Neste editorial, demonstrarei com o campo magnético proxy da atividade solar recém-descoberto que o Sol entrou no Grande Mínimo Solar moderno (2020-2053) que levará a uma redução significativa do campo magnético solar e da atividade como durante o mínimo de Maunder levando a redução notável da temperatura terrestre.
O Sol é a principal fonte de energia para todos os planetas do sistema solar. Essa energia é entregue à Terra na forma de radiação solar em diferentes comprimentos de onda, chamada de irradiância solar total. Variações da irradiância solar levam ao aquecimento da atmosfera planetária superior e a processos complexos de transporte de energia solar em direção à superfície planetária.
Os sinais de atividade solar são vistos em variações cíclicas de 11 anos de uma série de manchas solares na superfície solar, usando números médios de manchas solares mensais como uma representação da atividade solar nos últimos 150 anos. Os ciclos solares foram descritos pela ação do mecanismo do dínamo solar no interior solar gerando cordas magnéticas na parte inferior da zona convectiva solar.
Essas cordas magnéticas viajam através do interior solar aparecendo na superfície solar, ou fotosfera, como manchas solares que indicam os pontos onde essas cordas magnéticas estão embutidas na fotosfera.
O campo magnético das manchas solares forma o campo toroidal, enquanto o campo magnético do fundo solar forma o campo poloidal. O dínamo solar converte ciclicamente o campo poloidal em toroidal atingindo seu máximo em um máximo do ciclo solar e, em seguida, o campo toroidal de volta ao poloidal em direção a um mínimo solar. É evidente que, para a mesma polaridade principal do campo magnético em manchas solares no mesmo hemisfério, o comprimento do ciclo solar deve ser estendido para 22 anos.
Apesar de compreender o quadro geral de um ciclo solar, era bastante difícil combinar os números de manchas solares observados com os modelados, a menos que o ciclo estivesse bem avançado. Esta dificuldade é uma indicação clara de alguns pontos ausentes na definição da atividade solar por números de manchas solares que voltaram nossa atenção para a pesquisa do campo magnético de fundo solar (poloidal) (SBMF) [1].
Aplicando a Análise de Componentes Principais (PCA) aos magnetogramas de disco completo de baixa resolução capturados nos ciclos 21-23 pelo Wilcox Solar Observatory, descobrimos não um, mas dois componentes principais deste campo magnético de fundo solar (ver Figura 1, gráfico superior) associado a duas ondas magnéticas marcadas por linhas vermelhas e azuis. Os autores derivaram fórmulas matemáticas para essas duas ondas ajustando os componentes principais dos dados dos ciclos 21-23 com a série de funções periódicas e usaram essas fórmulas para prever essas ondas para os ciclos 24-26. Essas duas ondas são encontradas geradas em diferentes camadas do interior solar ganhando freqüências próximas, mas não iguais [1]. A curva de resumo dessas duas ondas magnéticas (Figura 1, gráfico inferior) revela a interferência dessas ondas formando máximos e mínimos dos ciclos solares.
A curva resumida de duas ondas magnéticas explica muitas características dos ciclos de 11 anos, como máximos duplos em alguns ciclos ou assimetria da atividade solar nos hemisférios opostos durante ciclos diferentes. Zharkova et al. [1] vinculou a curva de resumo do módulo aos números médios de manchas solares para os ciclos 21-23, como mostrado na Figura 2 (gráfico superior) e estendeu esta curva para os ciclos 24-26, conforme mostrado na Figura 2 (gráfico inferior). Parece que a amplitude do campo magnético solar de resumo mostrado na curva de resumo está reduzindo em direção aos ciclos 24-25, tornando-se quase zero no ciclo 26.
Zharkova et al. [1] sugeriu usar a curva de resumo como um novo proxy da atividade solar, que utiliza não apenas a amplitude de um ciclo solar, mas também sua polaridade magnética principal do campo magnético solar.
A Figura 3 apresenta a curva de resumo calculada com as fórmulas matemáticas derivadas para frente para 1200 anos e para trás 800 anos. Esta curva revela a aparência de Grandes Ciclos Solares de 350-400 anos causados pela interferência de duas ondas magnéticas. Esses grandes ciclos são separados pelos grandes mínimos solares, ou os períodos de atividade solar muito baixa. O grande mínimo solar anterior era o mínimo de Maunder (1645-1710), e o outro antes denominado mínimo de Wolf (1270-1350). Como pode ser visto na Figura 3 da previsão de Zharkova et al. [1], nos próximos 500 anos, há dois grandes mínimos solares modernos se aproximando do Sol: o moderno no século 21 (2020-2053) e o segundo no século 24 (2370-2415).
As propriedades observacionais das duas ondas magnéticas e sua curva de resumo foram estreitamente ajustadas por ondas de dínamo duplo geradas por fontes magnéticas dipolo em duas camadas do interior solar: camadas interna e externa [1], enquanto outros três pares de ondas magnéticas podem ser produzidos por fontes magnéticas quádruplas, sêxtuplas e óctuplas, juntamente com a fonte dipolo definindo a aparência visível da atividade solar na superfície.
Atualmente, o Sol completou o ciclo solar 24 – o ciclo mais fraco dos últimos 100+ anos – e em 2020, iniciou o ciclo 25. Durante os períodos de baixa atividade solar, como o grande mínimo solar moderno, o Sol freqüentemente será desprovido de manchas solares. É o que se observa agora no início deste mínimo, porque em 2020 o Sol viu, no total, 115 dias imaculados (ou 78%), o que significa que 2020 está a caminho de ultrapassar o recorde da era espacial de 281 dias imaculados ( ou 77%) observado em 2019. No entanto, o início do ciclo 25 ainda é lento em regiões ativas de disparo e flares, então com cada dia / semana / mês extra que passa, o nulo na atividade solar é estendido marcando um início de grande mínimo solar . Quais são as consequências para a Terra dessa diminuição da atividade solar?
Redução da irradiância solar total (TSI) durante o Mínimo de Maunder
Vamos explorar o que aconteceu com a irradiância solar durante o grande mínimo solar anterior – Mínimo de Maunder. Durante este período, muito poucas manchas solares apareceram na superfície do Sol, e o brilho geral do Sol diminuiu ligeiramente.
A reconstrução da irradiância solar total média do ciclo de volta a 1610 (Figura 4, gráfico superior) sugere uma diminuição da irradiância solar durante o mínimo de Maunder em um valor de cerca de 3 W / m2 [2], ou cerca de 0,22% do total irradiância solar em 1710, após o término do mínimo de Maunder.
Diminuição da temperatura durante o mínimo de Maunder
De 1645 a 1710, as temperaturas em grande parte do hemisfério norte da Terra caíram quando o Sol entrou em uma fase tranquila agora chamada de Mínimo de Maunder. Isso provavelmente ocorreu porque a irradiância solar total foi reduzida em 0,22%, mostrado na Figura 4 (gráfico superior) [2], que levou a uma diminuição da temperatura média terrestre medida principalmente no hemisfério norte na Europa em 1,0-1,5 ° C como mostrado na Figura 4 (gráfico inferior) [3]. Essa diminuição aparentemente pequena da temperatura média no hemisfério norte levou a rios congelados, invernos frios e longos e verões frios.
A temperatura da superfície da Terra foi reduzida em todo o globo (ver Figura 1 em [4]), especialmente, nos países do hemisfério norte. A Europa e a América do Norte congelaram profundamente: as geleiras alpinas se estendiam sobre as terras agrícolas do vale; o gelo marinho rastejou ao sul do Ártico; Os rios Dunab e Tâmisa congelaram regularmente durante esses anos, assim como os famosos canais da Holanda.
Shindell et al. [4] mostraram que a queda na temperatura estava relacionada à queda da abundância de ozônio criada pela luz ultravioleta solar na estratosfera, a camada da atmosfera localizada entre 10 e 50 quilômetros da superfície da Terra. Como durante o Mínimo Maunder, o Sol emitiu menos radiação, no total, incluindo forte emissão ultravioleta, e menos ozônio foi formado afetando as ondas da atmosfera planetária, o gigante balança na corrente de jato.
Shindell et al. [4] na pág. 2150 sugerem que “uma mudança nas ondas planetárias durante o Mínimo Maunder chutou a Oscilação do Atlântico Norte (NAO) – o equilíbrio entre um sistema permanente de baixa pressão perto da Groenlândia e um sistema permanente de alta pressão ao sul – em uma fase negativa, que levou a Europa a permanecer estranhamente fria durante o MM.”
Papel do campo magnético no resfriamento terrestre no Grand Solar Minima
No entanto, não apenas a radiação solar foi alterada durante o mínimo de Maunder. Há outro fator que contribui para a redução da temperatura terrestre durante o mínimo de Maunder – esse é o campo magnético solar de fundo, cujo papel foi esquecido até agora. Após a descoberta [1] de uma redução significativa do campo magnético no próximo grande mínimo solar moderno e durante o mínimo Maunder, o campo magnético solar foi reconhecido por controlar o nível dos raios cósmicos que atingem as atmosferas planetárias do sistema solar, incluindo a Terra. Uma redução significativa do campo magnético solar durante os grandes mínimos solares, sem dúvida, levará ao aumento da intensidade dos raios cósmicos galácticos e extra-galácticos, que, por sua vez, levam à formação de nuvens altas nas atmosferas terrestres e auxiliam no resfriamento atmosférico como mostrado por Svensmark et al. [5].
No mínimo solar anterior, entre os ciclos 23 e 24, a intensidade dos raios cósmicos aumentou 19%. Atualmente, o campo magnético solar previsto na Figura 1 por Zharkova et al. [1] está caindo radicalmente no sol que, por sua vez, leva a um declínio acentuado no campo magnético interplanetário do sol para apenas 4 nanoTesla (nT) de valores típicos de 6 a 8 nT. Esta diminuição do campo magnético interplanetário leva naturalmente a um aumento significativo da intensidade dos raios cósmicos que passam para a atmosfera do planeta, conforme relatado pelas recentes missões espaciais [6]. Conseqüentemente, esse processo de redução do campo magnético solar está progredindo conforme previsto por Zharkova et al. [1], e sua contribuição será absorvida pelas atmosferas planetárias incluindo a Terra. Isso pode diminuir a temperatura terrestre durante o grande mínimo solar moderno que já começou em 2020.
Redução esperada da temperatura terrestre na moderna Grande Solar Mínima
Esta curva de resumo também indicou o grande solar mínimo moderno próximo 1 nos ciclos 25-27 (2020-2053) e o grande solar mínimo moderno 2 (2370-2415). Isso trará para os tempos modernos as condições únicas de baixa atividade do Sol, que ocorriam durante o mínimo de Maunder. Espera-se que durante o grande mínimo solar moderno, a atividade solar será reduzida significativamente, pois isso aconteceu durante o mínimo Maunder (Figura 4, gráfico inferior). Similarmente ao Mínimo de Maunder, conforme discutido acima, a redução do campo magnético solar causará uma diminuição da irradiância solar em cerca de 0,22% por uma duração de três ciclos solares (25-27) para o primeiro grande mínimo moderno (2020-2053) e quatro ciclos solares a partir do segundo grande mínimo moderno (2370-2415).
Isso, por sua vez, pode levar a uma queda da temperatura terrestre em até 1,0 ° C da temperatura atual durante os próximos três ciclos (25-27) do grande mínimo 1. As maiores quedas de temperatura estarão se aproximando durante os mínimos locais. entre os ciclos 25-26 e os ciclos 26-27 quando o nível de atividade solar mais baixo é alcançado usando as estimativas na Figura 2 (gráfico inferior) e na Figura 3. Portanto, a temperatura média no hemisfério norte pode ser reduzida em até 1,0 ° C da temperatura atual, que foi aumentada em 1,4 ° C desde o mínimo de Maunder. Isso fará com que a temperatura média se torne mais baixa do que a atual e seja apenas 0,4 ° C mais alta do que a temperatura medida em 1710. Então, depois que o grande mínimo solar moderno 1 terminar, a atividade solar no ciclo 28 será restaurada para normal no grande ciclo solar bastante curto, mas poderoso, que dura entre 2053 e 2370, como mostrado na Figura 3, antes de se aproximar do próximo grande ciclo solar mínimo 2 em 2370.
Conclusões
Neste editorial, demonstrei que o progresso recente com a compreensão do papel do campo magnético de fundo solar na definição da atividade solar e com a quantificação das magnitudes observadas do campo magnético em diferentes momentos nos permitiu permitir a previsão confiável de longo prazo da atividade solar em uma escala de tempo do milênio. Esta abordagem revelou a presença não apenas de ciclos solares de 11 anos, mas também de grandes ciclos solares com duração de 350-400 anos. Demonstramos que esses grandes ciclos são formados pelas interferências de duas ondas magnéticas com frequências próximas, mas não iguais, produzidas pela dupla ação do dínamo solar em diferentes profundidades do interior solar. Esses grandes ciclos são sempre separados por grandes mínimos solares do tipo mínimo Maunder, que ocorreram regularmente no passado formando os conhecidos Maunder, Wolf, Oort, Homérico e outros grandes mínimos.
Durante esses grandes mínimos solares, há uma redução significativa do campo magnético solar e da irradiância solar, o que impõe a redução das temperaturas terrestres derivadas para esses períodos da análise da biomassa terrestre durante os últimos 12.000 anos ou mais. O grande mínimo solar mais recente ocorreu durante o Mínimo de Maunder (1645-1710), que levou à redução da irradiância solar em 0,22% em relação à moderna e a uma diminuição da temperatura terrestre média em 1,0-1,5 ° C.
Esta descoberta da ação do dínamo duplo no Sol nos trouxe um alerta oportuno sobre o grande mínimo solar 1, quando o campo magnético solar e sua atividade magnética serão reduzidos em 70%. Este período começou no Sol em 2020 e durará até 2053. Durante este grande mínimo moderno, seria de esperar uma redução da temperatura média terrestre em até 1,0 ° C, especialmente, durante os períodos de mínimos solares entre os ciclos 25-26 e 26-27, por exemplo na década de 2031-2043.
A redução da temperatura terrestre durante os próximos 30 anos pode ter implicações importantes para diferentes partes do planeta no crescimento da vegetação, agricultura, suprimentos de alimentos e necessidades de aquecimento nos hemisférios norte e sul. Este resfriamento global durante o próximo grande mínimo solar 1 (2020-2053) pode compensar por três décadas quaisquer sinais de aquecimento global e exigiria esforços intergovernamentais para enfrentar os problemas com o fornecimento de calor e alimentos para toda a população da Terra.
Publicado em 24/02/2021 22h08
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