Experiment CLOUD má studovat vliv kosmického záření na tvorbu oblačnosti a tím i klima

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha

Nedávno vyšel na Oslovi článek o poslední práci Henrika Svensmarka o možném vlivu kosmického záření na tvorbu zemské oblačnosti, a to té v nejnižších vrstvách atmosféry. Zmíněný vědec předpokládá, že zvýšený podíl kosmického záření dopadající do zemské atmosféry vede ke zvýšené tvorbě oblačnosti a tím i k ovlivnění klimatu. V současné době začíná v laboratoři CERN pracovat experiment CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets), který by měl pomoci objasnit mechanismy, které vedou k tvorbě oblačnosti díky kosmickému záření. Mohl by tak zjistit míru možného vlivu kosmického záření na vývoj klimatu a buď podpořit nebo vyvrátit hypotézy Henrika Svensmarka. Než se podíváme na samotný experiment a jeho cíle, připomeňme si o jaké předpoklady se Svensmarkovův model opírá.

Hypotéza o vlivu galaktického kosmického záření na tvorbu oblačnosti

V roce 1997 publikovali Henrik Svensmark a Eigil Friis-Christiansen článek s překvapivým pozorováním souvislosti celkové plochy oblačnosti s intenzitou galaktického kosmického záření. Jak bylo na Oslovi popsáno v článku o kosmickém záření, má galaktické kosmické záření přicházející ze zdrojů mimo Sluneční soustavu daleko vyšší energii než může mít kosmické záření ze Slunce. Proniká tak i skrz magnetické pole Země do její atmosféry. Zároveň je však odstiňováno magnetickým polem spojeným se slunečním větrem který „vane“ směrem od Slunce ven ze Sluneční soustavy. Pokud je aktivita Slunce vysoká, jsou i magnetické poruchy, které způsobuje velmi intenzivní. Odstíní tak galaktické kosmické záření a jeho intenzita v blízkosti Země se značně sníží. Intenzita tohoto záření tak sleduje průběh jedenáctiletého cyklu sluneční činnosti. V období minima sluneční činnosti je na Zemi maximální hodnota galaktického kosmického záření a v období slunečního maxima pak minimální. Intenzita galaktického kosmického záření zároveň sleduje i dlouhodobé změny sluneční činnosti. Tyto dlouhodobé změny nedokážeme zatím vysvětlit. Pozorujeme však, že se intenzita slunečního větru a s tím spojené poruchy magnetického pole za poslední století zhruba zdvojnásobily. To vedlo ke snížení intenzity galaktického kosmického záření v globálním průměru zhruba o patnáct procent.

Změny toku kosmického záření za posledních sto čtyřicet let určené na základě výskytu radioaktivních jader ¹⁰Be v grónském ledovci a pomocí měření narušení geomagnetického pole (přepočteno z antikorelace mezi porušením magnetického pole vlivem sluneční aktivity a tokem galaktického kosmického záření. (Zdroj: Proposal experimentu CLOUD, CERN/SPSC 2000-021)

Kosmické záření při své interakci v atmosféře produkuje také radioaktivní izotop uhlíku ¹⁴C. Jeho množství v atmosféře je dáno dlouhodobými změnami v toku galaktického kosmického záření. Změny v poměru mezi množstvím tohoto radioaktivního izotopu uhlíku a izotopu uhlíku stabilního v průběhu posledního tisíciletí nás informují o změnách toku tohoto záření (viz obrázek). Jsou jasně vidět zvýšená množství uhlíku ¹⁴C v době známých historických období minima sluneční činnosti (Wolf, Spőrer, Maunder). Drastické snižování podílu radioaktivního uhlíku v posledním století (Suess) nesouvisí s kosmickým zářením ale s velkým množstvím uhlíku, které se do atmosféry dostává vlivem spalování fosilních paliv. Ta obsahují pouze stabilní izotop uhlíku. O pozorování nárůstu „civilizačního“ oxidu uhličitého a jeho měření lze najít na Oslovi podrobný článek.

Pokud se souvislosti mezi intenzitou galaktického kosmického záření a celkovou oblačnou pokrývkou potvrdí, může to mít vliv na naše názory na vývoj klimatu. Pokud intenzita kosmického záření klesá, klesá i plocha oblačné pokrývky. Ta sice částečně zabraňuje úniku záření ze Země, ale převládne vliv zmenšení odrazu záření ze Slunce oblačností se zmenšením jejího rozsahu. Galaktické kosmické záření by se tak mohlo podílet na pozorovaném oteplování zemského klimatu. Korelace mezi množstvím galaktického kosmického záření a velikostí celkové oblačné pokrývky zatím nebyla prokázána bezrozporně a různé práce si odporují. Také není znám přesný mechanismus, jak by toto kosmické záření mohlo velikost oblačnosti ovlivňovat.

Zatím hypotetický mechanismus by mohl být takový. Při průchodu velmi energetických primárních částic kosmického záření dochází při jejich srážkách s jádry v atmosféře k produkcí velkého množství sekundárních částic, které velmi intenzivně ionizují. Kosmické záření je tak dominantním zdrojem iontů v troposféře a stratosféře a také zde přispívají ke vzniku volných radikálů. Ty se stávají kondenzačními jádry pro vznik aerosolů, které se pak stávají kondenzačními jádry pro vznik kapek a tak i původcem vzniku oblaků. Ionty v atmosféře by kromě zmiňované produkce aerosolů mohly vést ke vzniku ledových krystalků.

Relativní změny zastoupení radioaktivního uhlík 14C, jak bylo určeno z letokruhů. Značky jsou dvě nezávislá velice přesná měření a plná čára fit přes velké množství dat s menší přesností. (Zdroj: Proposal experimentu CLOUD, CERN/SPSC 2000-021)

Popsaný mechanismus by mohl vysvětlit i pokles oblačnosti během silných poklesů kosmického záření (označovaných jako Forbushovy poklesy), o kterém referuje článek zmíněný v úvodu popisující poslední práci Henrika Svensmarka. Několikadenní zpoždění vůči poklesu galaktického kosmického záření, které se v tvorbě oblačnosti a změně v barvy slunečního svitu v atmosféře pozoruje, se dá vysvětlit dobou, po kterou trvá, než vzniklé radikály a kondenzační jádra vytvoří dostatečně velké kapky, aby měly pozorovatelný vliv. V prvním zhruba týdnu po poklesu záření tak ještě vznikají kondenzace na kondenzačních jádrech, která vznikla před tímto poklesem. Je třeba si uvědomit, že poklesem kosmického záření nedochází k tomu, že by voda z atmosféry zmizela. Jen vodní pára nezkondenzuje na vodní kapky a nevytváří se mraky. Je to podobné tomu, když prolétá letadlo ve velké výšce a díky kondenzačním jádrům, které tvoří spaliny z motoru, se za ním tvoří bílá kondenzační stopa.

Problémem je, že i pokud se potvrdí korelace mezi intenzitou sluneční aktivity a tvorbou oblačnosti, která byla pozorována ve více pracích, nemusí být tato zprostředkována galaktickým kosmickým zářením, ale může vznikat díky jiným procesům založeným na interakci Slunce a zemské atmosféry. Proto je důležité otestovat zmiňovaný mechanismus v laboratorních podmínkách.

Urychlovač v laboratoři CERN (protonový synchrotron), který bude zdrojem umělého kosmického záření (kredit CERN).

Experiment CLOUD

Pro zjištění, zda takový proces reálně probíhá a jakým přesně způsobem, se v laboratoři CERN vybudoval experiment CLOUD. Využívá svazek protonů urychlovače PS (Proton Synchrotron) této laboratoře k vytvoření kontrolovaného svazku umělého „kosmického záření“. V daném případě se bude využívat směs mezonů pí a protonů produkovaných pomocí svazku zmíněného urychlovače. Díky tomu, že je možné měnit intenzitu svazku i další jeho vlastnosti v relativně širokém rozmezí, simulují se podmínky, kdy intenzita ionizace kosmického záření (počet sekundárních částic) se mění s výškou až o dva řády. Je zajímavé, že zmiňovaný urychlovač už pracuje padesát let.

Svazek urychlených částic je nasměrován do mlžné komory, která imituje podmínky v zemské atmosféře. Mlžná komora je zařízení, které se klasicky využívá pro detekci ionizujícího záření. Umožňuje zobrazovat dráhy nabitých částic. Vytváří se v ní podmínky nutné pro vznik podchlazené páry. V okamžiku průletu nabité částice vznikají ionty, které vytvářejí kondenzační jádra a po dráze částice se tak produkují kapičky vody (či jiné kapaliny podle toho, jaké páry použijeme) a zviditelňují ji.

V případě experimentu CLOUD pak bude mlžná komora sloužit jako simulátor zemské atmosféry v různých výškách a podmínkách. Je možné měnit fyzikální i chemické vlastnosti její náplně ve velmi širokém rozmezí. Například teploty od -90 ^oC do +40 ^oC. Tlak pak od nuly do hodnoty 150 kPa. Bude tak možné studovat vznik iontů i volných radikálů a jejich vliv na vznik kondenzačních jader i postupný růst kapek vody či ledových krystalků. Tedy celkový fyzikální a chemický průběh ovlivňování vzniku oblaků ionizujícím kosmickým zářením.

Uvnitř mlžné komory experimentu CLOUD (zdroj CERN).

Jako vhodné zařízení byla vybrána expanzní mlžná komora. Její aktivní objem bude mít tvar válce o výšce 50 cm a průměru 50 cm. Velice důležitá je velmi široká škála měřících přístrojů, které umožňují průběžné monitorování chemického a fyzikálního stavu náplně komory a probíhající procesy. Velice důležité jsou třeba velmi rychlá CCD zobrazovací zařízení velmi vysokým rozlišením, která jsou schopna pořídit až 12000 obrázků během méně než tří minutový interval. Dále pak třeba několik hmotnostních spektrometrů různých typů.

Závěr

Experiment by měl přinést řadu velice zajímavých informací o procesech v zemské atmosféře, vytváření oblačnosti a vlivu kosmického záření na ně. Možné klimatické změny a otázky spojené s jejich zdroji jsou velice aktuálním a důležitým tématem. Spory, které se o nich vedou nejen mezi vědci, nemůže vyřešit nic jiného, než přesná a kvalitní experimentální měření. A taková by měl experiment CLOUD přinést. Budou velmi důležitým krokem ke zlepšování klimatických modelů a přínosem pro jejich věrohodnost. První výsledky se očekávají brzy po zahájení jeho provozu a podrobnější analýzy zhruba do roka. Očekává se, že by se zařízení mohlo intenzivně využívat zhruba dvacet let.

Umístění experimentálního zařízení CLOUD na svazku urychlovače PS (zdroj CERN).

V Řeži 17. 11. 2009

---