A TSI csökkenésének hűtő szerepe 2001 és 2010 között

A cikkből és az általa használt napbesugárzási adatok hátteréből elég jól kideríthető, mi történt. A legfontosabb: a 2001–2010 közötti csökkenés elsősorban a Nap kb. 11 éves aktivitási ciklusának leszálló ága volt, ráadásul ez egy szokatlanul mély és hosszú napminimumba futott bele 2008–2009-ben. Nem a Föld légköre „engedett át kevesebb napfényt”, hanem maga a Nap teljes kisugárzása, a TSI (Total Solar Irradiance) lett valamivel kisebb. (Wiley Online Library)

2001 ráadásul szerencsétlen kezdőpont, ha hosszú távú trendet akarunk nézni. A 23. napciklus maximuma 2000–2002 körül volt. Innen az aktivitás fokozatosan csökkent, és 2008–2009-ben elérkezett a 23/24. ciklus közötti minimum, amely a műholdas korszak egyik szokatlanul mély és hosszú minimuma volt. (Wiley Online Library)

Tehát nagyon leegyszerűsítve:

2001: napmaximum közelében → magasabb TSI
↓
2003–2006: csökkenő napaktivitás
↓
2007–2009: nagyon kevés napaktivitás
↓
2008–2009: rendkívül mély napminimum → alacsony TSI
↓
2010: a 24. ciklus már elindult, de még gyenge volt.

Van itt egy elsőre furcsa részlet. Az ember azt gondolná, hogy sok napfolt esetén kevesebb fényt kapunk, hiszen a napfoltok sötétek. Rövid időskálán ez igaz is. De napmaximumkor a napfoltokkal együtt sok fáklya (facula), plage és fényes mágneses hálózat is megjelenik. Ezek fényesítő hatása hosszabb időátlagban nagyobb, mint a napfoltok sötétítő hatása. Ezért a Nap összesített TSI-je általában napmaximumkor nagyobb, napminimumkor kisebb. A tipikus maximum–minimum TSI-változás nagyjából 0,1%. (Springer)

A 2008–2009-es minimum ráadásul nem egyszerűen egy átlagos minimum volt. Fröhlich elemzésében a TSI ennél a minimumnál még az 1996-os minimumnál is alacsonyabb volt; a különbséget egy tipikus napciklus amplitúdójának körülbelül 25%-ára becsülte. Más elemzések kisebb, de ugyancsak negatív minimum–minimum eltérést kaptak. (Springer)

És most vissza a linkelt Folland et al. (2018) tanulmányhoz. Ők nem egyszerűen azt mondják, hogy „a hőmérséklet kevésbé nőtt, biztos a Nap miatt”. Többváltozós regresszióban külön kezelték többek között az üvegházhatású gázokat, antropogén aeroszolokat, vulkanizmust, ENSO-t, AMO-t és a TSI-t. A 2001–2010-es időszakra a TSI hozzájárulását a globális felszíni hőmérséklethez körülbelül

−0,08 ± 0,04 °C

értékűnek rekonstruálták. Vagyis az ő elemzésük szerint a gyengülő Nap észrevehetően fékezte a felmelegedést ebben a konkrét évtizedben. (PubMed Central (PMC))

Ez nem azt jelenti, hogy a Nap 2001 után tartósan „gyengülni kezdett”. Inkább azt, hogy a kiválasztott tíz év majdnem tökéletesen lefedi a napciklus maximum → minimum szakaszát.

Ez nagyon fontos különbség.

Ha például:

• minimum → maximum periódust választunk, pozitív napbesugárzási trendet kapunk;

• maximum → minimum periódust választunk, negatívat;

• több teljes 11 éves ciklust vizsgálunk, akkor nagyrészt kiesik ez az oszcilláció, és már a minimumok egymáshoz viszonyított szintje lesz érdekes.

A Folland-cikkben használt TSI-adatsor a CMIP6/SOLARIS-HEPPA rekonstrukció családjához kapcsolódik. A CMIP6 napbesugárzási rekonstrukció külön is kiemeli a 2008–2010-es szokatlanul mély minimumot, és azt, hogy a különböző TSI-rekonstrukciók némileg eltérnek abban, mennyivel volt ez a minimum alacsonyabb a korábbiaknál. (NASA ACD Ext)

Amit tehát a PubMed-mondatból érdemes kiolvasni:

„A reduction in total incident solar radiation forcing played a significant cooling role over 2001–2010.”

Ez nem valamiféle rejtélyes „besugárzáscsökkenés”. Nagyrészt a 23. napciklus maximumáról a rendkívül mély 2008–2009-es minimumra való lefutásról beszélnek. (PubMed)

És van egy szerintem különösen érdekes következmény: a cikk ténylegesen elismeri, hogy a 2000-es évek úgynevezett warming hiatusának egy részét a gyengébb napbesugárzás okozta. Nem az egészet, de statisztikailag kimutatható részt.

 

Számoljuk végig, mert így jól látszik, hogy a Nap 0,1% körüli változása hogyan tud már mérhető, de nem óriási hőmérsékleti hatást okozni.

A Folland-cikk konkrét eredménye az, hogy 2001–2010 között a TSI változásának hozzájárulása a globális felszíni hőmérséklethez:

−0,08 ± 0,04 °C

volt. A szerzők ezt kifejezetten erősen szignifikáns hatásnak találják erre az időszakra. A cikkben azt is írják, hogy a TSI nagyobb szokásos hatása körülbelül 2001-től 2010-ig ~0,08 °C-kal vitte lefelé a rekonstruált globális hőmérsékletet. (Science)

Fontos azonban: ezt nem úgy számították, hogy egyszerűen fogták a W/m²-t és megszorozták egy fix klímaérzékenységgel. Többváltozós regressziót használtak; a TSI csak egy predictor volt az ENSO/IPO, AMO, vulkanizmus, antropogén forcing stb. mellett. A változókat ráadásul normalizálták. (Academia)

1. Mennyivel csökkent maga a Nap teljes besugárzása?

A 23. napciklus maximuma és a 2008–2009-es minimum között a TSI változása kb.

−1,1 W/m²

volt. Lean 2020 szerint a 2009-es minimum TSI-je körülbelül 1,1 W/m²-rel volt kisebb, mint a 2000-es napmaximum idején. (Wiley Online Library)

A TSI átlagos értéke körülbelül 1361 W/m², tehát:

[
1,1 / 1361 * 100 approx= 0,081%
]

Vagyis valóban nagyon kicsi változás:

kb. −0,08%.

Ez jól egyezik azzal, hogy a tipikus 11 éves napciklus TSI-amplitúdója nagyjából 0,1%. (Springer)

Egy apró pontossági megjegyzés: a 1,1 W/m² a 2000-es maximum és a 2009-es minimum közötti különbség, míg Folland 2001–2010-es időszakot vizsgál. Tehát nem pontosan ugyanaz a két végpont, de a fizikai nagyságrend bemutatására nagyon jó.

2. Miért nem jelent −1,1 W/m²-t az egész Földön?

Ez az egyik legfontosabb rész.

A TSI azt mondja meg, hogy a Nap felé merőleges felületre mennyi energia érkezik:

≈1361 W/m².

De a Föld gömb.

A Nap egy πR² keresztmetszetet világít meg, miközben az energiát a Föld teljes 4πR² felszínére átlagoljuk.

Ezért:

(számítások)

Már csak −0,275 W/m² marad globális átlagban.

3. De még ennek sem mindegyike nyelődik el

A Föld bolygóalbedója nagyjából 0,30.

Vagyis a beérkező napsugárzás körülbelül 30%-a visszaverődik, ~70%-a nyelődik el.

Így: (számítások)

Delta F_{solar} approx= -0,193;W/m²
Ez a lényegi szám.

Tehát a napmaximum → napminimum változás:

TSI: −1,1 W/m²

de ennek a Föld energiamérlegére gyakorolt globális átlagos közvetlen hatása csak körülbelül:

−0,19 W/m².

Ugyanezt az összefüggést használja a szakirodalom is:

Delta F_S = (Delta S(1-A)) / 4
(Springer)

4. És ebből hogyan lehet −0,08 °C?

Most jön az érdekes rész.

Folland:

Delta T approx= -0,08 C

A becsült fizikai napsugárzási forcing:

Delta F approx= -0,193 W/m²

Ha csak visszafelé kiszámoljuk, hogy ez milyen effektív hőmérsékleti választ jelent:

[
\lambda=\frac{0,08}{0,193}
]

[
\boxed{\lambda\approx0,42^\circ C/(W/m²)}
]

Vagyis nagyjából minden 1 W/m² globális nettó forcinghoz 0,42 °C rövid távú hőmérsékleti válasz tartozna ebben az egyszerű visszaszámításban.

Ez teljesen másképp is kifejezhető. Ha nem korrigáljuk a TSI-t a /4 és albedó tényezővel:

[
\frac{0,08^\circ C}{1,1 W/m²}
\approx0,073^\circ C/(W/m²;TSI)
]

Vagyis:

1 W/m² TSI-változás ≈ 0,07 °C globális hőmérsékleti változás.

Ez érdekes módon nagyon közel van más empirikus napciklus-vizsgálatok eredményeihez: a többváltozós regressziós tanulmányokban a globális hőmérséklet napciklus-érzékenységére körülbelül 0,08–0,11 K/(W/m² TSI) tartományt is kaptak. (American Meteorological Society Journals)

Tehát Folland száma fizikailag egyáltalán nem lóg ki.

5. De a −0,08 °C nem „egyensúlyi klímaérzékenység”

Ez nagyon fontos.

Nem mondhatjuk azt, hogy:

−0,19 W/m² → mindig −0,08 °C.

A napciklus csak ~11 éves. Az óceánnak nagy a hőtehetetlensége, ezért a klímarendszernek nincs ideje teljes egyensúlyba kerülni.

Folland ráadásul regresszióból választotta szét a komponenseket. Például az általuk bemutatott regressziós egyenletben a TSI normalizált változójának együtthatója:

0,0457

miközben ugyanabban az egyenletben külön szerepel az ENSO, AMO, vulkanizmus, antropogén forcing és AO is. (Academia)

Ezért a −0,08 °C legpontosabb jelentése:

Follandék statisztikai rekonstrukciója szerint a Nap aktivitásának 2001–2010 közötti csökkenése körülbelül 0,08 ± 0,04 °C-kal csökkentette a globális felszíni hőmérsékletet ahhoz képest, ahol a többi tényező alapján lett volna.

Nem azt jelenti, hogy 2010 pontosan 0,08 °C-kal hidegebb lett kizárólag valamiféle egyszerű Stefan–Boltzmann-számítás alapján.

6. És itt válik igazán érdekessé a „hiatus”

Folland három időszakra külön kiszámolta a Nap hozzájárulását:

időszak	TSI hűtő hatása
1998–2013	−0,03 ± 0,03 °C
2001–2010	−0,08 ± 0,04 °C
2001–2013	−0,06 ± 0,04 °C

A legerősebb tehát pontosan 2001–2010 között volt. (Academia)

Ez érthető is:

2001 körül: még magas napaktivitás
→ TSI lefelé

2004–2007: folyamatos gyengülés
→ TSI tovább lefelé

2008–2009: rendkívül mély minimum
→ TSI minimum

2010: még csak gyenge fellendülés.

Így pont egy olyan tízéves intervallumot választunk, amelynek eleje magas, a vége pedig nagyon alacsony napaktivitású.

A következtetés tehát elég erős:

A 2000-es évek felmelegedési lassulása valóban részben naptevékenységi eredetű volt. Folland szerint a Nap kb. −0,08 °C, az ENSO/IPO pedig kb. −0,03 °C hozzájárulást adott 2001–2010 között; vagyis ebben a konkrét időablakban náluk a napenergia csökkenésének becsült hűtő hatása még nagyobb is volt, mint az ENSO/IPO-é. (Academia)

És ebből adódik egy még érdekesebb kérdés: ha 2001–2010-ben a Nap −0,08 °C-ot „elvett”, akkor amikor a napciklus utána visszafordult és a TSI újra nőtt, mennyit adott ebből vissza 2010–2015/2020 között? Ezt érdemes következőnek megnézni, mert ebből látható, hogy a 2010 utáni gyorsabb melegedésből mennyi írható a Nap számlájára, és mennyi nem.

 

 

És itt jön a fontos fordulat: 2010 után a Nap valóban visszaadott valamennyit a 2001–2010 között okozott hűtésből, de csak néhány század fokot. 2020-ra pedig ennek a ciklikus „visszaadásnak” nagy része ismét eltűnt.

A 23/24. napciklus mély minimuma 2008–2009-ben volt. Innen a 24. ciklus felfutott, és a TSI a minimumtól a 2013–2014 körüli maximumig körülbelül +0,68 W/m²-rel nőtt. (Wiley Online Library)

Ha most ugyanazzal a logikával számolunk, mint az előbb, kétféle becslést készíthetünk.

Az első a Folland-féle 2001–2010-es eredményből visszaszámolt empirikus érzékenység. Ott körülbelül:

−1,1 W/m² TSI → −0,08 °C

tehát:

0,08 / 1,1 ≈ 0,073 °C /(W/m² TSI).

A 2009 → 2013/14 növekedés ezért:

0,68 × 0,073 ≈ +0,050 °C.

Vagyis ha Folland saját, erre az időszakra kapott effektív kapcsolatát fordítjuk meg, a Nap aktivitásának visszatérése nagyjából

+0,05 °C

melegítő hozzájárulást jelenthetett.

Ez azonban inkább felső-közép becslés. Folland regressziója kifejezetten az adott időszakra vonatkozott, és több klímaváltozót egyszerre választott szét. (Science)

Egy későbbi, módszertanilag részletes vizsgálat, Amdur, Stine & Huybers (2021) több TSI-rekonstrukciót, hőmérsékleti adatsort és regressziós változatot tesztelt. Náluk a legvalószínűbb globális felszíni hőmérsékleti érzékenység:

0,05 °C /(W/m² TSI)

lett, 95%-os tartományként kb.

0,03–0,09 °C /(W/m²).

A korábbi empirikus vizsgálatok 0,08–0,18-as értékei közül a magasabbakat szerintük részben módszertani problémák fújhatták fel. (Harvard DASH)

Ezzel számolva:

0,68 × 0,05 ≈ +0,034 °C.

A bizonytalansági tartomány pedig nagyjából:

0,68 × 0,03 ≈ +0,02 °C

és

0,68 × 0,09 ≈ +0,06 °C.

Tehát a legjobb nagyságrendi következtetés:

2009/2010 → 2013/2014: a Nap kb. +0,03–0,05 °C-ot adhatott hozzá a globális hőmérséklethez.

Ez teljesen reális és mérhető hatás.

De most jön az igazán érdekes rész.

A 24. napciklus maximuma után a Nap aktivitása ismét csökkent:

2009: minimum
↑
2013–2014: maximum
↓
2019–2020: újabb minimum.

A SORCE/TIM műholdas mérések összehasonlítása szerint a 2019–2020-as minimum TSI-je gyakorlatilag nem különbözött szignifikánsan a 2008–2009-es minimumtól. Woods és munkatársai +0,14 ± 0,14 W/m² különbséget adnak meg; vagyis a bizonytalanságon belül a két minimum lényegében azonos. (Légkör és Űrfizikai Laboratórium)

Ez nagyon fontos.

Ha 2009-ben ezt nevezzük:

TSI = 0

akkor durván:

2009: 0
2013/14: +0,68 W/m²
2019/20: ≈ 0 W/m²

Így néz ki:

TSI

        2013/14
          /\
         /  \
        /    \
       /      \
2009 _/        \_ 2019/20

A hőmérsékleti napciklus-komponens ugyanez:

Nap hőmérsékleti hatása

          kb. +0,03–0,05 °C
                 /\
                /  \
               /    \
              /      \
2009  _______/        \_______ 2019/20
          ~0                 ~0

Vagyis a Nap nem adott tartós +0,05 °C-os lökést 2010 után.

Felmelegített valamennyit 2010–2014 között, majd a ciklus második felében ezt nagyjából vissza is vette.

Ezért egészen más a következtetés attól függően, hogy melyik intervallumot választjuk.

Időszak	Nap aktivitása	becsült hőmérsékleti hatás
2001 → 2009/10	erősen csökken	kb. −0,08 °C Folland szerint
2009 → 2013/14	emelkedik	kb. +0,03–0,05 °C
2014 → 2019/20	csökken	kb. −0,03–0,05 °C
2009 → 2019/20	minimum → minimum	közel 0 °C

Ez mutatja azt is, miért veszélyes 10 éves lineáris trendeket önmagukban értelmezni.

Ha úgy választjuk az időablakot, hogy:

napmaximum → napminimum,

a Nap látszólag hűti a klímát.

Ha:

napminimum → napmaximum,

a Nap látszólag gyorsítja a felmelegedést.

Ha viszont:

minimum → következő minimum,

akkor a 11 éves oszcilláció nagyrészt kiesik.

Pont ezért érdekes a 2009/2010 → 2019/2020 összehasonlítás.

Mindkét végpont napminimum.

Ráadásul a két minimum TSI-je a mérések szerint nagyon hasonló volt. (Légkör és Űrfizikai Laboratórium)

Így ha a globális hőmérséklet közben jelentősen magasabb lett, azt nem lehet egyszerűen a 11 éves napciklussal magyarázni, mert a Napot lényegében ugyanabban a ciklusfázisban hasonlítjuk össze önmagával.

Ez tulajdonképpen természetes kontrollkísérlet.

Amdurék egyik fő következtetése is az, hogy a napciklus globális felszíni hőmérsékleti hatása valós, de viszonylag szerény: legjobb becslésük ~0,05 °C egy 1 W/m² TSI maximum–minimum változásra. Ez összhangba hozza a megfigyeléseket a klímamodellek nagyságrendjével. (Harvard DASH)

Van azonban még egy csavar.

A teljes TSI 11 éves változása csak kb. 1 W/m², de a Nap spektruma nem minden hullámhosszon változik ugyanennyire. Különösen az UV tartomány sokkal erősebben változik a napciklus során. Emiatt a Nap hatása nem feltétlenül írható le tökéletesen pusztán azzal, hogy „TSI × 0,05”. A sztratoszférikus ózonon, légköri cirkuláción stb. keresztül regionális válaszok is kialakulhatnak. A jelenlegi vizsgálatok ugyanakkor nem találnak arra kényszerítő bizonyítékot, hogy ezek olyan hatalmas globális erősítést adnának, amely a TSI közvetlen hatását sokszorosára növelné. (NSF Public Access Repository)

És ezzel szerintem elérkeztünk a következő, még érdekesebb vizsgálathoz:

vegyük a napminimumokat egymás után: 1986 → 1996 → 2008/09 → 2019/20, és nézzük meg egyszerre a TSI-t és a globális hőmérsékletet.

Ezzel gyakorlatilag „kiszűrjük” a 11 éves napciklust. Ha a hőmérséklet minimumtól minimumig tovább emelkedik, miközben a TSI stagnál vagy csökken, akkor nagyon jól szétválasztható a napciklus és a hosszabb távú felmelegedési trend. Ez az eddigiekből logikusan következő legerősebb ellenőrzés.