Czy magnetosfera Ziemi wpływa na jej klimat?

Pytanie

Pyta Anna

Czy magnetosfera Ziemi wpływa na pogodę/klimat? Czy cząstki wody w chmurach są zjonizowane? Czy jonizacja atmosfery Ziemi zależy od wiatrów słonecznych i/lub od Ziemi?

Odpowiedź

Odpowiada Michalina Broda, konsultacja prof. Szymon Malinowski

Magnetosfera to przestrzeń wokół planety, w której pole magnetyczne planety dominuje nad innymi polami magnetycznymi (np. od gwiazdy).

Wpływ zmian pola magnetycznego Ziemi na klimat jest niewielki w porównaniu z wpływem współczesnej działalności człowieka na klimat, a także zmiennością irradiancji Słońca wskutek zmian jego aktywności czy wymuszeń orbitalnych. Powietrze atmosferyczne nie ma właściwości magnetycznych (poza minimalnymi ilościami żelaza zawartymi w emitowanym pyle wulkanicznym). Burze słonecznie oddziałują jedynie na jonosferę (część atmosfery rozciągającą się pomiędzy 50 km a około 1000 km, zawierającą zjonizowane cząsteczki gazów atmosferycznych i elektrony będące skutkiem tej jonizacji) i nie wywierają wpływu na troposferę i dolną warstwę stratosfery, gdzie kształtuje się pogoda. Ponadto, najsilniejsze zaburzenia związane z oddziaływaniem magnetosfery na bilans energetyczny są rzędu miliwata (czyli jednej tysięcznej wata) na metr kwadratowy, podczas gdy wymuszenie radiacyjne wywołane przez antropogeniczne gazy cieplarniane wynosi ok. 3 $W/m^2$.

Chmury zawierają kropelki wody i/lub kryształki lodu. Cząsteczki te zwykle nie są zjonizowane, jednak w pewnych warunkach taka jonizacja może nastąpić. Pierwszą z sytuacji jest jonizacja w chmurach burzowych, szczególnie możliwa w wypadku zamarzania przechłodzonych kropelek wody czy rozpadzie/łamaniu kryształów lodu. Ten proces i „sortowanie” cząsteczek o różnych ładunkach w silnym prądzie wstępującym skutkuje powstaniem silnego pola elektrycznego, co w chmurach burzowych może odrywać elektrony od cząsteczek powietrza, tworząc jony i ułatwiając wyładowania. Innym przypadkiem jest wysokoenergetyczne promieniowanie z kosmosu, które może również jonizować aerozole na których powstają krople chmurowe, cząsteczki chmur,  jednak ten efekt jest marginalny i nie wywiera wpływu np. na klimat.

Jonizacja ziemskiej atmosfery (głównie jonosfery) zależy od wiatru słonecznego, czyli strumienia naładowanych cząstek (głównie protonów, elektronów i cząstek alfa) emitowanych z górnej atmosfery Słońca. Podczas burz geomagnetycznych, będących efektem tzw. „wyrzutów koronalnych”, czyli silnych strumieni wiatru słonecznego, wysoce zmienny dopływ energii wiatru słonecznego do magnetosfery znacząco zmienia strukturę górnej atmosfery Ziemi. Skutkuje to wielkoskalowymi wzrostami i spadkami szczytowej gęstości elektronowej, które są obserwowane na całym świecie.

Istnieją też procesy jonizacyjne związane z emisjami z powierzchni Ziemi, np. pewne zanieczyszczenia atmosferyczne, takie jak zanieczyszczenia pochodzące z przemysłu czy transportu, mogą także przyczyniać się do jonizacji atmosfery poprzez różnego rodzaju reakcje chemiczne lub dalszą emisję cząstek, które mogą jonizować otaczające je cząsteczki. Zaburzenia pola elektrycznego Ziemi przez rozwijające się chmury burzowe może prowadzić do jonizacji w rejonie ostrych krawędzi i widzialnych wyładowań zwanych „ogniami świętego Elma”.