www.solar-climate.com
 
 

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И КЛИМАТ ЗЕМЛИ

 

МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ПЕРЕНОСЕ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ НА ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЕ АТМОСФЕРЫ

В.М. Федоров

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

 

Введение

Солнечная радиация является важнейшим источником энергии многих геофизических, гидрометеорологических и биологических процессов. Приходящая к Земле лучистая энергия испытывает изменения как во времени, так и в пространстве. Вариации в приходе солнечной радиации к Земле невелики. За период с 2999 до н.э по 2999 н.э. (5998 лет) они составляют около 0,005% от приходящей к Земле за год радиации. Однако, изменения распределения по широтам и сезонам года приходящей радиации за тот же период меняется более значительно, до 3,0% (Fedorov, 2015 a, b). В связи с существенными изменениями в меридиональном распределении приходящей солнечной вариации можно ожидать значимых изменений и в переносе лучистой энергии на верхней границе атмосферы (ВГА).

 

Методика расчетов

Расчеты приходящей солнечной радиации выполнялись по данным астрономических эфемерид (Giorgini et al., 1996; http://ssd.jpl.nasa.gov) для всей поверхности Земли (без учета атмосферы) в интервале с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. Исходными астрономическими данными для расчетов инсоляции были склонение и эклиптическая долгота Солнца, расстояние от Земли до Солнца, разность хода равномерно текущего (среднего солнечного) и всемирного корректируемого времени (истинного солнечного). Поверхность Земли аппроксимировалась эллипсоидом (GRS80 – Geodetic Reference System, 1980) с длинами полуосей равными 6378137 м (большие) и 6356752 м (малая). В общем виде алгоритм расчетов можно представить выражением:

(1)

где I – приходящая солнечная радиация за элементарный n-й фрагмент m-го тропического года (Дж); – площадной множитель (м2), с помощью которого вычисляется площадной дифференциал – площадь бесконечно малой трапеции – ячейки эллипсоида; – часовой угол, – географическая широта, выраженные в радианах; H – высота поверхности эллипсоида относительно поверхности Земли (м); – инсоляция в заданный момент в заданном месте поверхности эллипсоида (Вт/м2), t – время (с). Шаги при интегрировании составляли: по долготе 1°, по широте 1°, по времени 1/360 часть продолжительности тропического года (Fedorov, 2013). Значение солнечной постоянной (среднее многолетнее значение TSI) принималось равным 1361 Вт/м2 (Kopp, Lean, 2011). Изменение активности Солнца не учитывалось. По результатам расчетов сформирована общедоступная база данных приходящей солнечной энергии во все широтные зоны Земли (протяженностью в 5 градусов) за каждый астрономический месяц каждого года для периода 3000BC – 2999AD (http://www.solar-climate.com).

 

Полученные результаты

В результате расчетов инсоляции Земли нами было получено среднее годовое распределение инсоляции по 5-ти градусным широтным зонам (рис. 1).

Рис. 1. Средняя годовая инсоляция в широтных зонах Земли на ВГА.

 

Делением полученных значений инсоляции (в Дж) на продолжительность тропического года (с) были рассчитаны значения инсоляции в Вт. В качестве характеристики переноса лучистой энергии к северу использовался межширотный градиент инсоляции. Он рассчитывался последовательным вычитанием значений годовой (или полугодовой) инсоляции полученных для 5-ти градусных широтных зон. При этом из значений инсоляции южных зон вычитались значения соседних зон, расположенных севернее. Такие расчеты проведены для первого в массиве столетия (2999 – 2900 г. до н.э.) и последнего (2900 – 2999 г. н.э.). По этим значениям определись средние значения межширотного градиента для 5-ти градусных широтных зон (рис. 2).

Рис. 2. Средний годовой перенос лучистой энергии на ВГА к северу.

 

Вычитанием из модулей значений межширотного градиента инсоляции, полученных для последней сотни соответствующих (для широтных зон) значений градиента (по модулю), полученных для первой сотни получено распределение изменения годового переноса энергии на ВГА за 5998 лет (рис. 3).

Рис. 3. Изменение годового переноса энергии (по модулю) на ВГА за 5998 лет.

 

Делением полученных для широтных зон значений изменения переноса на средние по модулю значения межширотного градиента инсоляции (для соответствующих зон) определялись показатели изменения годового переноса энергии на ВГА в процентах (рис. 4).

Рис. 4. Изменение годового переноса лучистой энергии по модулю на ВГА за 5998 лет, %.

 

Отмечается постепенное увеличение переноса лучистой энергии от экватора к полярным кругам в каждом полушарии. Физический процесс переноса энергии – излучение. Максимумы увеличения локализованы приблизительно в районе 65-й параллели в каждом полушарии (вблизи полярных кругов). В заполярных областях отмечается постепенное уменьшение (от полярных кругов к полюсам) переноса лучистой энергии. Таким образом, в каждом полушарии выделяются области увеличения (от экватора до полярного круга) и области уменьшения (от полярного круга до полюса) переноса лучистой энергии. Максимальное увеличение (на 2,61Е+15 Вт или 1,25%) отмечается в районе полярных кругов (65° широты) в каждом полушарии («зоны турбулентности»). Максимальное уменьшение переноса (на 3,3Е+15 Вт или 2,56%) приходится на полярные районы (85° широты).

Аналогичным образом рассчитывалось изменение переноса тепла для зимнего и летнего (в северном полушарии) полугодия (рис. 5).

Рис. 5. Средний перенос энергии на ВГА по полугодиям
(1 – зимнее полугодие, 2 – летнее в северном полушарии полугодие)

В зимнее (для северного полушария) полугодие максимумы переноса лучистой энергии относительно годового (рис. 2) распределения смещаются к югу и локализуются вблизи 55-й параллели в южном полушарии и вблизи 35-й параллели в северном полушарии. В летнее для северного полушария полугодие максимумы переноса лучистой энергии смешаются к северу, относительно годового и зимнего распределения, и локализуются вблизи 35-й параллели в южном полушарии и 55-й параллели в северном полушарии. Смещение по широте максимумов среднего переноса лучистой энергии от полугодия к полугодию составляет, таким образом, около 20 градусов.

Изменение в переносе энергии по полугодиям находилось как разность значений градиентов инсоляции в полугодие между средними за последнюю сотню и первую сотню значениями (по модулю) для соответствующих широтных зон (рис. 6).

Рис. 6. Изменение переноса лучистой энергии (по модулю) на ВГА в зимнее и летнее полугодие за 5998 лет, Вт (1 – зимнее полугодие, 2 – летнее полугодие).

 

В зимнее полугодие (для северного полушария) за 5998 лет отмечается уменьшение абсолютных значений градиента энергии на ВГА в области от 65° ю.ш. (от южного полярного круга) до 30° с.ш. Максимальное уменьшение (-1,87Е+15 Вт) отмечается вблизи 5° ю.ш. и 15° ю.ш. Увеличение градиента в это полугодие характерно для южной полярной области (за южным полярным кругом) с максимумом в районе географического южного полюса (3,35Е+15 Вт) и в северном полушарии севернее 30° с.ш. с максимумом вблизи 65° с.ш. (2,41Е+15 Вт).

В летнее (для северного полушария) полугодие увеличение переноса лучистой энергии отмечается в области от 30° ю.ш. до 65° с.ш. с максимумами (1,87Е+15 Вт) вблизи 5° с.ш. и 10° с.ш. Уменьшение отмечается в северной полярной области с минимумом в районе географического северного полюса (-3,35Е+15 Вт) и в южном полушарии южнее 30° ю.ш. с минимумом вблизи 65° ю.ш. (-2,41Е+15 Вт).

Полученное среднее распределение годового переноса энергии на ВГА (рис. 2.37) сравнивалось с распределением среднего годового переноса энергии к северу в системе океан – атмосфера приведенным в работе Э. Пальмена и Ч. Ньютона (Пальмен, Ньютон, 1973). Коэффициент корреляции между значениями годового переноса энергии на ВГА и в системе океан – атмосфера составил 0,98. При этом значения численные значения переноса энергии в системе океан – атмосфера приблизительно на два порядка уступают (из-за трения в вязкой среде) значениям переноса энергии на ВГА (рис. 7).

Рис. 7. Средний годовой перенос энергии в системе океан – атмосфера
(Пальмен, Ньютон. 1973).

Сходный с полученным для ВГА годовым переносом отмечается и характер среднего годового переноса в атмосфере в работе Э. Лоренца (Лоренц, 1970).

Таким образом, в изменении годового переноса энергии на ВГА отмечается область увеличения (расположенная приблизительно между полярными кругами) с максимумами («зоны турбулентности») вблизи полярных кругов (65° в каждом полушарии) и области уменьшения переноса лучистой энергии (расположенные за полярными кругами). Отмеченный характер отражает тенденцию усиления межширотного теплообмена в области расположенной между северным и южным полярными кругами.

В области от 35° с.ш. до 35° ю.ш. в зимнее (для северного полушария) полугодие отмечается уменьшение переноса энергии, в летнее полугодие увеличение. Перенос энергии на ВГА в зимнее (для северного полушария) полугодие уменьшается в области от 30° с.ш. до 65° ю.ш. Увеличение отмечается в южной полярной области (за полярным кругом) и в северном полушарии в области, расположенной севернее 30° с.ш. (с максимумом в районе 65° с.ш. сезонная «зона турбулентности»). В летнее (для северного полушария) полугодие увеличение переноса энергии на ВГА отмечается от 30° ю.ш. до 65° с.ш.. Уменьшение отмечается в северной полярной области (за полярным кругом) и в южном полушарии в области, расположенной южнее 30° ю.ш. (с минимумом в районе 65° ю.ш.).

Поскольку средний годовой перенос энергии в системе океан – атмосфера определяется средним годовым переносом на ВГА, то и полученные для этого переноса изменения на интервале в 5998 лет (от 2999 г. до н.э. до 2999 г. н.э.), могут проявляться и в системе океан – атмосфера. Полученные изменения в переносе энергии на ВГА, вероятно, следует учитывать в системе уравнений гидротермодинамики (уравнения законов сохранения массы, импульса, энергии и состояния газа) для атмосферы (Гилл, 1986; Педлоски, 1984) используемой при численных экспериментах в физико-математических моделях климата. Используемые в моделях общей циркуляции атмосферы (МОЦА) и океана (МОЦО) уравнения гидротермодинамики описывают статическую атмосферу и океан, которые таковыми в реальности не являются.

 

 

 

Литература

Гилл А. Динамика атмосферы и океана. М.: Мир, 1986. Т. 1. 397 с.
Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 260 с.
Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 616 с.
Педлоски Дж. Геофизическая гидродинамика. М.: Мир. 1984. Т.1. 400 с.
Fedorov V.M. Theoretical calculation of the interannual variability of the Earth`s insolation with daily resolution // Solar System Research, 2016. V. 50. № 3. P. 220 – 224. DOI:10.1134/S0038094616030011.
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 in various time cycles // Doklady Earth Sciences, 2015 b. V. 460. Part 1. P. 96–99. DOI: 10.1134/S1028334X15010183.
Giorgini J.D., Yeomans D.K., Chamberlin A.B., Chodas P.W., Jacobson R.A., Keesey M.S., Lieske J.H., Ostro S.J., Standish E.M., Wimberly R.N. JPL`s On-Line Solar System Data Service // Bulletin of the American Astronomical Society, 1996. V. 28 (3). P. 1158.
http://ssd.jpl.nasa.gov. – NASA, Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology (JPL Solar System Dynamics).
http://www.solar-climate.com – Электронный ресурс «Солнечная радиация и климат Земли».
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.
 

 

 

SOLAR RADIATION AND CLIMATE
OF THE EARTH

 
© www.solar-climate.com
 
     

**
1