kasvihuonekaasupitoisuuksien kasvusta.

Lähteet 
 
 Jorma Keskitalo: Maapallon muuttuva ilmasto. Tammi, 2005.
 
 

Artturi Similä & Toivo Vuorela: Artturi Similän sääkirja, Porvoo: WSOY, 1981. Sarja Isoseepra. ISBN 951-0-09848-5 (sid.)

Viitteet 

Paleoklimatologia
Ilmastohistoria