Πώς επηρεάζει ο Ήλιος την Ατμόσφαιρα μας? Μια φρέσκια, σπινθηροβόλος ματιά

του Δρα. Θεμιστοκλή Χρόνη

Ζούμε σε μια εποχή προσανατολισμένη στο ενδιαφέρον του κλίματος και των θεμάτων περιβάλλοντος. Ο καθένας μας καλείται να διαλέξει πλευρά μεταξύ των «οι υποστηρικτές» και «αντιτιθέμενοι» του ευρέως αποκαλούμενου θέματος της Υπερθέρμανσης του Πλανήτη.

Μερικές δεκαετίες πριν, μέρος της επιστημονικής κοινότητας ξεκίνησε να αναμοχλεύει και να δημιουργεί προβληματισμούς και συζητήσεις γύρω από το θέμα των «ασύνηθων» τάσεων που διαφαίνονταν στην μεταβολή της θερμοκρασίας του πλανήτη, που τουλάχιστο για την περιοχή του Βορείου Ημισφαιρίου ήταν καθαρά ανοδικές. Οι πρώτες αντιδράσεις σε αυτή την διαπίστωση εστίασαν στην αμφιλεγόμενη για αυτούς εγκυρότητα των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν κατά την επιστημονική τεκμηρίωση, κυρίως στην τάση επήρειας που εμφανίζουν πάντοτε, σε αυτή την περίπτωση, οι επίγειες και δορυφορικές παρατηρήσεις σε εγγενή προβλήματα που συναντούνται κατά την χρήση παρατηρητικών μεθόδων και εργαλείων στις υποκείμενες μελέτες.

Αρκετά γρήγορα όμως αναπτύχθηκαν νέοι και βελτιωμένης απόδοσης αλγόριθμοι, που έδωσαν ύφεση στις μέχρις τότε διαφωνίες και αμφιβολίες. Οι σκεπτικιστικές παρά ταύτα, συνέχισαν να κοιτούν προς τον ουρανό, αναζητώντας εναλλακτικές μορφές και ενδείξεις που θα μπορούσαν εν δυνάμει να υπάρξουν ως δευτερογενείς μεταλλάκτες της εισαχθείσης και πολύ επίκαιρης θεωρίας περί συσχέτισης του CO2 (διοξειδίου του άνθρακα) και της ανθρωπογενούς του προέλευσης, στα επίπεδα κατανομής του. Και έτσι, απλά, επόμενα όσο και ανατρεπτικά ήρθαν……τα Σύννεφα.

Η ζωή μας όπως την γνωρίζουμε και την βιώνουμε, έχει άμεση σχέση με την ύπαρξη των νεφών. Με απλούστερα λόγια, τα σύννεφα λειτουργούν για τον πλανήτη μας όπως τα Ιγκλού για τους Εσκιμώους, δηλαδή σαν θερμικός μονωτής που αδιάλειπτα κρατά το ρόλο του μηχανισμού της αντι-ψύξης. Τα νέφη ήταν πάντοτε το Ιερό Δισκοπότηρο των Κλιματικών Επιστημών, αφού η παρουσία (ή απουσία) τους μπορεί να αλλάξει με δυναμικό τρόπο τις κυρίαρχες κλιματολογικές μορφές που είναι καταγεγραμμένες και αναγνωρίσιμες (συμπεριλαμβανομένης της μεταβλητής της θερμοκρασίας), σε διάφορες γεωγραφικές και χωρικές κλίμακες που ποικίλουν, καλύπτοντας χωρικό εύρος από την τοπική μέχρι την παγκόσμια κλίμακα.

Είναι ευρέως αποδεκτό πως η παρουσία των νεφών σχετίζεται με τις τοπικές μετεωρολογικές συνθήκες. Για τους περισσότερους από εμάς τα σύννεφα εμφανίζονται ως πρόδρομη ένδειξη στον ορίζοντα όταν αναμένεται βροχή, παρόλο που οι φυσικοχημικές ιδιότητες που διέπουν την σύσταση και την παρουσία των νεφών μπορεί να είναι τόσο πολύπλοκες όσο και για την προσπάθεια του ανθρώπου για προσσελήνωση (!).

Έχει προταθεί πως ότι όντως υπάρχουν μηχανισμοί και νόμοι που διέπουν της φυσικοχημικές αυτές ιδιότητες των νεφών, σε τέτοιο βαθμό μάλιστα που μπορούν να διαμορφώσουν και να τις ελέγχουν όχι μόνο μέσω της γηγενούς μορφής που παρουσιάζονται (π.χ. σαν μετεωρολογικές διαδικασίες), αλλά επίσης ως απόρροια και αποτέλεσμα του τι συμβαίνει εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά, ακόμα και πέρα από τον Γαλαξία μας (Γαλαξίας: από τον ελληνικό όρο «γάλα», εξ’ ου και ο αγγλικός όρος The Milky Way, milky: γαλακτώδες, όπως αλλιώς ονομάζεται ο Γαλαξίας στον οποίο ανήκουμε).

Οι επονομαζόμενες Γαλαξιακές Κοσμικές Ακτίνες (Galactic Cosmic Rays-GCR), αποτελούνται από ισχυρά ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια (κυρίως από ιόντα υδρογόνου και ηλίου), η προέλευση των οποίων έρχεται από αστρικές διαδικασίες (π.χ. άστρα που εκρήγνυνται, άστρα σε κατάσταση δομικής ύφεσης και κατάπτωσης όπως: μικρά και μεγάλα Super Nova).

Ταξιδεύοντας μέσα στο σύμπαν με ταχύτητες πολύ χαμηλότερες από αυτή του φωτός (π.χ. φωτόνια) φθάνουν στον πλανήτη μας, στην ατμόσφαιρα ακόμα και στην γήινη επιφάνεια. Γενικά η ισχύς και δυναμική αυτών των ακτίνων που φθάνουν στην ατμόσφαιρα της Γης, ελέγχεται από τον Ήλιο.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτής της δυναμικής σχέσης είναι το αποτέλεσμα της μείωσης των Γαλαξιακών Κοσμικών Ακτίνων, κατά την παρουσίαση ηλιακών εντόνων πυρωμάτων και πυρηνικών εκρήξεων στον Ήλιο, που αποτελούν και απόδειξη εντόνου ηλιακής δραστηριότητας. Σήμερα και ανά τον κόσμο υπάρχουν περισσότερα από 80 παρατηρητήρια και πλανητάρια που καταγράφουν και παρακολουθούν τις ακτίνες αυτές σε πραγματικό χρόνο.

Σε παραλληλία με άλλα ανιχνεύσιμα στοιχεία σε αέρια μορφή (π.χ. ραδόνιο) και λόγω του ηλεκτρικού τους φορτίου, οι Γαλαξιακές Κοσμικές Ακτίνες θεωρούνται ο επίσημος φορέας μέτρησης του επίπεδου ιονισμού της ατμόσφαιρας. Οι περιορισμένες παρατηρήσεις πάνω σε αυτό, μαζί με εκτεταμένη θεωρητικολογία ήρθαν να υποστηρίξουν την γεφύρωση του συσχετισμού των μικροφυσικών ιδιοτήτων των νεφών (όσον αφορά την συγκέντρωση σε αυτά σωματιδίων και πάγου) και των Γαλαξιακών Κοσμικών Ακτίνων. Πλήθος μελετών και ερευνών που διαχωρίζουν αυτήν την σχέση μεταξύ των ακτίνων και του σχηματισμού και λειτουργίας των νεφών, αλλά και αυτών που την ενισχύουν, δημιουργούν τον καμβά που αποτελεί ίσως την πιο έντονη διαμάχη στο τρέχων και μοντέρνο πεδίο της επιστήμης της Φυσικής της Ατμόσφαιρας.

Είναι πιθανόν η μία από τις δύο αυτές πλευρές να έχει απόλυτο δίκιο ή άδικο;

Βρισκόμαστε στην διελκυστίνδα να αφήσουμε αδιάφοροι μια «ύποπτη», «αθώα» πρόβλεψη ως προς τη μόνη πηγή ιονισμού της Ατμόσφαιράς μας; Μήπως υπάρχει κάτι που μπορεί να μας διαφεύγει;

Από την εποχή των θεο-φοβούμενων αρχαίων Ελλήνων μέχρι τον ιδιοφυή Benjamin Franklin, ο κεραυνός αποτελεί ένα από τα πιο μυστήρια, καινοφοβικά φαινόμενα, αλλά και βίαια στην ιστορία της ανθρωπότητας.

Στην συντριπτική πλειοψηφία τους, οι κεραυνοί σχετίζονται με έντονα καιρικά φαινόμενα, καταστροφικό χαλάζι και επικίνδυνες συνθήκες τόσο για ανθρώπους όσο και για το ζωικό βασίλειο. Συγκεκριμένα, ο κεραυνός μπορεί πραγματικά να είναι η μόνη μετεωρολογική παράμετρος που μπορεί να παρατηρηθεί σε παγκόσμια κλίμακα, ανά πάσα στιγμή. Η τεχνολογία που είναι διαθέσιμη από τα μέσα της δεκαετίας του 1980, επιτρέπει την παρακολούθηση της δραστηριότητας των κεραυνών με σχετικά χαμηλό κόστος υποδομής εργαλείων. Καινοτόμες προσπάθειες του Εθνικού Οργανισμού Αεροναυτικής και Διαστημικής των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής (NASA), οδήγησαν στις πρώτες διαστημικές πλατφόρμες επιχειρησιακής λειτουργίας για την παρακολούθηση αυτή, με την λειτουργία στις αρχές του 1990 του «Οπτικού ανιχνευτή Μεταφοράς» (Optical Transient Detector-OTD-) και του «Αισθητήρα Αποτύπωσης Κεραυνών» (Lightning Imaging Sensor-LIS). Μεταξύ των επίγειων δικτύων παρατήρησης, το Δίκτυο Εθνικής Ανίχνευσης Κεραυνών των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής (National Lightning Detection Network-NLDN), μπορεί να χαρακτηρισθεί σαν ένα σημαίνων τεχνολογικό επίτευγμα, με προσφερόμενη διαθεσιμότητα δεδομένων από την αρχή της περασμένης δεκαετίας.

Ο κεραυνός σίγουρα μπορεί να θεωρηθεί σαν ένας πιθανός υποψήφιος στην ανιχνευσιμότητα της διαφαινόμενης συσχέτισης του δυναμικού των Γαλαξιακών Κοσμικών Ακτίνων και της μικροφυσικής των νεφών, καθώς είναι ένα φαινόμενο που στην τελική διαμορφώνεται από τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις και την παρουσία πάγου μέσα στα σύννεφα. Μπορεί όμως να είναι και ένα αποδεδειγμένο μέτρο της παραπάνω σχέσης;

Σε αντίθεση με ποικίλους ισχυρισμούς για σχέση των νεφών με τις Γαλαξιακές Κοσμικές Ακτίνες, υπάρχει μόνο ένας μικρός αριθμός μελετών που δείχνουν και ελέγχουν την υπόθεση «κεραυνός». Οι πρώτες προσπάθειες τέτοιων ισχυρισμών εμφανίστηκαν πολύ πριν να τεθεί ο πρώτος δορυφόρος σε τροχιά. Ισχυρισμοί προς την κατεύθυνση ότι ο κεραυνός ως φαινόμενο συσχετίζεται δυναμικά με βίαια ηλιακά συμβάντα και επικείμενη απότομη μείωση της εμφάνισης των Γαλαξιακών Κοσμικών Ακτίνων (GCR), το φαινόμενο Forbush (FE), εισήχθησαν από τους (βλέπε βιβλιογραφία, [1,2,3].

Την χρονιά του 1986 η μελέτη του Letherbridge, χρησιμοποίησε εμπειρικές παρατηρήσεις κεραυνών καταλήγοντας στο χρονικό παράθυρο της σχέσης: αύξηση των Γαλαξιακών Κοσμικών Ακτίνων (GCR)- φαινόμενο Επιφορτίσεων Επιπέδου Επιφάνειας (Ground Level Enhancements) που οδηγεί σε αυξημένη εμφάνιση φαινομένων κεραυνών, σε περίπου 3 έως 5 ημέρες.

Πρόσφατα η υπόθεση «κεραυνός» ελέγχθηκε με βάση 16 χρόνια ημερήσιων παρατηρήσεων από το Δίκτυο Εθνικής Ανίχνευσης Κεραυνών των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής (NLDN). Ο συντάκτης της μελέτης (βλέπε βιβλιογραφία [4]), απέδειξε ότι η υπόθεση «καθρέπτης» του Letherbridge (mirror hypothesis), με παράθυρο 4-5 ημερών φαινομένου Forbush (FE), οδηγεί σε μειωμένη δραστηριότητα του φαινομένου των κεραυνών. Επίσης από τις μακροχρόνιες δυνατότητες παρατήρησης (βλ. [4]), απέδειξε θετική τάση μεταξύ της μηνιαίας δραστηριότητας κεραυνών και της καταφθάνουσας ροής των Γαλαξιακών Κοσμικών Ακτίνων, πάνω από την ηπειρωτική περιοχή των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής.

Μπορεί κάποιος να αναρωτηθεί: «Εντάξει, έχουμε μερικές ..σπίθες λιγότερο κατά την ύπαρξη ηλιακής καταιγίδας, μπορεί αυτό να επηρεάσει το κλίμα;». Πάνω σε αυτό πρέπει κανείς να λάβει υπ’ όψιν του τα εξής:

Μειωμένη ανιχνευσιμότητα Γαλαξιακών Κοσμικών Ακτίνων μπορεί να οφείλεται σε μεμονωμένα συμβάντα διάδοσής τους, παρόλο που ανιχνεύονται σε ομάδες. Για παράδειγμα κατά την διάρκεια μεγίστων ηλιακών φαινομένων (π.χ. 2002-2005), παρατηρούνται μειώσεις Γαλαξιακών Κοσμικών Ακτίνων. Το κυριότερο αποτελεί ότι τα φαινόμενα κεραυνών σπάνια θεωρούνται σαν αιτία, μολονότι σαν αποτέλεσμα. Εάν υπάρχει πράγματι μια σχέση διακύμανσης μεταξύ της δραστηριότητας κεραυνών και Γαλαξιακών Κοσμικών Ακτίνων, τότε τι προκαλεί το παραπάνω; Με άλλα λόγια, ας υποθέσουμε την ύπαρξη δύο νεφών και υποτιθέστω ότι οι περιβάλλοντες μεταβλητές είναι στα ίδια επίπεδα, ποια θα μπορούσε να είναι η κύρια ειδοποιός διαφορά στην διαμόρφωση μεταξύ του ενός φορτισμένου και δυναμικά ενεργού νέφους και του γείτονα του ως μονωμένου;

Απαντήσεις σε ερωτήσεις όπως στο τι συμβαίνει στην κατανομή των υδροσταγονιδίων μέσα στα νέφη ή κρυστάλλων πάγου μετά από μια αποφόρτιση του υφιστάμενου ηλεκτρικού πεδίου ή ποιο είναι το χρονικό παράθυρο που η ατμόσφαιρα «αντιλαμβάνεται» την ανωμαλία στις Γαλαξιακές Κοσμικές Ακτίνες (GCR), είναι σίγουρα απαραίτητες, ώστε να υπάρξει κατανόηση του κόσμου των Κεραυνών.

Η απάντηση μπορεί να περιμένει πολύ μακριά από το θέσφατο «ο κεραυνός ακολουθεί την αστραπή» και μπορεί να βρίσκεται βαθιά στο κόσμο της μικροφυσικής των νεφών. Μελλοντικές συνεργατικές δυνατότητες παρατηρήσεων, όπως Γεωστατικός Χαρτογράφος Κεραυνών (Geostationery Lightning Mapper), συνδυασμένες με τους υπάρχοντες σε τροχιά υπερ-φασματικούς αισθητήρες, μπορεί να κρατούν το κλειδί στις φέροντες πρόκληση ερωτήσεις που αφορούν τον ηλεκτροφορτισμό της ατμόσφαιρας, την μικροφυσική των νεφών και πώς αυτά επηρεάζονται από τις μη γηγενείς δραστηριότητες (εξωγήινες).

Φαίνεται λοιπόν πως ο αρχικός φόβος για τον κεραυνό μπορεί να γίνει ένα αίνιγμα σεβαστό και εκπληκτικό, ακόμα και στην εποχή του γονιδιώματος και της διαστημικής εξερεύνησης.

Η εργασία αυτή έχει δημοσιευθεί στο διεθνές περιοδικό με κριτές Journal of Climate με τίτλο “Investigating Possible Links between Incoming Cosmic Ray Fluxes and Lightning Activity over U.S., J. Climate, Vol.22, pp. 5748-5754” απο Chronis, T., [2009] καθώς και το περιοδικό NASA Sensing our Planet [2010] (nasadaacs.eos.nasa.gov/pdf/2010/Cosmic_charges.pdf)