АНАЛИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ В МЕЖГОДОВОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ИНСОЛЯЦИИ ЗЕМЛИ
В.М. Федоров, П.Б. Гребенников
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Важнейшей характеристикой приходящей к Земле солнечной радиации является TSI (Total solar irradiance) – полное количество солнечной энергии по всему спектру, падающее за единицу времени на единицу площади, перпендикулярной солнечным лучам, на среднем расстоянии Земли от Солнца за пределами земной атмосферы (или на верхней границе атмосферы – ВГА). Среднее многолетнее значение TSI принимается за величину солнечной постоянной (Koop, Lean, 2011; Frohlich, 2012; Koop et al., 2012).

Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, то среднее значение TSI (солнечная постоянная) в течение года меняется и имеет правильный годовой ход. Отклонение интенсивности приходящей на ВГА солнечной радиации от величины солнечной постоянной составляет около 3,5% (Дроздов и др., 1989; Алисов, Полтараус, 1974) (рис.1). Годовой ход солнечной постоянной определяется небесно-механическим процессом – движением Земли по эллиптической орбите. Им задается главное колебание в климатической системе Земли.

Однако, значения TSI изменяются от года к году. Межгодовая изменчивость приходящей к Земле солнечной радиации, определяется двумя основными причинами, имеющими различную физическую природу. Одна из них определяется изменением физической активности Солнца, связанной с происходящими на Солнце процессами: пятнообразованием, факельными вспышками и др. (http://www.pmodwrc.ch/). Другая причина связана с небесно-механическими процессами (изменением расстояния Солнце – Земля) в результате возмущающего действия ближайших небесных тел на орбитальное движение Земли (Borisenkov et al., 1985; Fedorov 2012). Далее используются принятые нами обозначения составляющих межгодовой изменчивости TSI. Вариации солнечной радиации, связанные с небесно механическими процессами, обозначаются TSI_CMP (celestial mechanical process). Вариации TSI, связанные с изменением активности Солнца (solar activity), обозначаются как TSI_SA.

Исследование вариаций TSI, связанных с солнечной активностью, получили широкое развитие (http://www.pmodwrc.ch; Frohlich, Lean, 1998; Lean et al, 2005, Foukal et al., 2006; Frohlich, 2012; Koop et al., 2012). В тоже время, многолетние и межгодовые вариации TSI, связанные с изменением расстояния Солнце – Земля исследованы недостаточно. Исследование соотношений вариаций различной природы в межгодовой изменчивости TSI может оказаться полезным для определения степени (веса) отдельного влияния межгодовых вариаций TSI_CMP и TSI_SA на природные процессы (гидрометеорологические, геофизические, биологические и др.).

Методика расчетов

Для определения вариаций расстояния между Землей и Солнцем по данным астрономических эфемерид (DE-406) определялись средние расстояния между Землей и Солнцем для календарных суток в интервале с 1740 по 2050 гг. (http://ssd.jpl.nasa.gov). Точность эфемерид по расстоянию составляет 10^-9 а.е. или 0,1496 км. Величина солнечной постоянной при расстоянии между Землей и Солнцем равном 1 а.е. принималась равной = 1361,0 Вт/м² (Koop, Lean, 2011). Известно, что если – среднее расстояние между Землей и Солнцем равное большой полуоси эллипса земной орбиты (1 а.е.), то на расстоянии

(1)

По формуле (1) рассчитывались средние значения составляющей TSI, связанной с небесно-механическими процессами (TSI_CMP), для календарных суток в интервале с 1740 по 2050 гг. По этим данным осреднением были получены месячные и годовые (рис. 2) значения этого компонента TSI (ненормированные относительно расстояния Земля – Солнце). Последовательным вычитанием годовых и месячных значений (из значений предыдущего года вычитались соответствующие значения последующего года) были получены ряды значений межгодовой изменчивости TSI_CMP с годовым и месячным разрешением. В результате анализа рассчитанных рядов были получены амплитудные характеристики межгодовой изменчивости TSI_CMP, связанной с возмущенным орбитальным движением Земли. Под амплитудой нами понимается среднее по модулю значение межгодовой изменчивости TSI, TSI_CMP и TSI_SA. Вариации, связанные с изменение активности Солнца, в этих расчетах не учитывались.

Спутниковые радиометрические измерения TSI проводятся с 1978 года. Известны реконструкции TSI, выполненные на основе обработанных радиометрических данных (по числу солнечных пятен и факельным вспышкам). С 1610 года получены данные с годовым, а с 1882 года – с месячным разрешением (Lean et al., 1995; Koop, Lean, 2011). При анализе межгодовой изменчивости солнечной радиации с годовым разрешением в качестве исходных данных нами использовались эти значения TSI с 1740 по 2012 гг. (рис. 2), рекомендованные для использования в физико-математических моделях климата (Lean et al., 1995; Koop, Lean, 2011; http://solarisheppa.geomar.de/cmip5; Climate Change, 2013). При анализе данных с месячным разрешением использовался ряд (TSI 11-yr cycle), опубликованный на (http://solarisheppa.geomar.de/cmip5).

Многолетняя изменчивость TSI определяется в основном вариациями, связанными с изменением активности Солнца (TSI_SA). Среднее по модулю значение аномалии TSI в реконструированном (Koop, Lean, 2011) ряде значений (рис. 2) составляет 0,3242 Вт/м². Средняя по модулю аномалия TSI_CMP в рассчитанном нами ряде значений равняется 0,0158 Вт/м². Таким образом, вариации TSI_SA на данном интервале составляют около 95% многолетней изменчивости TSI. Около 5% приходится на вариации TSI_CMP.

Детально анализировалось соотношение вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI с годовым разрешением в диапазоне с 1740 по 2012 гг. (Climate Change, 2013). Среднее многолетнее значение TSI (солнечной постоянной) для этого массива составляет 1361,0 Вт/м² (Koop, Lean, 2011), поэтому при расчете вариаций, связанных с небесно-механическими процессами (по формуле 1), значение солнечной постоянной () принималось равным 1361,0 Вт/м². В результате выполненных расчетов появилась возможность выделить в межгодовой изменчивости TSI значения составляющих разной физической природы (TSI_CMP и TSI_SA).

Амплитуда TSI_CMP и TSI. В годовом ходе амплитуда солнечной постоянной составляет около 3,5% (рис. 1), в межгодовой изменчивости с годовым разрешением (т.е. анализировались годовые значения TSI) амплитуда изменчивости TSI значительно меньше – 0,014% (от величины солнечной постоянной – 1361 Вт/м²). Однако эти малые вариации важны в связи с тем, что ВГА является поверхностью, характеризующей начальные условия расчета радиационного баланса Земли, ее поверхности и атмосферы. Точностью определения начальных условий определяются возможности тех или иных модельных расчетов.

Рассчитанные нами амплитуды межгодовой изменчивости TSI_CMP (рис. 3), определяемые небесно-механическими процессами, по модулю составляют 0,02 Вт/м², или 10,5% от средней по модулю амплитуды вариаций общего потока (TSI) в интервале с 1978 по 2012 гг. (0,19 Вт/м²). Максимальное значение амплитуды TSI_CMP составляет на этом интервале 0,05 Вт/м², или 26,3% (от средней по модулю амплитуды TSI). В интервале с 1740 по 2012 гг. амплитуда межгодовой изменчивости TSI_CMP также составляет 0,02 Вт/м², или 13,5% (от 0,15 Вт/м² – средней по модулю амплитуды межгодовой изменчивости TSI на этом интервале). Максимальное значение амплитуды TSI_CMP на этом временном интервале составляет 42,8,1% от средней по модулю амплитуды всего потока (TSI).

Соотношение TSI_CMP и TSI_SA. Соотношение вариаций различной физической природы (TSI_CMP и TSI_SA) в изменчивости TSI находилось следующим образом. Величины межгодовых вариаций, связанных с изменением активности Солнца (TSI_SA), находились вычитанием рассчитанных нами значений амплитуды межгодовой изменчивости, определяемой небесно-механическими процессами (TSI_CMP), из значений межгодовой изменчивости TSI (TSI_SA = TSI - TSI_CMP). Затем определялись модули полученных значений для TSI_SA и TSI_CMP. Сумма модулей для каждого года принималась равной единице. Из полученной пропорции рассчитывались соотношения (веса) вариаций разной физической природы в межгодовой изменчивости TSI. Умножением на 100 рассчитывалось соотношение в процентах. В результате определено, что на интервале с 1978 по 2012 гг. (рис. 4) соотношение межгодовых вариаций в TSI в среднем составляет 80,6% (TSI_SA) и 19,6% (TSI_CMP). На интервале с 1740 по 2012 гг. (рис. 5) это соотношение характеризуется значениями 78,7% и 21,3% соответственно. Таким образом, при годовом разрешении вариации TSI_CMP составляют приблизительно 1/5 часть (около 20%) межгодовой изменчивости TSI.

Также анализировалось соотношение вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI с месячным разрешением (т.е. анализировались месячные значения TSI). Для анализа соотношений в этом случае использовался массив данных с 1882 по 2008 гг. (http://solarisheppa.geomar.de/cmip5). Средняя величина TSI для этого массива составляет 1365,9 Вт/м², поэтому при расчетах межгодовой изменчивости приходящей радиации, связанной с небесно-механическими процессами (TSI_CMP), значение солнечной постоянной принималось равным 1366.0 Вт/м².

Амплитуды TSI и TSI_CMP. Амплитуда межгодовой изменчивости TSI при месячном разрешении (рис. 6) составляет от 0,016% до 0,020% от величины солнечной постоянной (1366 Вт/м²). При анализе амплитуды (по модулю) межгодовой изменчивости TSI и TSI_CMP с месячным разрешением соотношения их весов кардинально меняются. В интервале с 1882 по 2008 гг. в среднем за месяц амплитуда TSI_CMP по модулю составляет 0,20 Вт/м², амплитуда TSI – 0,22 Вт/м² т.е. в среднем амплитуда TSI_CMP составляет 90,9% от амплитуды межгодовой изменчивости TSI (по модулю). В интервале с 1978 по 2008 гг. амплитуда TSI_CMP по модулю равна 0,21 Вт/м², амплитуда TSI – 0,27 Вт/м². На этом интервале амплитуда межгодовой изменчивости TSI_CMP по модулю составляет 77,8% от амплитуды TSI. В отдельные месяцы года (март – май и сентябрь – ноябрь) амплитуда межгодовой изменчивости TSI_CMP по модулю превосходит амплитуду TSI. В остальные месяцы уступает ей (рис. 6).

Соотношение TSI_CMP и TSI_SA. Соотношение вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI для каждого месяца находилось так же, как и для годового разрешения. Средние значения соотношения в межгодовой изменчивости TSI по всему массиву (с 1882 по 2008 гг.) получились равными 45,19% (TSI_SA) и 54,81% (TSI_CMP). Годовой ход соотношения вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI представлен на рис. 7.

Разность значений составляющих межгодовой изменчивости TSI, связанной с небесно-механическими процессами (TSI_CMP) и определяемой изменением активности Солнца (TSI_SA), имеет определенный характер годового хода (рис. 8).

Из полученного распределения видно, что при месячном разрешении межгодовые вариации, связанные с активностью Солнца (TSI_SA), превышают веса межгодовых вариаций, определяемых небесно-механическими процессами (TSI_CMP) на протяжении 4 месяцев (1/3 года): июнь, июль, декабрь, январь. Временные интервалы доминирования вариации TSI_SA хронологически локализуются в окрестностях точек летнего и зимнего солнцестояния. На протяжении остальных 8 месяцев (2/3 года) в межгодовой изменчивости TSI преобладает вариация, определяемая небесно-механическими процессами (TSI_CMP). Максимальные значения преобладания вариаций (TSI_CMP) приходятся на интервалы вблизи равноденственных точек. Для периода спутниковых радиометрических наблюдений с 1978 по 2008 гг. среднее соотношение характеризуется весовыми значениями 45,71% (TSI_SA) и 54,29% (TSI_CMP).

Таким образом, соотношение вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI изменяется в связи с временным разрешением. При годовом разрешении межгодовые вариации, связанные с небесно-механическими процессами (TSI_CMP), составляют около 1/5 величины межгодовой изменчивости общего TSI. При месячном разрешении их вес в межгодовой изменчивости TSI в среднем составляет более 1/2.

Сезонное изменение межгодовых вариаций TSI в значительной степени определяется TSI_CMP. Годовой ход TSI также определяется небесно-механическими процессами – движением Земли по эллиптической орбите. Вариации межгодовой изменчивости в распределении TSI в пространстве (по широтам) также связаны с небесно-механическими процессами – изменением наклона оси вращения Земли в результате прецессии и нутации (Мilankovich, 1920; Миланкович, 1939; Fedorov, 2015). Также следует отметить, что для TSI_CMP характерна строгая периодичность (Fedorov, 2013, 2015 а, b, c). В ней выделяются регулярные колебания с периодами 2, 3, 8, 11 и 19 лет, определяемые возмущающим действием ближайших небесных тел на орбитальное движение Земли. Это создает возможности для усиления проявления этих внешних сигналов в результате резонанса с годовым периодом в климатической системе Земли. Полученные результаты могут способствовать уточнению оценок влияния TSI_CMP и TSI_SA на климатические процессы при разных временных разрешениях.

Выполненный анализ позволяет уточнить изменения начальных условий для определенного года (на ВГА) при расчетах и прогнозе изменения радиационного баланса Земли. Известно, что в нелинейных системах малые различия в начальных условиях приводят к быстрому появлению неопределенности или большому расхождению рассчитанных значений с реальными. В связи с этим учет малых значений межгодовой изменчивости TSI (в том числе пространственных) при моделировании TSI и климата представляется важным. Полученные результаты также представляются перспективными для выполнения реконструкции и прогноза TSI с месячным разрешением по рассчитанным значениям TSI_CMP, поскольку при этом временном разрешении межгодовая вариация TSI_CMP является преобладающей.

Таким образом, многолетняя изменчивость годовых значений TSI приблизительно на 95% определяется вариациями, связанными с изменением активности Солнца. Межгодовая изменчивость TSI по физической природе представляет собой дуплекс с переменными в зависимости от временного разрешения соотношениями составляющих. При годовом разрешении (межгодовая изменчивость годовых значений TSI) преобладающей является составляющая, определяемая активностью Солнца (около 80%). При месячном разрешении (межгодовая изменчивость месячных значений TSI) ведущей составляющей дуплекса является вариация, определяемая небесно-механическими процессами (около 55%). Межгодовые вариации TSI_CMP, таким образом, являются ведущими в изменчивости TSI в диапазоне изменения по сезонам года. Полученные результаты указывают на необходимость дифференцированного использования значений межгодовой изменчивости солнечной радиации разной природы (TSI_CMP и TSI_SA) в климатических моделях в связи с зависимостью их весовых соотношений от временного разрешения.

Литература

Алисов Б.П, Полтараус Б.В. Климатология. – М.: Московский университет, 1974. 210 с.

Дроздов О.А., Васильев Н.В., Раевский А.Н., Смекалова Л.К., Школьный В.П. Климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 568 с.

Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. М.–Л.: ГОНТИ, 1939. 208 с.

Borisenkov E. P., Tsvetkov A,V., Eddy J.A. Combined Effects of Earth Orbit Perturbations and Solar Activity оп Terrestrial Insolation. Part 1: Sample Days and Annual Mean Values // Journal of the atmospheric sciences, 1985. V. 42. № 9. P. 933 – 940.

Climate Change, 2013. Chapter 8. Anthropogenic and natural radiative forcing. P. 659 – 740.

Fedorov V.M. Interannual Variability of the Solar Constant // Solar System Research, 2012. V. 46. №. 2. P. 170 – 176 . DOI: 10.1134/S0038094612020049.

Fedorov V.M. Interannual Variations in the Duration of the Tropical Year // Doklady Earth Sciences, 2013. V. 451. Part 1. P. 750–753. DOI: 10.1134/S1028334X13070015.

Fedorov V.M. Spatial and temporal variation in solar climate of the Earth in the present epoch // Izvestiya, Atmospheric and oceanic physics, 2015 a. V. 51. № 8. P. 779 – 791. DOI: 10.1134/S0001433815080034.

Fedorov V.M. Latitudinal variability of incoming solar radiation invarious time cycles // Doklady Earth Sciences, 2015 b. V. 460. Part 1. P. 96–99. DOI: 10.1134/S1028334X15010183.

Fedorov V.M. Trends of the changes in sea ice extent in the northern hemisphere and their causes // Kriosfera Zemli, 2015 c. V. XIX. № 3. P. 46 – 57.

Frohlich C. Total solar irradiance observations // Surveys in Geophysics, 2012. V. 33. P. 453 – 473. DOI: 10.1007/s10712-011-9168-5.

Frohlich C., Lean J. The Sun’s total irradiance: cycles and trends in the past two decades and associated climate change un-certainties // Geophys. Res. Lett., 1998. V. 25. P. 4377 – 4380.

Foukal P., Frohlich C., Spruit H., Wigley T.M.L. Variations in solar luminosity and their effect on the Earth's climate // Nature, 2006. V. 443. P. 161 – 166. Doi: 10.1038/nature05072.

http://www.pmodwrc.ch/

http://ssd.jpl.nasa.gov

http://solarisheppa.geomar.de/cmip5

Kopp G., Lean J. A new lower value of total solar irradiance: Evidence and climate significance // Geophysical Research Letters, 2011. V. 37. L01706. DOI: 10.1029/2010GL045777.

Koop G., Fehlmann A., Finsterle W., Harber D., Heuerman K. and Willson R. Total solar irradiance data record accuracy and consistency improvements // Metrologia, 2012. V. 49. P. 29. Doi: 10.1088/0026-1394/49/2/S29.

Lean J., Beer J., Bradley R. Reconstruction of solar irradiance since 1610: Implications for climate change // Geophys. Res. Lett., 1995. V. 2. P. 3195 – 3198.