Это препринт статьи принятой для рецензирования журналом "Геофизические процессы и биосфера" http://gpb.ifz.ru/

МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ПЕРЕНОСЕ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ НА ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЕ АТМОСФЕРЫ

В.М. Федоров

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия

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 радиации можно ожидать значимых изменений и в переносе лучистой энергии на верхней границе атмосферы (ВГА). Этот вопрос в геофизике исследован еще недостаточно.

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, Fedorov, 2012, 2013, 2015 а, b). 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 от 3000 года до н.э. до 2999 года н.э. (http://www.solar-climate.com).

Полученные результаты

Вариации солнечной радиации, связанные с небесно-механическими процессами, определяются расчетными методами. Под солярным климатом Земли понимается рассчитываемое теоретически поступление и распределение солнечной радиации на верхней границе атмосферы (ВГА) или на поверхности Земли без учета атмосферы (Миланкович, 1939; Монин, Шишков, 1979; Хромов, Петросянц, 2006). В результате расчетов инсоляции Земли (Fedorov, 2015 а) получено среднее годовое распределение инсоляции по 5-ти градусным широтным зонам (рис. 1).

В связи с неравномерностью в распределении на ВГА (или поверхности Земли, аппроксимированной в наших расчетах эллипсоидом, без учета атмосферы) были рассчитаны характеристики переноса лучистой энергии и получены оценки многолетней изменчивости в ее годовом и сезонном переносе. Лучистая энергия переносится от экваториальной области (0° – 45° широты), куда ее поступает больше в полярные районы (45° – 90° широты), где инсоляция (из-за эллипсоидальной формы Земли) меньше. В качестве характеристики переноса лучистой энергии использовался межширотный градиент инсоляции. Традиционно, для океана и атмосферы рассчитывается перенос энергии к северу (Пальмен, Ньютон, 1973; Лоренц, 1970). Межширотный градиент инсоляции 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 (для первого и последнего в массиве столетия) значения межширотного градиента для 5-ти градусных широтных зон (рис. 2).

Вычитанием из модулей значений межширотного градиента инсоляции, полученных для последнего в массиве столетия (2900 – 2999 гг.) соответствующих (для широтных зон) значений градиента (по модулю), рассчитанных для первого столетия (2900 г. до н. э. – 2999 г. до н.э.) получено изменения годового переноса энергии на ВГА в широтных зонах за 5998 лет. Делением полученных значений (в Дж) на среднюю продолжительность тропического года (с) получены значения переноса энергии в Вт (рис. 3). Модули определялись для того, чтобы изменение в переносе энергии на ВГА было однозначно представлено в полушариях (в традиционном представлении в северном полушарии перенос энергии имеет положительные значения, в южном полушарии отрицательные). Напомним, что фактически энергия переносится из области низких широт (в южном и северном направлении) в районы, расположенные в более высоких широтах.

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).

Отмечается постепенное увеличение переноса лучистой энергии от экватора к полярным кругам в каждом полушарии. Физический процесс переноса лучистой энергии – излучение. Максимумы увеличения локализованы вблизи 65-й параллели в каждом полушарии (вблизи полярных кругов). В заполярных областях отмечается постепенное уменьшение переноса лучистой энергии от полярных кругов к полюсам. 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 вблизи полярных кругов (около 65 градусов) в каждом полушарии (годовые «зоны турбулентности»). Максимальное уменьшение переноса по модулю (на 3,3Е+15 Вт или 2,56%) отмечается вблизи географических полюсов. Отмеченные «зоны турбулентности» совпадают с районами (60° – 70° широты) максимального развития внетропических циклонов (циклогенеза) в полушариях (Погосян, 1976) или субполярными зонами низкого давления в полушариях (Лоренц, 1970; Пальмен, Ньютон, 1973; Гарвей, 1982; Гилл, 1986; Хромов, Петросянц, 2006, Федоров, 2015).

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

В зимнее (для северного полушария) полугодие максимумы переноса лучистой энергии относительно годового 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 (рис. 5).

Изменение в переносе энергии по полугодиям находилось как разность значений градиентов инсоляции в полугодие между средними за последнее (2900 – 2999 гг.) и первое (2900 г. до н. э. – 2999 г. до н.э.) столетие, значениями (по модулю) для соответствующих широтных зон (рис. 6, 7).

В зимнее (для северного полушария) полугодие 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) (рис. 6).

В относительных единицах изменение в переносе лучистой энергии максимально увеличивается в зимнее (для северного полушария полугодие) вблизи 15° ю.ш. (11,8%) и максимально сокращается (17,8%) вблизи 10° ю.ш. В летнее (для северного полушария) полугодие максимальное увеличение (11,8%) в переносе лучистой энергии отмечается вблизи 15° с.ш., а максимальное сокращение (17,8%) вблизи 10° с.ш. Таким образом, выделяются сезонные «зоны турбулентности» расположенные вблизи 10° – 15° градусов широты в каждом полушарии. Здесь в соседних зонах отмечаются максимальные расхождения в тенденциях изменения переноса лучистой энергии (вблизи 15° широты отмечается максимальное увеличение, вблизи 10° широты – максимальное сокращение).

Известно, что подавляющее большинство тропических циклонов формируется в пределах экваториального пояса между 10° и 30° широты в обоих полушариях (рис. 8).

Приблизительно 87% тропических циклонов формируются в районах, расположенных не выше 20° широты (http://planet.iitp.ru/Oper_pr/tc_data/tc_data_1.htm; http://planet.iitp.ru/Oper_pr/Meteo_Cyclone.html).

Таким образом, область генерации тропических циклонов, наносящих огромный ущерб природе и человечеству (например, ущерб от урагана «Катрина» в 2005 г. составил более 100 млрд. долларов США), совпадают с сезонными «зонами турбулентности» в переносе энергии на ВГА (http://www.aoml.noaa.gov/hrd/tcfaq/tcfaqE.html).

Отмеченные нами области вблизи 65° и 10° – 15° широты характеризуют разные стадии развития циклонических вихрей. Если с сезонными «зонами турбулентности» связано зарождение тропических циклонов (вблизи 10° – 15° широты в каждом полушарии), то с годовыми «зонами турбулентности» (вблизи 65° в каждом полушарии) связана стадия максимального развития внетропических циклонов (Погосян, 1976). Главным образом, с вихревым переносом энергии связана работа «тепловой машины первого рода», механизма межширотного теплообмена в атмосфере. Вихри (циклоны) переносят энергию в атмосфере из области источника тепла (из низких широт) в области его стока (в высокие широты). При этом известно, что общее количество энергии, которая выделяется в тропическом циклоне среднего размера, составляет около 1015Вт в сутки. Это, по данным Национального управления по океаническим и атмосферным исследованиям США, приблизительно в 70 раз больше потребления (за тоже время) всех видов энергии человечеством и в 200 раз больше мирового производства электроэнергии (http://www.aoml.noaa.gov/hrd/tcfaq/D7.html).

Полученное среднее распределение годового переноса энергии на ВГА (рис. 2) 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 отражения и рассеивания) значениям переноса энергии на ВГА (рис. 9).

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

Заключение

Таким образом, в изменении годового переноса энергии на ВГА отмечается область увеличения переноса лучистой энергии, расположенная приблизительно между полярными кругами с максимумами (годовые «зоны турбулентности») вблизи полярных кругов (около 65° в каждом полушарии) и области уменьшения переноса лучистой энергии, расположенные за полярными кругами. Максимумы увеличения годового переноса энергии соответствуют областям максимального развития внетропических вихрей – циклонов в обоих полушариях.

В летние для полушарий полугодия в областях 10° – 15° широты отмечается максимальная дивергенция в тенденциях изменения переноса лучистой энергии (сезонные «зоны турбулентности»). С этими зонами связывается образование тропических циклонов в полушариях.

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. Тогда из полученных результатов следует, что в связи с отмеченными особенностями в изменении переноса лучистой энергии на ВГА будет возрастать и интенсивность вихревого переноса энергии в атмосфере (тропические и внетропические циклоны). То есть будет происходить усиление работы «тепловой машины первого рода» – усиление межширотного теплообмена в атмосфере.

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

Гарвей Д. Атмосфера и океан. М.: Прогресс, 1982. 184 с.

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.

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

Монин А.С., Шишков Ю.А. История климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 408 с.

Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 616 с.

Педлоски Дж. Геофизическая гидродинамика. М.: Мир. 1984. Т.1. 400 с.

Погосян Х. Циклоны. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. С. 148.

Федоров В.М. Широтные соответствия в распределении приходящей солнечной радиации и общей циркуляции атмосферы // Сложные системы, 2015, № 1(14). С. 39 – 55.

Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: МГУ, 2006. 582 с.

Fedorov V.M. Theoretical calculation of the interannual variability of the Earth`s insolation with daily resolution // Solar System Research, 2012. 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».

http://www.aoml.noaa.gov/hrd/tcfaq/D7.html

http://www.aoml.noaa.gov/hrd/tcfaq/tcfaqE.html

http://planet.iitp.ru/Oper_pr/tc_data/tc_data_1.htm

http://planet.iitp.ru/Oper_pr/Meteo_Cyclone.html

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.