O tym, jak promieniowanie kosmiczne NIE wpływa na klimat

Pod tajemniczym terminem „promieniowanie kosmiczne” kryje się strumień rozpędzonych cząstek materii (głównie protonów) pędzących przez przestrzeń kosmiczną. Od promieniowania słonecznego różni się ono tym, że… nie pochodzi ze Słońca, lecz z innych źródeł w kosmosie, np. eksplozji supernowych.

Strumień promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi zmienia się wraz aktywnością słoneczną. Kiedy aktywność słoneczna rośnie, wzmacnia się jednocześnie wytwarzane przez Słońce pole magnetyczne, osłaniające Ziemię przed napływem cząstek spoza układu słonecznego; gdy aktywność słoneczna zaś spada, jego pole magnetyczne słabnie, a strumień docierającego do Ziemi promieniowania kosmicznego rośnie, Usoskin i in. 2002). Można zaobserwować to na wykresie poniżej.

Dwadzieścia lat temu Henrik Svensmark opublikował prace, sugerujące istnienie korelacji pomiędzy natężeniem promieniowania kosmicznego, a pokrywą chmur niskich (czyli występujących na poziomie od kilkuset metrów do ok. 2,5km). Zmiany w zachmurzeniu pokrywały się czasowo z jedenastoletnim cyklem aktywności słonecznej (Svensmark i Friis-Christensen, 1997, Marsh i Svensmark, 2000). Pojawiła się też hipoteza, że to właśnie promieniowanie kosmiczne (poprzez swój wpływ na chmury) mogłoby powodować ocieplenie klimatu.

W międzyczasie okazało się jednak, że korelacja jest wątpliwa (inne analizy, w szczególności opierające się na danych satelitarnych, jej nie wykazały (Laken i in., 2012), a sam mechanizm, polegający na produkcji jąder kondensacji przez promieniowanie kosmiczne nie działa (Kulmala i in., 2010). Ponadto, w ostatnich 50 latach nie zaobserwowano istotnego, wieloletniego trendu w natężeniu promieniowania kosmicznego, którego obecność można by powiązać z obserwowaną zmianą klimatu.

Zanim stało się to jasne, postawiono kilka hipotez na temat możliwego związku promieniowania kosmicznego z zachmurzeniem. Najpopularniejsza dotyczyła jonizacji znajdujących się w powietrzu molekuł. Zwiększona w okresie podwyższonego natężenia promieniowania kosmicznego koncentracja jonów miałaby ułatwiać kondensację kwasu siarkowego i związków organicznych na najdrobniejszych (o średnicach rzędu 1nm) cząstkach aerozolu atmosferycznego. Dzięki tej dodatkowej warstwie, cząstki aerozolu mogłyby osiągać średnice rzędu 50-100 nm. Taki rozmiar pozwala im awansować do roli jąder kondensacji – cząstek, na których chętnie kondensuje również para wodna, i których obecność jest niezbędna do powstawania chmur w atmosferze ziemskiej. Pojedynczym molekułom pary wodnej trudno jest się połączyć by utworzyć kropelkę – łatwiej im osiąść na powierzchni znajdującego się w powietrzu jądra kondensacji. Wzrost liczby jąder oznaczałby wzrost liczby kropel chmurowych (więcej mniejszych kropel przy tej samej ilości skondensowanej wody), przez co chmury odbijałyby więcej promieniowania słonecznego i chłodziłyby klimatu. Spadek natężenia docierającego do Ziemi promieniowania kosmicznego miałby skutek odwrotny, powodując zmniejszenie liczby jąder kondensacji i zachmurzenia, co skutkowałoby ociepleniem klimatu (Pierce, 2017).

Do przetestowania ewentualnego związku jonizacji powietrza z zachmurzeniem, wykorzystano aparaturę badawczą dostępną w słynnym ośrodku CERN (Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych). W ramach eksperymentu CLOUD obserwowano powstawanie i wzrost jąder kondensacji w kontrolowanych warunkach tak zwanej komory chmurowej, czyli komory wypełnionej powietrzem o kontrolowanym składzie, z parą wodną i innymi domieszkami typowo występującymi w atmosferze, co przyniosło duże postępy w zrozumieniu niuansów tych procesów. Udało się przykładowo ustalić, że powstawaniu jąder kondensacji istotnie sprzyja obecność cząsteczek organicznych oraz jak przebiega tworzenie z ich udziałem jąder różnych rozmiarów (Riccobono i in., 2014, Kirkby i in., 2016). Zasadniczą częścią eksperymentu były jednak pomiary tego, jak na powstawanie jąder kondensacji wpływa obecność strumienia jonizujących powietrze rozpędzonych cząstek elementarnych – a właśnie w wytwarzaniu takich strumieni cząstek specjalizuje się CERN.

W opublikowanej ostatnio pracy Gordona i kolegów (2017) naukowcy wykazali, że wpływ zmian natężenia promieniowania kosmicznego, jakie występują pomiędzy maksimum i minimum aktywności słonecznej, na liczbę powstających w atmosferze jąder kondensacji jest zbyt mały, by zauważalnie wpłynąć na zachmurzenie. Chociaż podczas maksimum aktywności (silnym ekranowaniu Ziemi przed promieniowaniem kosmicznym) tempo powstawania w atmosferze małych cząstek spada, ale większy odsetek z nich ma szansę urosnąć do takich rozmiarów, żeby stać się jądrami kondensacji. Dodatkowo znaczna, dominująca część obecnych w atmosferze jąder kondensacji to cząstki emitowane z powierzchni Ziemi od razu „gotowe do pracy” – np. kryształki soli morskiej, pyły mineralne itp. – ich zawartość w powietrzu nie ma żadnego związku z promieniowaniem kosmicznym. Wypadkowo zmiana promieniowania kosmicznego oznacza więc, że koncentracja jąder kondensacji na poziomie występowania chmur niskich (gdzie efekt chłodzący jest najsilniejszy) zmienia się zaledwie o 0,2-0,3%, co w zgodzie z obserwacjami satelitarnymi (Laken i in., 2012) nie wystarcza do wyjaśnienia zmian pokrywy chmur rzędu 2%, wcześniej postulowanego przez Marsha i Svensmarka (2000). Jak pokazuje rysunek 4, nawet całkowite wytłumienie promieniowania kosmicznego w niewielkim stopniu wpłynęłoby na koncentracje jąder kondensacji.

Badania wpływu promieniowania kosmicznego na powstawanie i wzrost jąder kondensacji to doskonały przykład działania nauki: gdy pojawia się sensowna hipoteza, badacze opracowują i przeprowadzają eksperymenty, które pozwolą ją zweryfikować. Nawet jeśli weryfikacja okaże się negatywna, to przy okazji zdobywają dużo cennych informacji na pokrewne tematy – w tym przypadku o powstawaniu małych cząstek, szczególnie organicznych, w powietrzu pod wpływem promieniowania korpuskularnego.

Aleksandra Kardaś na podstawie Pierce, 2017, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski