www.solar-climate.com
 
 

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И КЛИМАТ ЗЕМЛИ

 

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ СОЛЯРНОГО КЛИМАТА ЗЕМЛИ
В СОВРЕМЕННУЮ ЭПОХУ
В.М. Федоров
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Приводятся результаты исследований пространственно – временной изменчивости солярного климата Земли в современную эпоху с учетом периодических возмущений ее орбитального движения и наклона оси вращения в результате прецессии и нутации. На основе выполненных расчетов определены особенности временной изменчивости в поступлении солнечной радиации (в отсутствии атмосферы) к Земле и особенности ее пространственного распределения на поверхности земного эллипсоида. Определено, что в современную эпоху (от 3000 г. до н.э. до 2999 г. н.э.) происходит сокращение приходящей солнечной радиации к Земле, связанное с вековым изменением наклона оси ее вращения. В приходящей к Земле солнечной радиации проявляется периодичность равная 2-м, 3-м, 8-ми, 11-ти и 19-ти годам. Поступление солнечной радиации в экваториальные районы Земли в современную эпоху несколько увеличивается, а в полярные районы существенно сокращается. Таким образом, происходит увеличение межширотного градиента в поступающей на земной эллипсоид в отсутствии атмосферы, солнечной радиации. В вековой тенденции солнечная радиация сокращается в летних полушариях, а в зимних – увеличивается. Годовой ход солнечной радиации имеет обратную направленность по отношению к вековой изменчивости.

Солнечная радиация, солярный климат, современная эпоха, возмущенное движение, пространственно – временная изменчивость, периодичность, прецессия, нутация.

 

The results of the study of the spatial-temporal variability of the Solar climate of the Earth at present epoch with the periodic perturbations of the orbital motion and of the axial inclination due to precession and nutation accounted for. The specific of the temporal variability of the incoming Solar radiation (without atmosphere) and the specific of the spatial distribution of the incoming Solar radiation over the surface of the Earth ellipsoid were determined based on the completed calculations. It was found that the incoming Solar radiation is decreasing in the present epoch (from 3000 B.C. 2999 A.C.) because of the secular change in the axial inclination of the Earth. The periodicity in the incoming Solar radiation is equal to 2, 3, 8, 11 and 19 years. The radiation incoming to the equatorial regions is slightly increasing, while those incoming to the Polar regions is considerably decreasing. Thus, the inter-latitudinal gradient in the incoming Solar radiation (without atmosphere) is growing. The Solar radiation is decreasing in Summer hemispheres and increasing in the Winter hemispheres in its secular tendencies. The annual variation in the incoming Solar radiation has the opposite tendency relative to the secular variation.

Solar radiation, Solar climate, Present epoch, perturbed motion, spatial temporal variability, periodicity, precession, nutation

 

 

Оценка исходных инсоляционных данных

Для исследований пространственных и временных изменений солярного климата Земли использовались массивы данных, размещенные в разделе Базы данных инсоляции (http://www.solar-climate.com/sc/bd01.htm). Для оценки надежности и достоверности исходных для анализа инсоляционных данных проводилось их сравнение (табл. 1 – 3) с результатами расчетов, приведенными в работах М. Миланковича и А.С. Монина (Миланкович, 1939; Монин, 1982). Также проводилось сравнение рассчитанных данных со значениями солнечной радиации, полученными в результате актинометрических наблюдений и приводимыми для отдельных широтных зон в работах по климатологии (Дроздов и др., 1989; Хромов, Петросянц, 2006).

 

Табл. 1. Количество радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, МДж/м2 (Миланкович, 1939).

 

Географическая широта, град.
Летнее полугодие
Зимнее полугодие
Год
0
6728,30
6728,30
13456,60
5
6949,53
6462,66
13412,19
10
7120,91
6150,92
6150,92
15
7242,83
5797,28
13040,12
20
7314,48
5404,26
12718,75
25
7337,95
4976,88
12314,83
30
7309,46
4516,82
11826,28
35
7234,04
4030,36
11264,40
40
7110,85
3520,86
10631,71
45
6945,34
2995,85
9941,19
50
6740,03
2461,21
9201,24
55
6507,07
1931,59
8438,66
60
6246,45
1408,68
7655,13
65
5991,70
929,34
6921,04
70
5811,53
563,14
6374,67
75
5704,69
309,22
6013,91
80
5636,39
135,76
5772,14
85
5597,42
31,01
5628,43
90
5585,27
0,00
5585,27
Среднее
6584,96
3071,27
9656,23

 

 

Табл. 2. Средние значения инсоляции, МДж/м2 (Монин, 1982).

 

Географическая широта, град.
Северное полушарие (летнее полугодие)
Южное полушарие (зимнее полугодие)
Северное полушарие (зимнее полугодие)
Южное полушарие (летнее полугодие)
Северное полушарие (год)
Южное полушарие (год)
90
5434
0
0
5434
5434
5434
80
5432
75
159
5508
5591
5583
70
5542
443
608
5708
6150
6151
60
5962
1253
1480
6201
7442
7454
50
6419
2254
2538
6731
8957
8985
40
6754
3264
3634
7127
10388
10391
30
6930
4211
4634
7353
11564
11564
20
6922
5066
5522
7379
12444
12445
10
6729
5782
6260
7207
12989
12989
0
6344
6344
6834
6834
13178
13178
Среднее
6246,8
2869,2
3166,9
6548,2
9413,7
9417,4

 

 

Табл. 3. Суммарное количество радиации, поступающей на земную поверхность при отсутствии атмосферы, МДж/м2
(В.М. Федоров, 2015 а; http://www.solar-climate.com/sc/bd01.htm)

 

Географическая широта, град.
Северное полушарие (летнее полугодие)
Южное полушарие (зимнее полугодие)
Северное полушарие (зимнее полугодие)
Южное полушарие (летнее полугодие)
Северное полушарие (год)
Южное полушарие (год)
0 – 5
6693,49
6453,05
6453,05
6693,49
13146,54
13146,54
5 – 10
6887,57
6168,07
6168,08
6887,57
13055,64
13055,64
10 – 15
7033,92
5840,85
5840,85
7033,92
12874,77
12874,77
15 – 20
7131,66
5474,10
5474,10
7131,66
12605,76
12605,76
20 – 25
7180,42
5071,00
5071,00
7180,42
12251,43
12251,43
25 – 30
7180,41
4635,19
4635,19
7180,41
11815,60
11815,60
30 – 35
7132,44
4170,79
4170,79
7132,44
11303,23
11303,23
35 – 40
7038,05
3682,54
3682,54
7038,05
10720,60
10720,59
40 – 45
6899,72
3175,89
3175,89
6899,71
10075,60
10075,60
45 – 50
6721,12
2657,33
2657,33
6721,12
9378,45
9378,45
50 – 55
6507,86
2135,06
2135,06
6507,85
8642,92
8642,91
55 – 60
6268,91
1620,40
1620,40
6268,90
7889,31
7889,30
60 – 65
6020,85
1132,03
1132,03
6020,84
7152,88
7152,87
65 – 70
5808,16
716,33
716,32
5808,14
6524,49
6524,47
70 – 75
5677,58
421,46
421,46
5677,56
6099,05
6099,03
75 – 80
5595,50
215,07
215,07
5595,47
5810,57
5810,54
80 – 85
5545,63
81,82
81,82
5545,61
5627,45
5627,43
85 – 90
5521,89
16,27
16,27
5521,87
5538,16
5538,14
Среднее
6491,40
2981,51
2981,51
6491,39
9472,91
9472,90

 

 

Из представленных (табл. 1 –3) результатов следует, что в целом рассчитанные разными авторами средние для полугодий и года величины приходящей солнечной радиации характеризуются сходными значениями. Среднее значение приходящей к Земле за сутки солнечной радиации по данным, приведенным у Миланковича, оказалось равным 26,455 МДж/м2, по данным Монина – 25,801 МДж/м2, по нашим данным – 25,953 МДж/м2 (http://www.solar-climate.com/sc/bd01.htm). Близкими оказываются и отношения средних суммарных величин поступающей солнечной радиации в зимнее и летнее полугодие. По результатам расчетов М. Миланковича, это отношение составило 0,466 (т.к. в этом случае принимается энергетическая эквивалентность полушарий, то значение относится к каждому из них). Результаты А.С. Монина и автора приведены в табл. 4.

 

Табл. 4. Средние значения солнечной радиации (МДж/м2), приходящей в северное и южное полушарие (в соответствующие зимнее и летнее полугодия) и их отношение.

 

Полугодие
(для полушария)
По данным А.С. Монина, 1982
Южное полушарие
Северное полушарие
Южное полушарие
Северное полушарие
Зимнее
2869,2
3166,9
2981,513
2981,514
Летнее
6548,2
6246,8
6491,391
6491,399
Зимнее/летнее
0,438
0,507
0,459
0,459

 

Таким образом, отмечается достаточно хорошая согласованность между рассчитанными М. Миланковичем, А.С. Мониным и нами средними значениями приходящей солнечной радиации. Расчеты, выполненные А.С. Мониным, охватывают более длительный период (миллион лет в прошлое и в будущее), чем у нас (5999 лет), вероятно, поэтому данные в табл. 4 несколько различаются. Кроме того, шаг при интегрировании в расчетах, выполненных А.С. Мониным, составлял 5 000 лет, в нашем случае – приблизительно 1 сутки.

Полученные нами значения радиации для различных широтных зон и астрономических сезонов также хорошо согласуются с данными, приводимыми в работах по климатологии (Дроздов и др., 1989; Хромов, Петросянц, 2006). Известно, что годовой приход солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы Земли (на диск Земли) составляет 5,49 • 1024 Дж. (Дроздов и др., 1989; Хромов, Петросянц, 2006; Абдусаматов, 2009). В анализируемом массиве эти значения составили 5,49 • 1024 Дж. Отмеченная согласованность средних значений приходящей радиации позволяет считать полученные в результате расчетов данные вполне корректными для последующего анализа пространственных и временных изменений солярного климата Земли в интервале от 3000 лет до н.э. до 2999 лет н.э.

 

Низкочастотные вариации солярного климата

Результаты показывают (http://www.solar-climate.com/sc/bd01.htm), что среднегодовое поступление солнечной энергии в последнее (на интервале от 3000 лет до н.э. до 2999 н.э.) столетие по отношению к первому столетию за этот период сократилось незначительно (на 5,78E+05 Дж/м2 или на 0,00536%). Эта медленная тенденция сокращения инсоляции (рис. 1) определяется вековыми изменениями эксцентриситета земной орбиты (Milankovitch, 1920; Миланкович, 1939).

При общем малом сокращении приходящей к земному эллипсоиду за тропический год солнечной энергии в районах ниже 45° широты каждого полушария проявляется тенденция к увеличению, а выше 45° – к сокращению инсоляции (рис. 2).

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

Сокращение приходящей в полярные области (85° – 90° географической широты) солнечной энергии за весь период составляет 1,53Е+08 Дж/м2 или 2,73% от начального значения. Увеличение в экваториальной области (в широтных зонах 0° – 5° с.ш. и 0° –5° ю.ш.) равно 3,23Е+07 Дж/м2, что составляет 0,25% от начального значения инсоляции. Изменение интенсивности приходящей радиации происходит сходным образом. Сокращение интенсивности приходящей солнечной радиации в полярных областях составляет около 5 Вт/м2, увеличение в экваториальной области 1 Вт/м2. Следовательно, одна из тенденций в изменении приходящей от Солнца энергии в современную эпоху – усиление широтной контрастности (увеличение широтного градиента) инсоляции (Федоров, 2015 а, б; Fedorov, 2015 a, b). Этот эффект проявляется как в общей приходящей на единицу площади земного эллипсоида солнечной радиации, так и в интенсивности ее поступления.

УВЕЛИЧИТЬ

Анализировались также рассчитанные значения инсоляции Земли в зимнее и летнее полугодие (рис. 3). Вековые изменения оценивались разностью значений приходящей солнечной энергии (Дж/м2) в последний (2999 г.н.э.) и первый (3000 г. до н.э.) год временного интервала для соответствующих широтных зон в соответствующие полугодия. В летнее для северного полушария полугодие (рис. 3) увеличение приходящей на земной эллипсоид солнечной энергии отмечается в зоне 5° – 10° с.ш. и области, расположенной южнее. Максимальное увеличение отмечается в широтной зоне 45° – 50° ю.ш., где оно составляет 5,41Е+07 Дж/м2 или 2,038% от среднегодового значения солнечной энергии, поступающей в эту зону за летнее для северного полушария полугодие. Среднее для 5-ти градусной широтной зоны увеличение в этой области составляет 3,14Е+07 Дж/м2. Сокращение инсоляции отмечается в это время в зоне 10° – 15° с.ш. и в области, расположенной севернее этой зоны. Максимальное сокращение отмечается в зоне 85° – 90° с.ш. – 1,56Е+08 Дж/м2, или 2,83% от среднегодового значения приходящей в эту зону солнечной энергии. Среднее для 5-ти градусной зоны сокращение составляет 7,55Е+07 Дж/м2. Среднегодовое сокращение инсоляции в последнем для интервала столетии по отношению к первому столетию за летнее для северного полушария полугодие составляет 2,98E+05 Дж/м2 (0,00554%). Сокращение приходящей в широтную зону 65° – 70° с.ш. (на верхнюю границу атмосферы) радиации за предшествующее 1000 лет для середины июля (точки с геоцентрической широтой 120°) на 4,8 Вт/м2 отмечается в работе бельгийских исследователей (Bertrand et al., 2002). Значение для широтной зоны в этом случае было получено осреднением рассчитанных для отдельных широт 65° и 70° значений инсоляции. В нашей работе анализируется инсоляция, поступающая на поверхность каждой широтной зоны.

В зимнее для северного полушария полугодие (рис. 3) отмечается сокращение приходящей на земной эллипсоид солнечной энергии в широтной области от 10° ю.ш. до 90° ю.ш. Максимального значения сокращение достигает в южной полярной области 1,56Е+08 Дж/м2, или 2,83% от среднегодового значения солнечной энергии, поступающей в эту широтную зону земного эллипсоида в зимнее полугодие. Среднее для 5-ти градусной широтной зоны сокращение инсоляции на этом интервале (3000 г. до н.э. – 2999 г.) составляет 7,55Е+07 Дж/м2. Положительные значения в это полугодие характерны для области 5° – 10° южной широты и для всех широтных зон, расположенных севернее этой зоны. Максимальное значение инсоляции отмечается в широтной зоне 45° – 50° с.ш. – 5,42Е+07 Дж/м2, или 2,04% от среднегодового значения энергии, поступающей в эту зону в зимнее (для северного полушария) полугодие. Среднее для 5-ти градусной зоны увеличение инсоляции характеризуется значением 3,14Е+07 Дж/м2. Среднегодовое сокращение инсоляции в последнем для интервала (с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э.) столетии по отношению к первому за летнее для северного полушария полугодие составляет 2,80E+05 Дж/м2 (0,00519%). Таким образом, в зимние для полушарий полугодия отмечается увеличение приходящей от Солнца энергии, а в летние полугодия – сокращение. Сезонные различия в приходящей на земной эллипсоид солнечной энергии, следовательно, сглаживаются (Федоров. 2015 а, б; Fedorov, 2015 а, b).

Отмеченные низкочастотные изменения – тенденции (усиление широтной контрастности и сглаживание сезонных различий) в инсоляции Земли связаны с вековой тенденцией уменьшения наклона оси вращения Земли (относительно перпендикуляра к плоскости эклиптики) в результате прецессии. Известно, что при увеличении угла наклона оси вращения увеличивается приход солнечной радиации в полярные районы, т.е. происходит сглаживание широтной контрастности в полушариях и усиление сезонных различий. При уменьшении угла наклона происходит увеличение радиации, поступающей в приэкваториальные районы, уменьшение радиации, поступающей в полярные районы, и широтные контрасты возрастают, а сезонные различия сглаживаются (Milankovitch, 1920; Миланкович, 1939; Монин, Шишков, 2000).

Анализ изменения инсоляции в годовом ходе показывает, что вековая тенденция в инсоляции характеризуется максимальным сокращением в периоды года, близкие к солнцестояниям, и минимальным сокращением в периоды, близкие к равноденствиям (рис. 4).

Напомним, что геоцентрическая долгота Солнца это угол между направлением из центра Земли на точку весеннего равноденствия и Солнце. Точки весеннего и осеннего равноденствия – точки пересечения плоскости земной орбиты (эклиптики) с плоскостью небесного экватора (Бакулин и др. 1983).

Годовое поступление солнечной радиации, наоборот, имеет максимальные значения вблизи периодов солнцестояния, а минимальные приходятся на периоды равноденствия (рис. 5).

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

Сокращение инсоляции в годовом ходе за 5999 лет составляет от 0,1% в 1-й, 6-й. 7-й и 12-й астрономические месяцы, до 0,54% в 3-й, 4-й, 9-й и 10-й астрономические месяцы (рис. 6)

Таким образом, годовой приход солнечной радиации (рис. 5) имеет обратную направленность по отношению к годовому ходу векового сокращения солнечной радиации (рис. 4, 6). Иными словами, на исследуемом интервале вековая изменчивость приходящей радиации (3000 г. до н.э. – 2999 г. н.э.) и приходящей за год солнечной радиации находятся в противофазе.

УВЕЛИЧИТЬ

Отмеченное противофазное распределение проявляется, во-первых, в том, что в летних полушариях приходящая радиация сокращается, а в зимних – увеличивается. В годовом же поступлении максимальные значения приходятся на летние полушария, а минимальные – на зимние. Во-вторых, максимальные сокращения в вековой изменчивости приходятся на равноденствия, а минимальные – на солнцестояния. В годовом приходе радиации, наоборот, для равноденствий отмечается максимальное поступление радиации, а для солнцестояний – минимальное. Это свидетельствует о сглаживании различий между полугодиями в обеспеченности солнечной радиацией. Этот вывод подтверждается сравнением рис. 7 и рис. 8. Числовые значения изменения инсоляции за период с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. приведены в табл. 5 и 6.

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

На основе анализа полученных результатов расчета инсоляции (http://www.solar-climate.com/sc/bd01.htm) выделяются следующие особенности в вековой тенденции изменения приходящей солнечной радиации (рис. 8, табл. 5).

1). В зимние для полушарий полугодия поступление солнечной радиации увеличивается, а в летние – сокращается (сезонные различия сглаживаются). Анализ изменения приходящей радиации на рассматриваемом интервале к Земле по полушариям и полугодиям показывает, что в летние для полушарий полугодия сокращение (по средним значения первого и последнего столетия в массиве) по полушариям составляет 3,89Е+07 Дж/м2 (0,57%), а в зимнее – увеличение (по средним значения первого и последнего столетия в массиве) составляет 3,83Е+07 Дж/м2 (0,96%).

2). В зимние для полушарий полугодия наиболее существенное увеличение отмечается в 3-й месяц (точнее 1/3 астрономического сезона) осеннего сезона и 1-й месяц зимнего сезона в каждом полушарии. Максимальное увеличение приходящей радиации отмечается в широтном диапазоне, расположенном между 35° и 50° широты в обоих полушариях.

3). В летнее для полушарий полугодие наиболее существенное сокращение характерно для 2-го и 3-го астрономических месяцев (точнее 1/3 астрономического сезона) весеннего сезона и 1-го и 2-го месяцы летнего сезона в каждом полушарии. Сокращение в отмеченные сезоны последовательно увеличивается с увеличением широты.

4). Выделяются «мертвые» зоны – полярные области, не получающие на протяжении всего интервала (5999 лет) солнечной радиации в отдельные сезоны года. В течение 2-го и 3-го месяцев осени и двух первых зимних месяцев (двух первых третей сезона) широтные зоны от 80° до 90° широты в каждом полушарии солнечной радиации не получают вовсе. В последнюю треть осени и первую треть зимы приход солнечной радиации также равен нулю в зонах от 70° до 80° широты в каждом полушарии.

5). Выделяется приэкваториальная зона от 5° ю.ш. до 5° с.ш., для которой на всем исследуемом интервале характерно увеличение приходящей радиации в течение всего года. Эта область расширяется до 10° широты во 2-й и 3-й месяцы весны и первые две трети лета каждого полушария, и до широты 15° в последнюю треть весеннего сезона и первую треть летнего сезона в каждом полушарии (Федоров, 2015 а).

 

Высокочастотные вариации солярного климата

Причиной высокочастотных вариаций инсоляции являются периодические возмущения элементов Земной орбиты Луной и планетами Солнечной системы. Эти возмущения не учитывались в расчетах, основанных на вековых изменениях эксцентриситета, долготы перигелия и наклона оси вращения Земли (Миланкович, 1949; Шараф, Будникова, 1969; Vernekar, 1972; Berger, 1978 а, б; Монин, 1980).

На фоне вековой тенденции сокращения приходящей от Солнца энергии отмечаются осложняющие ее 19-ти летние вариации (рис. 9). Эта периодичность в инсоляции Земли (18,6 лет) отмечается и нашими предшественниками, выполнявшими расчеты в диапазоне высокочастотных вариаций инсоляции (Borisenkov et al., 1983, 1985; Loutre et al., 1992; Bertrand et al., 2002; Смульский, Кротов, 2013). Отметим, что высокочастотные вариации инсоляции Земли рассматриваются нами в работе в значениях, кратных периоду обращения Земли вокруг Солнца – т.е. кратных одному году (Федоров, 2014; Fedorov, 2014).

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

При определении пространственной структуры 19-ти летней вариации для упрощения анализировались разности поступающей от Солнца энергии в 10-й и 1-й год десятилетий для соответствующих широтных зон. В действительности же фазы 19-ти летнего цикла характеризуются продолжительностью 8 и 11 лет (Федоров, 2012, 1013; Fedorov, 2012, 2013). Анализ показывает закономерные изменения в пространственной структуре инсоляции Земли в различных фазах 19-ти летнего цикла. Для одной фазы цикла характерно сокращение поступающей лучистой энергии в полярные районы и увеличение ее в экваториальной области. В другую половину цикла отмечается обратная картина – сокращение приходящей энергии в экваториальной области и ее увеличение в полярных районах (рис. 10).

При этом одна фаза 19-ти летнего цикла усиливает отмеченную для вековой изменчивости тенденцию увеличения широтной контрастности в инсоляции, другая фаза ослабляет ее. Это относится и к вариациям инсоляции, связанным с изменением активности Солнца. Фаза высокой активности 11-ти летнего цикла усиливает тенденцию увеличения широтной контрастности, фаза низкой активности ослабляет ее. Это определяется тем, что распределение солнечной радиации в фазах цикла происходит по закону косинуса, т.е. она убывает от экватора к полюсам.

Смена знака в 19-ти летней изменчивости связана с широтным диапазоном от 35° до 65° в каждом полушарии. При этом в различные фазы цикла протяженность широтных зон сокращения и увеличения приходящей лучистой энергии в полушариях может существенно отличаться. Анализ массива рассчитанных величин показывает, что знаки изменения солнечной энергии, приходящей в полярные районы и экваториальную область, как правило, противоположные. Однако, имеются случаи, для которых, например, сокращение инсоляции отмечается для всех широтных зон Земли (фазы 1880 – 1889 гг. и 1910 – 1919 гг.). На период с 2000 по 2009 гг. приходится фаза 19-ти летнего цикла, для которой характерно увеличение приходящей солнечной энергии в полярных районах и сокращение в обширной области, охватывающей широтный диапазон от 70° ю.ш. до 65° с. ш. (рис. 10). С текущим десятилетием связана фаза, в течение которой происходит сокращение инсоляции в полярных областях и увеличение в экваториальной области. При этом полярная область, для которой в этой фазе отмечается сокращение инсоляции, в северном полушарии более обширная, чем в южном. Максимум увеличения инсоляции также смещен от экватора в южное полушарие. Таким образом, в текущей фазе цикла отмечается пространственная асимметрия в поступающей к Земле лучистой энергии. Средняя амплитуда 19-ти летней изменчивости в южной полярной области (85° – 90° ю.ш.) составляет 0,00374% (2,06936Е+05 Дж/м2), в северной полярной области (85° – 90° с.ш.) – 0,00369% (2,04554Е+05 Дж/м2) от средней величины энергии, приходящей за год в соответствующие широтные зоны земного эллипсоида. Размах колебания интенсивности приходящей солнечной радиации в полярных зонах составляет около 0,03 Вт/м2.

Таким образом, по результатам расчетов определяется широтный эффект 19-ти летней вариации в инсоляции Земли. Эффект проявляется в последовательной смене знака приходящей к Земле лучистой энергии от одной фазы цикла к другой в полярных районах и экваториальной области (рис. 10). Этот эффект связан с нутационным изменением наклона оси вращения с периодом около 19-ти лет, а его физическая природа аналогична отмеченному для вековой изменчивости эффекту, связанному с прецессией. При уменьшении угла наклона оси вращения (относительно перпендикуляра к плоскости эклиптики) в экваториальной области отмечается увеличение приходящей радиации, а в полярных районах – сокращение.При увеличении угла наклона наблюдается обратная картина.

С меньшими значениями средней амплитуды в приходящей от Солнца энергии проявляется межгодовая изменчивость (рис. 11).

УВЕЛИЧИТЬ

При этом в полярных районах знак межгодовой изменчивости определяется фазой 19-ти летнего цикла, то есть межгодовая изменчивость в полярных областях имеет один и тот же знак (положительный или отрицательный) в течение 8-ми или 11-ти летней фазы 19-ти летнего цикла. В областях, расположенных между полярными кругами, знак меняется от года к году (как правило, во всей широтной области между полярными кругами) с периодичностью 2 или 3 года (образующими 8-ми и 11-ти летние сочетания). Средняя амплитуда межгодовой изменчивости составляет 0,0012% от величины приходящей к Земле в среднем за тропический год лучистой энергии. В полярных районах ее значение увеличивается до 0,0021%. Средняя амплитуда 2-х и 3-х летней изменчивости составляет 0,0015% от величины приходящей за год к Земле солнечной энергии. Эта периодичность, вероятно, связана с соизмеримостью в средних движениях Земли с ближайшими планетами Марсом и Венерой (Федоров, 2013; Fedorov, 2013). Она несколько увеличивается (до 0,0016%) в экваториальной области (5° с.ш. – 5° ю.ш.). Таким образом, межгодовая изменчивость инсоляции, связанная с возмущенным орбитальным движением Земли, проявляется во всех широтных зонах.

Вариации с периодом около 19 лет в межгодовой изменчивости более характерны для полярных областей (здесь знак изменчивости определяется фазой 19-ти летнего цикла). В широтной области, расположенной между северным и южным полярными кругами, 2-х и 3-х летняя периодичность образует 8-ми (2+3+3) и 11-ти (2+3+3+3) летние сочетания, синхронизированные с 8-ми и 11-ти летними фазами 19-ти летнего цикла. Средние значения амплитуды 8-ми и 11-ти летних вариаций, являющихся результатом синхронизации и наложения (суперпозиции) 19-летней, 2-х и 3-х летней периодичностей, составляют 0,0018% от приходящей в среднем за тропический год лучистой энергии. Средняя амплитуда 8-ми и 11-ти летней периодичности в экваториальной области (5° с.ш. – 5° ю.ш.) увеличивается до 0,0020%. Количественным соотношением 2-х и 3-х летних циклов во временном ряду объясняется преобладающий пик в диапазоне 2,7 лет, выделяемый при спектральном анализе (Fedorov, 2012, 2013). Этот пик также отмечается всеми нашими предшественниками (Borisenkov et al., 1983, 1985; Loutre et al., 1992; Bertrand et al., 2002; Смульский, Кротов, 2013). Отмечаемые этими авторами периодичности, близкие по продолжительности к 8-ми и 11-ти летним, по нашим представлениям, соответствуют разным фазам 19-ти летнего цикла. Отмечаемая ими 4-х летняя периодичность, вероятно, связана с использованием авторами календарной системы при отсчете времени в расчетах (Федоров, 2001 а, б, 2002 а, б).

Также нами исследовались особенности межгодовой изменчивости приходящей к Земле (без учета атмосферы) солнечной энергии за летнее и зимнее полугодие в интервале с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. (рис. 12, 13).

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

В летнее (для северного полушария) полугодие средняя амплитуда межгодовой изменчивости инсоляции в южном полушарии составляет 0,0031%, (по отношению к среднему значению приходящей за полугодие к Земле лучистой энергии), в северном полушарии 0,0018%. В 2-х и 3-х летних циклах средняя амплитуда межгодовой изменчивости возрастает до 0,0040% в южном полушарии и до 0,0020% – в северном. В 8-ми, 11-ти и 19-ти летних циклах средняя амплитуда межгодовой изменчивости достигает максимальных величин – 0,0049% в южном полушарии и 0,0024% – в северном полушарии. В южной полярной области (85° – 90° ю.ш.) средняя величина межгодовой изменчивости составляет 0,0434% от средней за полугодие величины приходящей от Солнца энергии в эту зону (рис. 2.13). В 2-х и 3-х летних колебаниях средняя амплитуда межгодовой изменчивости инсоляции в южной полярной области характеризуется значением 0,0538%, в 8-ми и 11-ти летних – 0,0678% от соответствующих средних за полугодие величин приходящей лучистой энергии. В северной полярной области (85° – 90° с.ш.) в летнее полугодие среднее значение межгодовой изменчивости составляет 0,0021%. Здесь в межгодовой изменчивости проявляется только 19-ти летний цикл, средняя амплитуда которого составляет 0,0037% от среднего за полугодие значения приходящей от Солнца энергии в эту зону.

Пример пространственной и временной межгодовой изменчивости инсоляции Земли приведен на рис. 14, числовые значения в табл. 7.

УВЕЛИЧИТЬ

В зимнее (для северного полушария) полугодие относительные значения межгодовой изменчивости инсоляции Земли в экваториальной области существенно меньше, чем в летнее полугодие. Это может объясняться положением Земли в это время вблизи перигелия орбиты (и, соответственно, уменьшением возмущающего действия Луны и планет). В южном полушарии среднее значение межгодовой изменчивости составляет 0,0006% (в 19-ти летнем цикле – 0,0017%) от средней за полугодие приходящей в полушарие лучистой энергии. В северном полушарии средняя амплитуда межгодовой изменчивости несколько больше – 0,0012%. Межгодовая изменчивость в южной полярной области в это время характеризуется средней амплитудой, составляющей 0,0021% (в 19-ти летнем цикле – 0,00376) от приходящей за полугодие в эту область солнечной энергии. Средняя величина межгодовой изменчивости в северной полярной области (85° - 90° с.ш.) составляет 0,0429%, в 2-х и 3-х летних циклах – 0,0536%, в 8-ми и 11-ти летних циклах – 0,0678% от соответствующих средних значений приходящей от Солнца энергии. Максимальные относительные значения средней амплитуды межгодовой изменчивости отмечаются в полярных областях в зимние для них полугодия, что связано с минимальными значениями самой инсоляции.

Таким образом, определены малые и регулярные вариации инсоляции, связанные с периодическими возмущениями орбитального движения Земли. Отмеченные вариации могут усиливаться резонансным откликом климатической системы Земли на кратные году (собственному периоду климатической системы) возмущения. Кроме того, возможен эффект стохастического резонанса – отклика бистабильной или метастабильной нелинейной системы на слабый периодический сигнал при шумовом воздействии определенной мощности (Berger, 1981; Nicolis, 1981, 1982, 1993; Nicolis, Prigogine, 1989; Baker, Gollub, 1990; Анищенко и др., 1999, 2006; Anishchenko et al., 2002). Отмеченные колебания инсоляции можно считать слабыми периодическими сигналами для климатической системы Земли при шумовом воздействии.

УВЕЛИЧИТЬ

 

Подведем некоторые итоги:

 

1. Для годовой инсоляции Земли характерна медленная тенденция к сокращению.

2. Отмечается увеличение инсоляции в экваториальной области Земли и сокращение в полярных районах, то есть для современной эпохи характерно усиление широтного градиента в распределении приходящей к Земле лучистой энергии.

3. Отмечается сокращение инсоляции в летние для полушарий полугодия и увеличение – в зимние полугодия, то есть проявляется тенденция сглаживания сезонных различий в приходящей к Земле солнечной энергии.

4. На фоне отмеченных вековых тенденций (низкочастотных колебаний) изменения инсоляции отмечаются малые высокочастотные вариации, связанные с периодическими возмущениями орбитального движения Земли и наклона оси ее вращения. Выделяются межгодовые, 2-х, 3-х летние, 8-ми, 11-ти и 19-ти летние вариации в приходящей лучистой энергии. Определены амплитудно-периодические характеристики этих высокочастотных вариаций и особенности их пространственной изменчивости.

5. Отмечается синхронизация межгодовой изменчивости приходящей от Солнца энергии с 2-х и 3-х летней периодичностью и 8-ми и 11-ти летними фазами 19-ти летнего цикла. Так, 2-х и 3-х летние циклы образуют 8-ми (2+3+3) и 11-ти (2+3+3+3) летние серии, соответствующие фазам 19-ти летнего цикла.

 

 

Литература

Белецкий В.В. Очерки о движении космических тел. – М.: Наука, 1972. – 360 с.
Владимирова Д.О., Екайкин А.А. Климатическая изменчивость в секторе моря Дейвиса (Восточная Антарктида) за последние 250 лет по данным геохимических исследований ледяного керна из скважины 105-й км. // Проблемы Арктики и Антарктики. - № 1 (99). – 2014. – с. 102 – 113.
Гребеников Е.А., Рябов Ю.А. Резонансы и малые знаменатели в небесной механике. – М.: Наука, 1978. – 128 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.
Монин А.С., Шишков Ю.А. История климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 408 с.
Монин А.С. Введение в теорию климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 246 с.
Монин А.С., Шишков Ю.А. Климат как проблема физики // Успехи физ. Наук, 2000. – т. 170. – № 4. – с. 419 – 445.
Федоров В.М. Теоретический расчет межгодовой изменчивости солнечной постоянной // Астрономический вестник, 2012. – т. 46. – № 2. – с. 184 – 189.
Федоров В.М. Межгодовые вариации продолжительности тропического года // Доклады РАН, 2013. – т. 451. – № 1. – с. 95 – 97.
Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. – М.: МГУ, 2006. – 582 с.
Borisenkov; Е. Р., Tsvetkov A.V., Agaponov S.V. On some characteristics of insolation changes in the past and the future // Climatic Change, 1983. – № 5. – pp. 237-244.
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. – pp. 933 – 940.
Fedorov V.M. Interannual Variability of the Solar Constant // Solar System Research, 2012. – v. 46. – №. 2. – pp. 170 – 176.
Fedorov V.M. Interannual Variations in the Duration of the Tropical Year // Doklady Earth Sciences, 2013. – v. 451. – Part 1. – pp.750–753.
Fedorov V.M. Periodic Perturbations and Small Variations of the Solar Climate of the Earth // Doclady Earth Sciences, 2014. – Vol. 457. – Part 1. – pp. 868 – 871.
 

 

SOLAR RADIATION AND CLIMATE
OF THE EARTH

 
© www.solar-climate.com
 
     

**
1