Kosmische straling

 

Het bovenstaande plaatje toont u een zon met veel zonnevlekken. Zoals hiervoor al gezien is dat momenteel een uitzonderlijke situatie. De opname is dan ook van een tijdje terug, namelijk van 25 april 2000.  Zoals al geconstateerd in de vorige paragraaf is er een sterk vermoeden dat die zonnevlekken invloed hebben op het klimaat op aarde. De Deense fysicus Henrik Svensmark doet al meer dan 10 jaar onderzoek naar dat verband.

Er is al lange tijd onderzoek gaande naar de relatie tussen de zon en het klimaat op aarde. De bekendste wetenschapper in de 20e eeuw op dit gebied was ongetwijfeld Milutin Milankovic, die op een Kwartaire tijdschaal een verband aantoonde tussen zon en aarde. Over Milankovic is geschreven in het hoofdstuk “Feiten”. Deze fluctuaties waren het gevolg van de hoeveelheid zonlicht die de aarde bereikte.Op een kortere tijdschaal zijn deze fluctuaties echter onbruikbaar. De temperatuurstijging van de afgelopen eeuw met 0,7 graden is niet verklaarbaar door fluctuaties in de hoeveelheid zonlicht. De schommelingen zijn te klein.

HenrikSvensmark

 

In 1996 verbaasde de Deense fysicus Henrik Svensmark door aan te tonen dat er een sterke samenhang was tussen de zonneactiviteit en de bewolkingsgraad.

Henrik Svensmark (1958) is een Deens natuurkundige, werkzaam aan het Danish National Space Center in Kopenhagen. Hij bestudeert de effecten van kosmische straling op wolkvorming. Zijn werk wordt door een deel van de klimaatwetenschappers als controversieel gezien, omdat hij niet CO2 als voornaamste oorzaak van de recente opwarming van de atmosfeer ziet, maar fluctuaties in kosmische straling.

Volgens Svensmark is het aannemelijk dat kosmische straling een belangrijke rol speelt bij het ontstaan van lage bewolking. Lage bewolking heeft een overwegend afkoelend effect op de aarde.

Volgens Svensmark is de hoeveelheid kosmische straling die de aarde bereikt direct afhankelijk is van zonneactiviteit. Op bovenstaande grafiek is duidelijk waar te nemen dat er een correlatie bestaat tuusen beide grootheden. De grafiek toont de variaties van cosmic ray intensiteit en zonnevlek-activiteit per maand sinds 1958, en is gemaakt op basis van data van respectievelijk het  Germany Cosmic Ray Monitor in Kiel  (GCRM) en  NOAA’s National Geophysical Data Center (NGD).

Henrik Svensmark is directeur van het Center for Sun-Climate Research bij het Danish Space Research Institute (DSRI), een onderdeel van het Danish National Space Center. Hij was voorheen hoofd van de zon-klimaatgroep bij DSRI. Hij was als fysicus verbonden aan drie andere organisaties: University of California in Berkeley, het Nordic Institute for Theoretical Fysics en het Niels Bohr Institute. Hij is winnaar van de Energy-E2 Research Prize en de Knud Hojgaard Anniversary Research Prize(DSRI).

cr0
Bron:  Joanne Nova

In 1997 lanceerden Svensmark en Eigil Friis-Christensen een theorie die kosmische straling verbond met veranderingen in de gemiddelde wereldtemperatuur. Volgens beide Denen zijn deze temperatuurfluctuaties het gevolg van variaties in de intensiteit van de zonnewind. Ze noemen deze theorie kosmoklimatologie. Dit idee was al eerder (1975) geopperd door Dickinson. Een kleinschalig laboratoriumexperiment werd in het Danish National Space Center gedaan. (Paper gepubliceerd in de Proceedings of the Royal Society A, 8 februari 2007). Svensmarks onderzoek ondergraaft de overheersende rol die de CO2-stijging speelt in het huidige klimaatdebat.

 De theorie

De motor achter klimaatsverandering is kosmische straling, afkomstig van geëxplodeerde sterren, stellen de auteurs. Deze energierijke deeltjes komen met een snelheid die grenst aan die van het licht de heliosfeer binnen, het deel in de ruimte waar het magnetisch veld van de zon zijn invloed laat gelden. Hoe actiever de zon is, hoe sterker het magnetisch veld, hoe minder kosmische straling de aardatmosfeer bereikt. Onderstaande figuur van Shaviv illustreert een en ander.

solar wind

Kosmische straling afkomstig van sterren heeft langs een flinke omweg invloed op de hoeveelheid wolken. Deze reflecteren een deel van de zonnestraling richting ruimte. De zon bepaalt op zijn beurt hoeveel kosmische straling de aardatmosfeer binnenkomt.

Het deeltje dat volgens Svensmark verreweg de grootste invloed heeft op de vorming van lage bewolking is het zogenaamde muon. Dat ontstaat wanneer kosmische straling van hoge energie op luchtdeeltjes botst. Een lang leven is deze deeltjes niet beschoren; ze bestaan slechts twee miljoenste van een seconde, precies lang genoeg om het onderste deel van de dampkring te bereiken.

Op hun korte reis schieten muonen losse elektronen uit luchtdeeltjes. Deze fungeren op hun beurt als een soort katalysator bij het vormen van zogenaamde condensatiekernen, waarop waterdamp condenseert, die uiteindelijke uitgroeien tot wolkendruppels.

svensmark1

Svensmark vergeleek de fluctuaties in kosmische straling met satellietgegevens over de bewolkingsdichtheid. Het resultaat: meer kosmische straling door een minder actieve zon zorgt voor meer bewolking, en andersom. Dat geldt echter alleen vor de zogenaamde lage bewolking: hogere bewolking geeft geen mooi verband met kosmische straling. Op de onderstaande figuur, afkomstig van een paper van Svensmark is een en ander duidelijk te zien. (Svensmark, Influence of Cosmic Rays on the Earth’s Climate, Copenhagen).

 

wolken - cosmic rays svensmark

Volgens Svensmark zijn de zogenaamde muonen verantwoordelijk voor de vorming van wolken.Muonen onstaan als kosmische straling van hoge energie op zuurstof- men stikstofatomen botst. Heel lang bestaan deze deeltjes echter niet: ze bestaan maar twee miljoenste van een seconde, maar dat is bij de hoge snelheden die ze hebben lang genoeg om het onderste deel van de dampkring , de troposfeer, te bereiken.

In de troposfeer schieten muonen losse elektronen uit luchtdeeltjes. Deze fungeren op hun beurt als een soort katalysator bij het vormen van zogenaamde condensatiekernen. Condensatiekernen zijn nodig om in oververzadigde lucht de waterdamp tot druppeltjes te dwingen. Wolken zijn geboren.

 Het SKY experiment

nevelkamer

Svensmark zette in   een eenvoudig experiment op in de kelder van het Danish National Space Centre.   Het doel van dit experiment, SKY genaamd ( sky is het Deense woord voor wolk) , was om aan te tonen dat  in de kelder van het gebouw muonen (zware elektronen) konden binnendringen en van invloed konden zij op het ontstaan van condensatiekernen.

Hij bouwde daartoe een nevelkamer ( zie hiernaast). Een plastic doos van 7 m3 inhoud werd  gevuld met zuivere lucht plus sporen van SO2 en O3.   Daarmee werd  een beetje niet-verontreinigde  lucht gecreëerd.  Een ultraviolette  bron zette tenslotte  de SO2 om in zwavelzuur,  die daarna samen met watermoleculen  grote hoeveelheden  clusters, specks,  deden ontstaan.  Die specks of spikkels vormen dan de condensatiekernen voor wolkvorming.

In de natuur wordt dimetyl sulfide omgezet in SO2  waarna UV-straling van de zon dit omzet in zwavelzuur. In 1996 had NASA  al onderzoek naar dit fenomeen gedaan boven de Grote Oceaan.  Tony Clarke van de Universiteit van Hawaii vonsd toen inderdaad condensatiekernen die op deze wijze waren ontstaan. Maar de raarste ontdekking tijdens die vlucht was dat er plotseling  op onverklaarbare  wijze miljoenen extra kernen ontstonden  (30 miljoen per liter lucht).  Onverklaarbaar omdat de hoeveelheid aanwezige SO2  die plotselinge uitbarsting niet kon verklaren. Een van de verklaringen zou kunnen zijn dat ionen in de lucht een rol speelden. Dat idee was al eens geopperd door de Belg  Frank Raes in de jaren ’80.

Svensmark experiment was voor wat dit onderdeel betreft – het doen ontstaan van condensatiekernen door omzetting van  SO2   – al geslaagd.

Het tweede deel van het experiment, namelijk of ionen die door kosmische straling worden gemaakt ook daadwerkelijk de condensatiekernen deden ontstaan, was fundamenteler.  Daartoe plaatste hij een sterk elektrisch veld in de nabijheid van de nevelkamer. Een dergelijk elektrisch veld zou binnen een seconde alle geladen deeltjes uit de kamer doen verdwijnen. Na maanden van technische problemen lukte het Svensmark uiteindelijk om  met een zeer sterk elektrisch veld  het ontstaan van kernen flink te onderdrukken.

Het eenvoudige experiment in de kelder in Kopenhagen toonde aan dat – althans op laboratoriumschaal – kosmische straling van invloed is op het ontstaan van condensatiekernen.  In 2006 is het verslag van het SKY experiment  gepubliceerd  in Proceedings of the Royal Society (“Experimental evidence for the role of ions in particle nucleation under atmospheric conditions, 2006, Proceedings of the Royal Society, London ”).

In 1998 hield Svensmark een voordracht bij het CERN.  Hj probeerde belangsteling te wekken voor zijn theorie dat zonneactiviteit van invloed is op de temperatuur op aarde.  Bekijk  de  video hier. Later zou het werk van Svensmark uitmonden in een nieuw project bij het CERN,  genaamd CLOUD. Over CLOUD meer in het volgende hoofdstuk.

 

Nog meer bewijs dat kosmische straling wolkvorming en daarmee het klimaat beïnvloedt

laken

 

In een publicatie van Laken (foto), Kniveton en Frogley twee dagen geleden in het tijdschrift Atmospheric Chemistry and Physics is voor het eerst aangetoond dat er een correlatie is tussen kosmische straling en wolkvorming.  Dat verband werd al eerder vermoed door Henrik Svensmark, die samen met Friis-Christensen in 1997 hierover schreef.

Diverse recente pogingen om een correlatie tussen kosmische straling en bewolking aan te tonen faalden vanwege het feit dat alle onderzoeken gericht waren op een zogenaamde eerste-orde correlatie, namelijk een direct verband tussen beide fenomenen. Laken e.a. zijn uitgegaan van een tweede-orde verband, namelijk dat wolkvorming alleen dan beïnvloed wordt door kosmische straling indien de atmosferische omstandigheden dat toelaten.
cr1

De onderzoekers baseerden zich op veranderingen in wolkendata en vergeleken die met betreffende kosmische stralingdata. Als onder bepaalde atmosferische omstandigheden er een correlatie was tussen beide gegevens werd dit gefilterd om onder andere autocorrelatie te verwijderen, en onderdeel van hun zogenaamde “composite analyses”. De onderzoekers bekeken hiervoor de wolkendata van beide gematigde zones op het NH en ZH tussen 30° en 60°, onder andere vanwege het feit dat recente studies aantoonden dat juist wolken op deze breedte gevoelig zij voor kosmische straling. Snelle bewolkingsveranderingen werden betrokken van het ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project), en de stralingsdata kwamen uit de databanken van diverse  neutronenmonitoren over de gehele aarde.

Op bovenstaande figuur is het verband te zien tussen plotselinge verandering van bewolking  en een verschuiving in de kosmische straling. Het gaat om het gebied rond dag 0.  De bewolkingsdata tot een luchtdrukhoogte van 30mB (ongeveer 22 km hoogte) werden bij het onderzoek gebruikt.

Op onderstaande figuur is te zien dat de bewolkingverandering het sterkst is  in het lagere en middengedeelte van de troposfeer  (gemiddeld tot 15 km hoogte). Er is een opvallende congruentie waar te nemen tussen beide gebieden op het NH en ZH. De sterkste bewolkingverandering vindt plaats op ongeveer 2 km hoogte rond 30° NB en ZB, waar de permanente hogedrukgebieden van beide Hadleys Cells liggen.

cr2                                                                                       Bron: Laken e.a.

De onderzoekers denken dat er 2  mogelijke mechanismen zijn waarlangs de correlatie kosmische straling- wolken werkzaam is. De eerste, het clean-air effect,  is dat er door ionen zeer kleine (<2 nm) condensatiekernen ontstaan. Deze kunnen dan door condensatie en samenklontering uitgroeien tot deeltjes met een doorsnede van ongeveer 100 nm, waardoor ze groot genoeg zijn om te dienen als condensatiekernen voor de vorming van wolken. Yu e.a. hebben dit mechanisme  in hun publicatie uit 2008 aannemelijk gemaakt. Dit is het mechanisme dat  Svensmark naar voren heeft gebracht.

cr3          Bron: Carslaw e.a.

Het tweede mechanisme  staat bekend als het near-cloud effect, dat het verband beschrijft tussen het zogenaamde Global Electric Circuit en wolkvorming. Dit GEC  bestaat uit de  ionosfeer, een door de zon geïoniseerde buitenste deel van de atmosfeer, op een hoogte van 10 tot 600 km.

Wolken absorberen makkelijk de kleine ionen die vanuit de ionosfeer neerdalen op aarde, waardoor er een verschil ontstaat tussen de geleidbaarheid van wolken en de wolkenloze omgeving. De randen van wolken zijn dan gebieden met een sterke geleidingsgradiënt en krijgen  daardoor een sterke elektrische lading.  Op zijn beurt  kan die elektrische lading van de wolkenrand weer van  invloed zijn op verdere wolkvorming.

cr4                                                                                       Bron: Carslaw e.a.

Laken e.a. concluderen dat hun onderzoek het bewijs levert dat er een relatie bestaat tussen kosmische straling en het klimaat. Die relatie wordt bepaald door enerzijds kortetermijn veranderingen in kosmische straling en anderzijds  door specifieke atmosferische omstandigheden.

De uitkomsten van de publicatie van Laken e.a. bewijst hoe een relatief kleine verandering in zonne-output  veel grotere veranderingen in het aardse klimaat kan veroorzaken. Vooralsnog zijn er twee fysische mechanismen bekend waarlangs kosmische straling via micro-fysische processen   wolkvorming kan beïnvloeden. Verder onderzoek moet uitwijzen hoe het echt werkt.  Maar dát het werkt is intussen steeds duidelijker.

Het CLOUD project van  de reusachtige deeltjesversneller CERN zal hierover mogelijk in de nabije toekomst meer duidelijkheid geven. CERN  (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) is een Europese organisatie die fundamenteel onderzoek doet naar elementaire deeltjes. De organisatie is gehuisvest ten westen van Genève op de grens van Frankrijk en Zwitserland. Bij CERN werken ongeveer 6500 wetenschappers (van 500 universiteiten uit 80 landen) aan experimenten die worden uitgevoerd in een van de 6 deeltjesversnellers. Het doel van die experimenten is in zijn algemeenheid inzicht te krijgen in hoe de materie is opgebouwd, en uit welke deeltjes materie bestaat en wat de krachten zijn die materie bij elkaar houden.

cern

 

Sinds 2008 heeft CERN de grootste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider.

Een van de eerste experimenten die worden uitgevoerd is het zogenaamde CLOUD experiment.  Drijvende kracht achter CLOUD is Dr. Jasper Kirkby.

kirkby

cr5                                                               Bron:  http://www.askamathematician.com

Deense studie toont invloed kosmische straling op wolkvorming aan

Maanden voordat het CERN zijn CLOUD-project is gestart is een aantal Deense wetenschappers er in geslaagd aan te tonen dat wat Svensmark al langer dacht, echt waar is: kosmische straling is van invloed op wolkvorming en daarmee op de temperatuur op aarde. Zie hiervoor het hoofdstuk “Nieuwe Inzichten”.

In 1997 lanceerden Svensmark en Eigil Friis-Christensen een theorie die kosmische straling verbond met veranderingen in de gemiddelde wereldtemperatuur. Volgens beide Denen zijn deze temperatuurfluctuaties het gevolg van variaties in de intensiteit van de zonnewind. Ze noemen deze theorie kosmoklimatologie. Dit idee was al eerder (1975) geopperd door Dickinson. Een kleinschalig laboratoriumexperiment werd al eerder in het Danish National Space Center gedaan. Svensmarks onderzoek ondergraaft de overheersende rol die de CO2-stijging speelt in het huidige klimaatdebat.

aarhus2
Een deel van de Deense deeltjesversneller ASTRID

De kosmische straling is afkomstig van geëxplodeerde sterren. Deze energierijke deeltjes komen met een snelheid die grenst aan die van het licht de heliosfeer binnen, het deel in de ruimte waar het magnetisch veld van de zon zijn invloed laat gelden. Hoe actiever de zon is, hoe sterker het magnetisch veld, hoe minder kosmische straling de aardatmosfeer bereikt. Die kosmische straling afkomstig van sterren heeft volgens Svensmark langs een flinke omweg invloed op de hoeveelheid wolken. Wolken reflecteren een deel van de zonnestraling richting ruimte. De zon bepaalt op zijn beurt hoeveel kosmische straling de aardatmosfeer binnenkomt.

svensmark1

Het deeltje dat volgens Svensmark verreweg de grootste invloed heeft op de vorming van lage bewolking is het zogenaamde muon. Dat ontstaat wanneer kosmische straling van hoge energie op luchtdeeltjes botst. Een lang leven is deze deeltjes niet beschoren; ze bestaan slechts twee miljoenste van een seconde, precies lang genoeg om het onderste deel van de dampkring te bereiken. Op hun korte reis schieten muonen losse elektronen uit luchtdeeltjes. Deze fungeren op hun beurt als een soort katalysator bij het vormen van zogenaamde condensatiekernen, waarop waterdamp condenseert, die uiteindelijke uitgroeien tot wolkendruppels.

 

aarhus3

De klimaatkamer

De Deense onderzoekers hebben gebruik gemaakt van ASTRID, de grootste deeltjesversneller van Denemarken van de Aarhus universiteit. In een klimaatkamer bootsten de onderzoekers de atmosferische omstandigheden na die heersen in de atmosfeer op hoogten waar wolkvorming plaatsvindt. Ze vonden dat het toevoegen van straling (gamma en elektronen) een toename in het ontstaan van ionen en aerosolen veroorzaakte. Deze aerosolen gedragen zich als condensatiekernen bij het ontstaan van wolken.

aarhus1

Invloed van gammastralen en energierijke elektronen op vorming van aerosolen

De kamer bevat lucht met nauwkeurig uitgebalanceerde hoeveelheden zwaveldioxide, ozon en waterdamp. Zonlicht is een noodzakelijk ingrediënt voor aerosolvorming in de natuurlijke omgeving en wordt hier nagebootst met een UV-lamp. Natuurlijke atmosferische processen zoals de vorming van zwavelzuur worden op deze wijze geïmiteerd, van belang voor de vorming van aërosolen. Als de elektronen uit de versneller het luchtmengsel bereiken vindt er een toename van aerosolen plaats, die als condensatiekernen fungeren voor de productie van waterdruppels (wolken).

In eerdere experimenten uitgevoerd door SKY DTU Space in Kopenhagen, werd kosmische straling gesimuleerd door gamma-straling. In 2006 is het verslag van het SKY experiment gepubliceerd in Proceedings of the Royal Society (“Experimental evidence for the role of ions in particle nucleation under atmospheric conditions, 2006, Proceedings of the Royal Society, London ”). Het experiment toonde aan dat gammastralen is staat zijn om aërosolen te vormen. In het nieuwe experiment met de energierijke elektronen van het ASTRID-versneller lijkt de gesimuleerde situatie veel beter op de kosmische stralen die in de natuur voorkomen.

Door deze recente studie hebben de onderzoekers aangetoond dat er een correlatie is tussen kosmische straling en wolkvorming. Alweer een nagel aan de doodskist van het klimaatalarmisme. De volgende stap zal zijn om met behulp van systematische metingen en modellering te bepalen hoe belangrijk kosmische straling is voor het klimaat. Met andere woorden: hoe groot is het aandeel ervan op klimaatverandering.