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Los rayos cósmicos y las nubes: Los mecanismos potenciales
Filed under: Modelización del clima Ciencia del clima Sol-Tierra conexiones - Grupo @ 26 de septiembre 2011
Invitado Comentario por Jeffrey Pierce (Dalhousie U.)
He escrito este post para ayudar a los lectores a comprender los posibles mecanismos físicos detrás de las conexiones de rayos cósmicos. Pero primero que quiero explicar brevemente mi motivación.
Antes de la publicación de los resultados de la nucleación de aerosol a partir del experimento CLOUD en el CERN en la naturaleza hace varias semanas [Kirkby et al, 2011] , se me preguntó por la revista Nature Geoscience en escribir una " Noticias y opiniones "sobre los resultados de la nube para una ciencia general audiencia. Como un científico de aerosol, me encontré con los resultados que muestran las mediciones detalladas de las influencias de amoníaco, materia orgánica y los iones de los rayos cósmicos galácticos sobre la formación de aerosoles emocionante. Aunque ninguno de los resultados fueron totalmente inesperados, el papel todavía representa un gran paso adelante en nuestra comprensión de la formación de partículas. Este entusiasmo es lo que traté de transmitir a la audiencia general de científicos en las noticias y la pieza de vistas. Sin embargo, sólo se utiliza una pequeña parte de la editorial para discutir las implicaciones de los rayos cósmicos y las nubes porque (1) sentí que esas consecuencias sólo representan una pequeña porción de los resultados de nube, y (2) los resultados CLOUD abordar sólo uno de varias condiciones necesarias para que los rayos cósmicos que afectan a las nubes, y aún no han probado los otros.
Muchos de los artículos de noticias y blogs que cubren el artículo CLOUD comprensible que se centró mucho más en la conexión de rayos cósmicos, ya que es fácil de atar a este respecto en el debate sobre el clima. Aunque muchos de los artículos ha hecho un buen trabajo en comunicar los resultados CLOUD en el panorama general de las conexiones de rayos cósmicos, algunos de los artículos erróneamente afirma que los resultados CLOUD demostrado la física detrás de una conexión cosmic-ray/cloud/climate fuerte, y otros todavía acaba de conseguir que sea muy confuso. Una persona con la esperanza de aprender más sobre los rayos cósmicos y las nubes probablemente terminó confundido después de leer la serie de artículos publicados. Esta confusión potenciales (junto con muchos grandes preguntas y comentarios en mensaje CLOUD Gavin ) me motivó a escribir una descripción general de los posibles mecanismos físicos por los rayos cósmicos que afectan a las nubes. En este post, me centraré en lo que sabemos y no sabemos con respecto a los dos principales mecanismos propuestos físico que conecta los rayos cósmicos a las nubes y el clima.
Lo que sabemos y no sabemos acerca de la conexión entre los rayos cósmicos y las nubes y el climaEstos dos mecanismos propuestos son los iones en forma de aerosol de cielo despejado y la hipótesis de ion-aerosol-nube cerca de la hipótesis (usando la terminología de [Carslaw et al., 2002] ). El ion-aerosol de cielo despejado hipótesis se ha hecho la mayor parte de la atención convencional, y los resultados CLOUD reciente prueba de una parte de esta hipótesis. La hipótesis de la cerca de la nube ha recibido menos atención. Creo que esto es porque se conoce poco acerca de muchos de los procesos involucrados. No obstante, es una hipótesis fascinante y plausible, por lo que también se traten aquí. La pregunta central que necesitamos para responder en cualquiera de estas hipótesis es "¿Cuánto nubes cambian debido a un cambio en los rayos cósmicos?".
El ion-aerosol de cielo despejado hipótesisEl tema central de la hipótesis de cielo despejado es que los rayos cósmicos afectan a las concentraciones de iones en la atmósfera. Nucleación de aerosol (la formación de partículas ~ 1 nm en la atmósfera) es generalmente reforzada por la presencia de los iones. Las partículas formadas a través de la nucleación puede crecer a través de la condensación de ácido sulfúrico y vapores orgánicos con tamaños que pueden actuar como núcleos de condensación de nubes (CCN) (las partículas en la nube que forma gotas). Si CCN están expuestos a una humedad relativa por encima del 100%, gotas de las nubes se forman en ellos. Por lo tanto, un cambio en los rayos cósmicos podrían afectar el número de gotas de nubes, que a su vez puede afectar la cantidad de luz solar reflejada por una nube, la formación de la precipitación y la vida de la nube.
Figura 1. Descripción general de las partículas recién nucleadas, CCN y gotas de las nubes.Para que podamos entender la hipótesis de cielo despejado, y responder a la pregunta: "¿Cuánto nubes cambian debido a un cambio en los rayos cósmicos", debemos entender los siguientes sub-preguntas:
1. ¿Cuál es la formación de iones en el cambio de atmósfera debido a los cambios en el flujo de rayos cósmicos en la atmósfera (debido al ciclo solar, etc)?
2. ¿Cuánto tasas de nucleación de aerosol cambiar debido a cambios en las tasas de formación de iones?
3. ¿Cuánto concentraciones de CCN cambiar debido a cambios en las tasas de nucleación de aerosol?
4. ¿Cuánto nubes cambian debido a los cambios en las concentraciones de CCN?
Pregunta 1: ¿Cuál es la formación de iones en el cambio de atmósfera debido a los cambios en el flujo de rayos cósmicos en la atmósfera?De las cuatro preguntas, entendemos la pregunta 1 la mejor. Con la información actual sobre el campo magnético de la Tierra y la actividad solar, que tiene predicciones bastante robusto de la tasa de formación de iones de los rayos cósmicos. La siguiente figura muestra el cambio porcentual en la tasa de formación de iones de los rayos cósmicos entre el mínimo solar (rayos cósmicos) y el máximo solar (menos rayos cósmicos) [Usoskin y Kovaltsov, 2006] .
Figura 2. Cambio porcentual en la tasa de formación de iones en función de la altura y la latitud en la atmósfera de los rayos cósmicos entre un mínimo típico solar y máximo solar en la troposfera y la estratosfera inferior.Como se muestra en la figura anterior, la tasa de formación de iones de los rayos cósmicos varía de 50-20% en la mayor parte de la troposfera (la región de la atmósfera donde se forman las nubes). El cambio observado informado respecto de la cubierta de nubes bajas [4] es de alrededor del 6% con el ciclo solar (o 2% de cambio absoluto en la fracción de nubes bajas que cubren el planeta). Por lo tanto, la modulación de los iones es un orden de magnitud similar a la cantidad de cambio de la nube. Para que la hipótesis de cielo despejado a tener un gran efecto sobre las nubes, el cambio de 20.5% en las tasas de formación de iones necesidades de propagar de manera eficiente a los cambios en las propiedades del aerosol nucleación, CCN y de la nube. Así que ...
Pregunta 2: ¿Qué tanto las tasas de nucleación de aerosol cambiar debido a cambios en las tasas de formación de iones?
Los resultados CLOUD reciente en Nature directamente frente a esta pregunta (y esta pregunta sólo). Los resultados mostraron que en las condiciones de la cámara de niebla muestran que los iones de los rayos cósmicos de forma inequívoca la ayuda de nucleación de aerosol. Sin embargo, el papel de la nube no se ocupa directamente de la cantidad de las tasas de nucleación va a cambiar a partir de un cambio de 20.5% en las tasas de formación de iones, pero la inspección de la figura 2 en su artículo (así como de nuestra Figura 3) muestra que una duplicación de la concentración de iones lleva a algo menos del doble de la tasa de nucleación. Además, la duplicación de la concentración de iones requiere más que una duplicación de las tasas de formación de iones (debido a una mayor tasa de iones positivos y negativos re-combinar entre sí para formar moléculas neutras cuando las concentraciones de iones son más altos). Por lo tanto, un cambio de 20.5% en las tasas de formación de iones de rayos cósmicos cambios conducirán a menos que un cambio 20.5% en las tasas de nucleación. (Los resultados en la Figura 3 se refiere a una gama muy amplia de las concentraciones de iones, mucho más grande que nunca sería modulado por los cambios pertinentes en los rayos cósmicos.)
Figura 3. Figura 2 de Kirkby et al. (2011) muestra la velocidad de nucleación en función de la concentración de iones de dos condiciones diferentes (las dos líneas de color).Pregunta No. 3: ¿Cuánto concentraciones CCN cambiar debido a cambios en las tasas de nucleación de aerosol?
El impacto del cambio de las tasas de nucleación de aerosol sobre las concentraciones de CCN ha sido estudiada recientemente con varios modelos diferentes [Spracklen et al, 2008] [citar ref = "Makkonen et al, 2009"] 10.5194/acp-9-1747-2009 [/ cita] [Wang y Penner, 2009] [citar ref = "Yu y Luo, 2009"] 10.5194/acp-9-7691-2009 [/ cita]. En todos los casos, el cambio en el CCN es menor que el cambio en las tasas de nucleación. Otros dos documentos [Pierce y Adams, 2009] , [Snow-Kropla et al., 2011] han observado de forma específica esta cuestión en el contexto de los rayos cósmicos cambia, y se encontró que a pesar de que las tasas de nucleación están cambiando en un 1-5% en gran parte de la troposfera, los cambios en el CCN es normalmente de 0.1-0.2% en gran parte del mundo. La razón de esta fuerte amortiguación se muestra en la siguiente figura.
Figura 4. Esquema que muestra las razones de los cambios pequeños en el CCN a los cambios en las tasas de nucleaciónEn primer lugar, las emisiones primarias contribuyen a la CCN, así como la nucleación, y las emisiones primarias no se ven afectados por los rayos cósmicos. En segundo lugar, la probabilidad de que una partícula recién nucleados crecerá para convertirse en un CCN depende de si se puede crecer a partir de la condensación de ácido sulfúrico y vapores orgánicos en él antes de que la partícula se coagula con una partícula más grande (la reducción del número de partículas). Si la tasa de nucleación es mayor debido a los rayos cósmicos, que habrá más partículas que compiten por una cantidad fija de vapores condensables, y cada nueva partícula crecerán más lentamente. Además, la pérdida de la coagulación de las partículas se incrementa debido al aumento del número de partículas y el crecimiento más lento (las partículas se pierden a través de la coagulación con mayor rapidez en tamaños más pequeños).
Por desgracia, hasta donde yo sé esta pregunta sólo se ha abordado el uso de modelos. Mientras probamos el modelo de las incertidumbres conocidas en las entradas del modelo, es siempre una posibilidad de que nos falta algo. Afortunadamente, el crecimiento de las partículas ultrafinas de tamaño CCN deberían abordarse en futuros experimentos en la cámara de niebla, por lo que pronto también se han controlado las pruebas experimentales para comparar con los resultados del modelo.
Pregunta No. 4: ¿Cuánto nubes cambian debido a los cambios en las concentraciones de CCN?El aumento de las concentraciones de CCN conducir a una mayor concentración de gotas de las nubes. Más gotas de las nubes conducirá a una mayor reflexión de la luz solar desde la nube al espacio, y puede en determinadas circunstancias dar lugar a una reducción de las precipitaciones y una mayor vida útil de la nube. Lo mucho que estas propiedades de las nubes dependen de las concentraciones de CCN es un área importante de investigación en general. Las concentraciones de CCN han más que duplicado en muchas regiones contaminadas debido a las emisiones generadas por los humanos, por lo que estamos trabajando duro para entender cómo esto ha afectado a las nubes. Teniendo en cuenta que las concentraciones de CCN han cambiado tanto de la influencia humana, un cambio en el CCN de menos del 1% debido a los rayos cósmicos parece bastante menor. De hecho, reflectividad de las nubes, la precipitación y las nubes de por vida en general, va a cambiar en menos de un cambio en el CCN para la mayoría de las nubes (por ejemplo, sabemos que la cubierta de nubes no se ha más que duplicado debido a las emisiones generadas por los humanos). Por lo tanto, es poco probable que genere un cambio de ~ 6% en la cobertura nubosa (que figuran en las observaciones de las nubes con el ciclo de 11 años solares y disminuye después de Forbush) de menos de un 1% de cambio en el CCN.
Cielo despejado hipótesis resumen
En resumen, la hipótesis de cielo despejado es impulsada por los cambios en las tasas de 50-20% la formación de iones en la troposfera. Estos cambios de iones que necesitan para impulsar cambios en la nubosidad por varios puntos porcentuales a la cuenta de las correlaciones informó. Si bien la incertidumbre de los procesos permanecen, parece poco probable a mí (y la mayoría de los científicos que trabajan sobre la nube de aerosol interacciones que han compartido sus ideas sobre esta hipótesis conmigo) que este mecanismo será suficiente para cambiar considerablemente nubes. Yo no iría tan lejos para decir que el caso está cerrado en este mecanismo, pero si es importante que se debe haber algún factor de amplificación de una (o más) de las cuestiones descritas anteriormente que estamos al tanto. Por lo tanto, será interesante ver lo que los experimentos futuros CLOUD (u otros experimentos controlados) muestran con respecto a las preguntas # 3 y # 4.
Ion-aerosol-nube cerca de la hipótesisEl ion-aerosol cerca de las nubes hipótesis ha recibido menos atención que la hipótesis de cielo despejado, sin embargo, todavía hay investigación activa se hace en él. La hipótesis de cerca de las nubes tiene que ver con el circuito eléctrico mundial (véase el gráfico a continuación).
Figura 5. Esquema que muestra cómo los rayos cósmicos modular el circuito eléctrico global y puede afectar a la carga en torno a las nubes. Tormentas crear una separación de cargas con los iones positivos en la parte superior de la nube y los iones negativos en el fondo (esta carga negativa se descarga a través de un rayo en el suelo). La carga positiva en la parte superior de la nube se mueve a través de la atmósfera superior de la ionosfera conductora para dar la ionosfera una carga positiva. La diferencia de carga entre la ionosfera y la superficie de la Tierra impulsa una corriente eléctrica de la ionosfera a la superficie. La resistencia de la atmósfera para el flujo de corriente depende de las concentraciones de iones (iones más resistencia = menos). Por lo tanto, cuando más rayos cósmicos entran en la atmósfera, la electricidad fluye más rápidamente a través de la atmósfera.
Tormenta no las nubes, sin embargo, interrumpir la corriente eléctrica, ya en fase gaseosa concentraciones de iones dentro de las nubes son muy bajos lo que las nubes muy resistente al flujo de corriente eléctrica. Carga se acumula en la parte superior e inferior de la nube al igual que las placas cargadas en un condensador . Los rayos cósmicos podrían afectar a este cargo se acumulan a través del cambio de la resistencia del flujo de corriente en la atmósfera clara, sin embargo, la fuerza de este efecto aún no es bien conocida.
Esto puede tener un efecto sobre la propiedades de las nubes mediante la mejora de la tasa de colisiones entre las gotas de las nubes y los aerosoles y las gotas de las nubes. A menudo en las nubes, las gotas de agua líquida que existe, incluso cuando las temperaturas están muy por debajo de 0 º C (punto de congelación del agua). Las colisiones entre los aerosoles cargados con estas gotitas de la nube sobreenfriada puede permitir la congelación de las gotas, lo que podría conducir a la nube de fortalecimiento debido a el calor de la precipitación de la congelación o mejorado (nubes que consta de dos gotas de líquido y cristales de hielo son más eficaces en la generación de precipitaciones que las nubes de gotas que contienen una sola fase / cristales). Estos efectos, sin embargo, son todavía muy inciertos.
Figura 6. La mejora de la congelación de las gotas por colisión con aerosol cargado es un componente esencial del mecanismo de cerca de las nubes, pero que no se entiende bien.Las incertidumbres en el mecanismo de cerca de las nubes muy superiores a las del mecanismo de cielo claro (ni siquiera es claro si un cambio en el flujo de rayos cósmicos llevaría a cubrir más o menos nublado, a través del mecanismo de cerca de las nubes). Sin embargo, sigue siendo una interesante relación potencial entre los rayos cósmicos y las nubes que hay que explorar si queremos comprender cómo los rayos cósmicos pueden afectar a las nubes.
Consideraciones finalesMientras que reportaron correlaciones observadas entre los rayos cósmicos y las nubes son indicativos de los efectos de los rayos cósmicos en las nubes, los rayos cósmicos rara vez cambian sin otros insumos para el sistema de la Tierra también está cambiando (por ejemplo, total de la radiación solar o la energía solar eventos de partículas energéticas, ambos también impulsados por los cambios en el sol, pero distintos de los rayos cósmicos). Por lo tanto, tenemos que entender las bases físicas de cómo los rayos cósmicos pueden afectar a las nubes. Sin embargo, es claro que el trabajo mucho más que hay que hacer antes de entender adecuadamente estas conexiones físicas, y que no hay conclusiones generales sobre el efecto de los rayos cósmicos en las nubes y el clima pueden (o deben) ser elaborado a partir de la primera ronda de los resultados de CLOUD . Por último, se ha producido ninguna tendencia significativa en el flujo de rayos cósmicos durante los 50 años, por lo que si bien no podemos descartar los mecanismos de rayos cósmicos son pertinentes a los cambios climáticos históricos, ciertamente no han sido un factor importante en el cambio climático reciente.
FUENTE:
http://www.realclimate.org/index.php/archives/2011/09/cosmic-rays-and-clouds-potential-mechanisms/
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