Космические исследования, 2019, T. 57, № 3, стр. 177-184

Пространственная и временная изменчивость приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации

В. М. Федоров 1, Д. М. Фролов 1*

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

* E-mail: denisfrolovm@mail.ru

Поступила в редакцию 20.11.2017
После доработки 16.08.2018
Принята к публикации 20.09.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

На основе рассчитанной ранее инсоляции Земли определены вариации в приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации, связанные в основном с изменением угла наклона оси вращения Земли в результате прецессии и нутации. Рассчитаны полугодовые и полушарные амплитуды вариаций приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации. Полученные результаты могут использоваться при точных расчетах радиационного баланса Земли, ее поверхности и атмосферы.

DOI: 10.1134/S002342061903004X

ВВЕДЕНИЕ

Солнечная радиация является основным источником энергии, определяющим радиационный, тепловой баланс Земли. Годовой приход солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы Земли (ВГА) в среднем в интервале от 1900 до 2100 гг. составляет 5.49 ⋅ 1024 Дж [3, 8] или 1.0777 ⋅ 1010 Дж/м2. Этот приход во времени не является постоянным, он изменяется как во времени, так и в пространстве. Вариации приходящей к Земле лучистой энергии в основном определяются двумя причинами, имеющими различную физическую природу. Одной из причин является изменение активности в излучении Солнца. Другой причиной, определяющей изменение приходящей к Земле энергии, являются небесно-механические процессы, вызывающие изменения элементов земной орбиты [46] и наклона оси вращения. В работе рассматриваются пространственные и временные вариации, связанные с небесно-механическими процессами. Изменение активности Солнца не учитывается.

ВГА представляет собой условную поверхность, которая является началом отсчета энергетического (радиационного и теплового) баланса Земли, ее поверхности и атмосферы [2, 16, 17, 2527]. При расчетах баланса принимаются различные (от 340 до 342 Вт/м2), но всегда стационарные значения энергетической характеристики ВГА (обычно интенсивности солнечной радиации) [23, 24, 27].

Выполненные нами расчеты показывают, что приходящая на ВГА солнечная радиация испытывает изменения как во времени, так и в пространстве [7, 914]. При этом, выделяются многолетние тенденции и малые периодические вариации. Целью работы является оценка изменений начальных условий расчета радиационного баланса в связи с вариациями приходящей на ВГА солнечной радиации, определяемыми возмущениями орбитального движения Земли и наклона оси ее вращения. В качестве характеристики начальных условий расчета энергетического баланса нами использовалось значение приходящей на ВГА за тропический год солнечной радиации (Дж/м2), а не ее интенсивность (Вт/м2). Анализ и оценка вариаций приходящей на ВГА солнечной радиации проводится на интервале с 1900 по 2100 гг.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА

Расчеты приходящей солнечной радиации выполнялись нами по данным высокоточных астрономических эфемерид [15, 18] 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)
$\begin{gathered} {{I}_{{nm}}}({{\varphi }_{1}},{{\varphi }_{2}}) = \\ = \int\limits_{{{t}_{1}}}^{{{t}_{2}}} {\left( {\int\limits_{{{\varphi }_{1}}}^{{{\varphi }_{2}}} {\sigma (H,\varphi )\left( {\int\limits_{ - \pi }^\pi {\Lambda (H,t,\varphi ,\alpha )d\alpha } } \right)} d\varphi } \right)dt} , \\ \end{gathered} $
где $I$ – приходящая солнечная радиация за элементарный n-й фрагмент m-го тропического года (Дж); σ – площадной множитель (м2), с помощью которого вычисляется площадной дифференциал σ(H, φ)dαdφ – площадь бесконечно малой трапеции – ячейки эллипсоида; α – часовой угол, φ – географическая широта, выраженные в радианах; $H$ – высота поверхности эллипсоида относительно поверхности Земли (м); $\Lambda \left( {H,\varphi ,t,\alpha } \right)$ – инсоляция в заданный момент в заданном месте эллипсоида (Вт/м2), $t$ – время (с). Шаги при интегрировании составляли: по долготе 1°, по широте 1°, по времени 1/360 часть продолжительности тропического года [10]. Значение солнечной постоянной (среднее многолетнее значение TSI) принималось равным 1361 Вт/м2 [21]. По результатам расчетов для периода от 3000 г. до н. э. до 2999 г. н.э. была сформирована база данных приходящей на ВГА солнечной радиации в широтные зоны Земли (протяженностью в 5°) с шагом по времени в 1/12 часть тропического года [19]. Изменение активности Солнца при расчетах не учитывалось.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Нами рассчитывались годовые значения с учетом изменения параметров орбитального движения Земли (расстояние Земля–Солнце, продолжительность тропического года, наклон оси вращения). Распределение суммарной солнечной радиации приходящей на ВГА в 2017 тропическом году представлено на рис. 1.

Рис. 1.

Распределение приходящей солнечной радиации на ВГА в 2017 тропическом году (начало 2017-го тропического года приходится на 21.III 2017-го календарного года).

В действительности эта поверхность находится в постоянном изменении, отражающем вариации приходящей на ВГА солнечной радиации определяемые возмущениями орбитального движения Земли и, связанные с этими возмущениями, условия ее инсоляции. Эти вариации и анализируются в данной работе.

Подробно анализировались пространственные и временные изменения, приходящей на ВГА солнечной радиации в диапазоне с 1900 по 2100 гг. Выполненные расчеты показывают, что приходящая на ВГА Земли за тропический год солнечная радиация характеризуется весьма слабой тенденцией к сокращению (рис. 2).

Рис. 2.

Изменение приходящей на ВГА за тропический год солнечной радиации в интервале с 1900 по 2100 гг. (Дж/м2).

При этом в многолетней изменчивости приходящей на ВГА солнечной радиации отмечаются весьма заметные межгодовые вариации и колебания с периодом 2, 3, 8, 11 и 19 лет [7, 911].

Для детального анализа изменений приходящей на ВГА солнечной радиации были составлены матрицы значений приходящей солнечной радиации в различные широтные зоны (протяженностью в 5°) за астрономические месяцы (1/12 продолжительности тропического года) для 1900 г. и 2100 г. Напомним, что тропическим годом называется промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра истинного Солнца через точку весеннего равноденствия [1]. Затем вычитанием значений приходящей на ВГА солнечной радиации рассчитанных для 1900 г. из соответствующих значений, рассчитанных для 2100 г. была получена матрица изменения приходящей на ВГА солнечной радиации за период с 1900 по 2100 гг. (рис. 3).

Рис. 3.

Пространственные и временные изменения приходящей на ВГА за астрономический месяц солнечной радиации за период с 1900 по 2100 гг. (Дж/м2).

В полученном для этого периода характере изменений можно выделить следующие особенности.

1) Солнечная радиация не поступает в широтные зоны 80°–90° ю.ш. в течение со 2-го по 5‑й астрономические месяцы тропического года. В широтной зоне 70°–80° ю.ш. приходящая солнечная радиация имеет нулевые значения в течение 3-го и 4-го астрономических месяцев тропического года. В широтные зоны 80°–90° с.ш. солнечная радиация не поступает в период с 8-го по 11-й астрономические месяцы, а в широтные зоны 70°–80° с.ш. в 9-й и 10-й месяцы. Мы называем эти области “мертвые зоны”. Изменения начальных условий расчета в этих областях в отмеченные периоды в диапазоне с 1900 по 2100 гг. не происходит.

2) В широтной области 0°–5° ю.ш. в течение всех месяцев года для периода с 1900 по 2100 гг. отмечается увеличение приходящей солнечной радиации.

3) Сокращение приходящей на ВГА солнечной радиации характерно для летних полугодий, а увеличение для зимних. При этом сокращение приходящей на ВГА солнечной радиации в обоих полушариях последовательно увеличивается от экваториальной области к полюсам. Увеличение приходящей солнечной радиации в зимние полугодия имеет более сложный характер. В северном полушарии максимальное увеличение отмечается в 9-й и 10-й астрономические месяцы в широтной области от 30° до 45° с.ш. Абсолютный максимум увеличения приходящей солнечной радиации в северном полушарии (составляет 4.3603 ⋅ 105 Дж/м2) отмечается в широтной зоне 40°–45° с.ш. в 10-й астрономический месяц. В южном полушарии максимальное увеличение отмечается в 3‑й и 4-й месяцы в более широкой области от 25° до 55° ю.ш. (рис. 3). Абсолютный максимум увеличения приходящей радиации отмечается в широтной зоне 40°–45° ю.ш. в 3-й астрономический месяц (4.5130 ⋅ 105 Дж/м2).

Таким образом, в полярных районах приходящая радиация сокращается. В целом, для интервала с 1900 по 2100 гг. отмечается увеличение широтной контрастности в приходящей на ВГА солнечной радиации и сглаживание сезонных различий. Эта тенденция определяется уменьшением угла наклона земной оси в результате прецессии [4, 7, 13]. Также отмечаются большие величины сокращения приходящей на ВГА солнечной радиации в летние полугодия, чем увеличения в зимние полугодия (рис. 4).

Рис. 4.

Суммарное изменение приходящей на ВГА солнечной радиации в северном (1) и южном (2) полушариях на интервале с 1900 по 2100 гг.

Суммарное за период с 1900 по 2100 гг. сокращение приходящей на ВГА в северное полушарие за летнее полугодие радиации характеризуется величиной –3.6551 ⋅ 107 Дж/м2. Это составляет 0.541% от среднего за период от 1900 до 2100 гг. значения приходящей в летнее полугодие в северное полушарие солнечной радиации. В зимнее полугодие поступление на ВГА в северное полушарие солнечной радиации увеличилось на 1.9878 ⋅ 107 Дж/м2 (0.495%). Поступление в зимнее полугодие в южное полушарие солнечной радиации увеличилось на 2.1565 ⋅ 107 Дж/м2 (0.554%), а в летнее полугодие сократилось на –3.7401 ⋅ 107 Дж/м2 (0.546%). Таким образом, отмечаются вековые пространственные и временные вариации приходящей на ВГА солнечной радиации, которые приводят к изменениям начальных условий расчета энергетического баланса. Следует отметить, что рассчитанные для периода с 1900 по 2100 гг. изменения в полугодовой и полушарной инсоляции превышают известные вариации TSI (интенсивности приходящей солнечной радиации) в 11-ти летнем цикле солнечной активности (0.07%) [20].

На фоне отмеченной особенности в вековой изменчивости приходящей солнечной радиации (рис. 1) наиболее отчетливо проявляются осложняющие ее 19-ти летние вариации. При определении пространственной структуры 19-ти летней вариации с годовым разрешением для упрощения расчетов исследовались разности в поступающей радиации 10-го и 1-го годов десятилетий в интервале с 1900 по 2100 гг. Реальные фазы 19-ти летнего цикла, как показали ранее проведенные нами исследования, характеризуются продолжительностью 8 и 11 лет [7, 10, 11, 13]. Эти фазы образованы закономерными сочетаниями 2-х и 3-х летних циклов (2 + 3 + 3) и (2 + 3 + 3 + 3), которые связаны с соизмеримостью в средних движениях Земли с Марсом (2/1) и Венерой (3/5). Таким образом, через каждые 2 года взаимные положения Земли с Марсом и через 3 года Земли с Венерой относительно Солнца повторяются. Чередующиеся в рассчитанных рядах инсоляции 11-ти летние и 8-ми летние циклы в сумме составляют 19-ти летний цикл, влияющий на траекторию, скорость орбитального движения Земли и наклон оси ее вращения. Следовательно, отмечается синхронизация вариаций, определяемых возмущением ближайших планет (Венерой и Марсом) с 19-ти летним нутационным циклом, связанным со спутником Земли. С этими повторениями связаны периодические резонансные возмущения орбитального движения Земли и, следовательно, вариации солнечной постоянной, продолжительности тропического года и поступающей к Земле за тропический год энергии.

Результаты показывают закономерные изменения в пространственной и временной структуре приходящей солнечной радиации в различных фазах 19-ти летнего цикла. Для одной фазы цикла характерно сокращение поступающей на ВГА солнечной радиации в летние для полушарий полугодия и увеличение в зимние полугодия (рис. 5).

Рис. 5.

Пространственная и временная изменчивость приходящей на ВГА солнечной радиации в фазе 19-ти летнего цикла 2021–2012 гг.

В другую фазу цикла отмечается противоположная ситуация – сокращение приходящей солнечной радиации в зимние полугодия и увеличение в летние (рис. 6).

Рис. 6.

Пространственная и временная изменчивость приходящей на ВГА солнечной радиации в фазе 19-ти летнего цикла 2030–2021 гг.

Таким образом, одна фаза 19-ти летнего цикла усиливает отмеченную для вековой изменчивости тенденцию, другая фаза ослабляет ее. Однако, области сокращения и увеличения на интервале с 1900 по 2100 гг. существенно изменяются в пространстве (полушария) и во времени (полугодии) в фазах различных 19-ти летних циклов. Например, в фазе цикла 2021–2012 гг. сокращение характерно, главным образом, для зимнего в северном полушарии полугодия (рис. 5). Оно отмечается почти на всей территории полушария и суммарно составляет –1.6534 ⋅ 106 Дж/м2 (0.041%) для всего зимнего полугодия. В зимнее в южном полушарии полугодие сокращение приходящей радиации имеет локальный характер. Оно отмечается в узком пространственном и временном диапазоне – с 3-го по 5-й астрономические месяцы в областях от 40° до 70° ю.ш. В летнее полугодие для этой фазы в северном полушарии отмечается увеличение приходящей радиации (исключение составляет 1-й астрономический месяц в широтном диапазоне от 40° до 90° с.ш. где отмечается сокращение). Суммарное увеличение приходящей в северное полушарие за летнее полугодие солнечной радиации составляет 4.2448 Дж/м2 (0.063%). В летнее для южного полушария полугодие суммарное увеличение в эту фазу цикла приходящей радиации составляет 2.5143 Дж/м2 (0.037%).

Другая фаза 19-ти летнего цикла 2030–2021 гг. выражена более четко (рис. 6). В течение всего летнего полугодия в северном полушарии в эту фазу отмечается сокращение приходящей на ВГА солнечной радиации. Исключение составляет 1-й астрономический месяц (во всем широтном диапазоне в это время отмечается увеличение). Общее сокращение приходящей радиации в летнее полугодие в северном полушарии в эту фазу цикла составляет –5.2707 ⋅ 106 Дж/м2 (0.078%). В зимнее полугодие в северном полушарии отмечается увеличение (кроме “мертвых зон”). Общее увеличение составляет 2.9869 ⋅ 106 Дж/м2 (0.074%). В южном полушарии в зимнее для него полугодие отмечается увеличение приходящей на ВГА солнечной радиации (кроме области 30°–85° в 1-й астрономический месяц). Суммарное за полугодие увеличение приходящей радиации в эту фазу цикла составляет 1.7719 ⋅ 106 Дж/м2 (0.044%). Для летнего в южном полушарии полугодия характерно сокращение (кроме диапазона 0°–15° в период с 8-го по 12-й астрономический месяц). Суммарное сокращение приходящей в южное полушарие за летнее полугодие солнечной радиации в эту фазу цикла составляет 5.3149 ⋅ 106 Дж/м2 (0.079%).

Отмеченные вариации инсоляции на ВГА в фазах 19-ти летнего цикла приблизительно одного порядка с вариациями в 11-ти летнем цикле TSI [20]. С меньшими амплитудами в пространственной и временной изменчивости приходящей на ВГА солнечной радиации проявляется 2, 3, 8 и 11-ти летняя периодичность [7, 11].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе астрономических эфемерид рассчитаны характеристики, и определены особенности пространственных и временных изменений приходящей на ВГА солнечной радиации в интервале с 1900 по 2100 гг. Определено, что в изменении приходящей на ВГА солнечной радиации проявляется вековая тенденция и 19-ти летнее нутационное колебание. Вековая тенденция отражает увеличение приходящей солнечной радиации в зимние для полушарий полугодия и ее сокращение в летние для полушарий полугодия. При этом одна фаза 19-ти летнего нутационного цикла усиливает вековую тенденцию, а другая фаза цикла ее ослабляет.

Учет вариаций приходящей на ВГА солнечной радиации (т.е. изменений начальных условий) при расчете радиационного и теплового баланса Земли, ее поверхности и атмосферы может способствовать, как повышению точности расчетов, так и увеличению пространственно-временной детализации прогнозов и их глубины. Последнее связано с тем, что малые различия в начальных условиях, в случаях нелинейных зависимостей, могут приводить к нарастающему со временем расхождению в результатах расчетов. Полученные характеристики вариаций приходящей на ВГА солнечной радиации, могут способствовать уточнению расчетов и результатов анализа планетарного энергетического дисбаланса [16, 22]. Также представляется возможным использование рассчитанных значений приходящей на ВГА солнечной радиации [19] в физико-математических моделях климата.

Список литературы

  1. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. М.: Наука, 1983.

  2. Будыко М.И. Изменение климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

  3. Дроздов О.А., Васильев Н.В., Раевский А.Н. и др. Климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

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

  5. Монин А.С. Введение в теорию климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

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

  7. Федоров В.М. Инсоляция Земли и современные изменения климата. М.: Физматлит, 2017.

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

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

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

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

  12. Fedorov V.M. Periodic perturbations and small variations of the solar climate of the Earth // Doklady Earth Sciences. 2014. V. 457. Part 1. P. 869–872. doi https://doi.org/10.1134/S1028334X14070137

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

  14. 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 https://doi.org/10.1134/S0038094616030011

  15. Giorgini J.D., Yeomans D.K., Chamberlin A.B. et al. JPL’s On-Line Solar System Data Service // Bulletin of the American Astronomical Society. 1996. V. 28. № 3. P. 1158.

  16. Hansen J., Sato M., Kharecha P., von Schuckmann K. Earth’s energy imbalance and implications // Atmos. Chem. Phys. 2011. № 11. P. 13421–13449. doi https://doi.org/10.5194/acp-11-13421-2011

  17. http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page6.php.

  18. http://ssd.jpl.nasa.gov.

  19. http://www.solar-climate.com/sc/bd01.htm.

  20. http://www.pmodwrc.ch/.

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

  22. Loeb N.G., Lyman J.M., Johnson G.C. et al. Observed changes in top-of-the-atmosphere radiation and upper-ocean heating consistent within uncertainty // Nature Geoscience. 2012. № 5. P. 110–113. doi https://doi.org/10.1038/ngeo1375

  23. Raschke E., Ohmura A. Radiation budget of the climate system. Chapter 4 Hantel M. (ed.) // Climatology. V. V/6, in: Martienssen, W. (ed.): Landolt-Börnstein Numerical Data and Functional Relationships, Berlin and others: Springer Verlag, 2005.

  24. Stephens G.L., Li J., Wild M. et al. An update on Earth’s energy balance in light of the latest global observations // Nature Geoscience. 2012. V. 5. P. 691–696. doi https://doi.org/10.1038/NGE01580

  25. Trenberth K.E., Fasullo J.T. Changes in the flow of energy through the Earth’s climate system // Meteorologische Zeitschrift. 2009. V. 18. № 4. P. 369–377.

  26. Trenberth K.E., Fasullo J.T. Tracking Earth’s energy: from El Nino to global warning // Surv. Geophus. 2011. doi https://doi.org/10.1007/s10712-011-9150-2

  27. Trenberth K.E., Fasullo J.T., Kiehl J. Earth’s global energy budget // Bull. American Meteorological Society. 2009. P. 311–323. doi https://doi.org/10.1175/2008BAMS2634.1

Дополнительные материалы отсутствуют.