1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Космические исследования
  4. T. 60, № 2, 2022

Космические исследования, 2022, T. 60, № 2, стр. 116-124

Баланс транзитного облучения окружающего Землю пространства

В. М. Федоров 1, *, А. А. Костин 1, Д. М. Фролов 1

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Москва, Россия

* E-mail: fedorov.msu@mail.ru

Поступила в редакцию 17.01.2021
После доработки 29.06.2021
Принята к публикации 25.08.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассматривается облучение поверхностей высотных уровней от верхней тропосферы до нижней мезосферы. Выполнены ранее не проводившиеся расчеты характеристик транзитного облучения широтных зон поверхностей в тропических годах и их частях с 3000 г. до н.э. по 2999 год н. э. Энергетические характеристики (Дж) вычислены во всех годах, удельные энергетические характеристики (Дж/м2) – средние многолетние и в отдельных годах. Для каждой пары (широтная зона, часть тропического года) вычислены удельная входящая (через эту зону в тело, ограниченное поверхностью) транзитная энергия, удельная выходящая (из тела, ограниченного поверхностью) транзитная энергия и их разность (баланс). Для целой поверхности баланс за любой промежуток времени равен нулю (при отсутствии атмосферы), для полуповерхности и 5-градусной широтной зоны при наличии транзитного облучения баланс отличен от нуля. На поверхностях всех высотных уровней наиболее значительный разброс между балансами для 5-градусных зон отмечается среди полугодовых балансов в полярных районах. Для 5-градусных зон каждой полуповерхности от экватора к полюсу в летнем полугодии полугодовой баланс до 65-й параллели отрицателен, затем положителен, в зимнем полугодии наоборот. Полугодовой баланс для полуповерхности в летнем полугодии положителен, в зимнем отрицателен на всех высотных уровнях. В рассматриваемом диапазоне лет модуль полугодового баланса для полуповерхности уменьшается как по летним, так и по зимним полугодиям.

ВВЕДЕНИЕ

Под солярным климатом Земли понимаются теоретически рассчитываемые характеристики облучения земной поверхности и окружающего пространства без учета поглощения и рассеяния солнечных лучей в атмосфере, изменений солнечной активности, рельефа, приливных деформаций Земли. Выполненные М. Миланковичем и его последователями расчеты позволили определить основные тенденции в пространственном и временном изменении инсоляции на уровне поверхности Земли [3–6, 9–17, 22–24]. Расчеты солнечной энергии, приходящей на поверхности различных высотных уровней, ранее не выполнялись. Проводились только измерения мощности солнечной радиации в окружающем Землю пространстве (с использованием аэростатов. самолетов и космических аппаратов), выяснение потерь мощности в атмосфере и выявление вариаций солнечной постоянной, связанных с изменением активности Солнца [1, 2, 7, 18–20, 25].

Таким образом, полученные ранее представления о солярном климате Земли не являются полными, поскольку они не содержат информацию о солярном климате окружающего Землю пространства. Наиболее важна информация о солярном климате плотных слоев атмосферы – той части окружающего Землю пространства, с которым Земля материально и энергетически тесно связана. Для получения этой информации нами были рассчитаны характеристики облучения широтных зон поверхностей различных высотных уровней от верхней тропосферы до нижней мезосферы.

В расчетах различались падающее (лучи направлены к Земле) и транзитное (лучи направлены мимо Земли) облучение ячеек широтных зон поверхностей. Транзитное облучение подразделялось на входящее в тело, ограниченное поверхностью, и выходящее из этого тела. Три указанных вида облучения представлены на рис. 1, где DWI (Downward Irradiation) – падающее облучение, ITI (Incoming Transit Irradiation) – входящее транзитное облучение, OTI (Outgoing Transit Irradiation) – выходящее транзитное облучение. В каждый момент времени поверхность можно разбить на ячейки таким образом, что для каждой ячейки будет реализован один из трех видов облучения либо ячейка будет в тени.

Рис. 1.

Виды облучения ячеек поверхности высотного уровня: DWI, INI, OTI.

Трем видам облучения ячеек поверхностей соответствуют три энергетические характеристики (Дж) облучения широтной зоны в каждой части тропических года: EDW – падающая энергия, EIT – входящая транзитная энергия, EOT – выходящая транзитная энергия. Эти характеристики были вычислены с 3000 года до н. э. по 2999 г. н. э.

Для дальнейшего анализа вычислялись удельные энергетические характеристики (Дж/м2): DW – удельная падающая энергия, IT – удельная входящая транзитная энергия, OT – удельная выходящая транзитная энергия, B = IT – OT – баланс удельных транзитных энергий. Для указания высотных уровней обозначения могут дополняться нижним индексом, указывающим высотный уровень в километрах, например, DW10, IT10, OT10, B10. Для указания средних многолетних значений обозначения дополняются буквами СМ в скобках: DW(СМ), IT(СМ), OT(СМ), B(СМ).

Основной целью настоящей работы было исследование пространственных и временных особенностей удельных характеристик транзитного облучения поверхностей высотных уровней, полуповерхностей и 5-градусных широтных зон в интервале с 3000 г. до н. э. по 2999 г. н. э.

МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ

Рассматриваются поверхности и ограничиваемые ими тела на высотных уровнях 10, 20, 30, 40, 50, 60 км. Земная поверхность аппроксимируется эллипсоидом MRS80 с полуосями A = 6 378 137 м (две большие полуоси) и B = 6 356 752 м (малая полуось). Малая полуось этого эллипсоида совмещается с осью вращения Земли, вследствие чего он испытывает колебания относительно геоида (циклы Чандлера). Полуоси A и B с точностью до метра совпадают с полуосями общеземного эллипсоида GRS80 (Geodetic Reference System, 1980). Поверхности разделяются на северную и южную полуповерхности и на 5-градусные широтные зоны (используется геодезическая широта). Рассматриваются тропические года, полугодия и месяцы с 3000 г. до н. э. по 2999 г. н. э. Для этих промежутков по аналогии с вычислением полной энергии EDW + EIT + EOT облучения каждой широтной зоны [8] вычисляются ее слагаемые EDW, EIT и EOT (Дж) и по ним удельные энергии DW, IT, OT (Дж/м2), а также балансы B = IT – OT, средние многолетние (СМ) и для граничных лет (3000 до н. э. и 2999 н. э.).

Расчет EDW, EIT, EOT (Дж) для широтной зоны $({{{{\varphi }}}_{1}},{{{{\varphi }}}_{2}})$ поверхности L-го высотного уровня (L – высота в км, H = 1000L – высота в м) в интервале $({{t}_{1}},{{t}_{2}}),$ выбранном на шкале равномерно текущего времени, выполняется по формулам:

(1)
$\begin{gathered} {{E}_{{DW}}}\left( {H,{{{{\varphi }}}_{1}},{{{{\varphi }}}_{2}},{{t}_{1}},{{t}_{2}}} \right) = \\ = 2\int\limits_{{{t}_{1}}}^{{{t}_{2}}} {\int\limits_{{{{{\varphi }}}_{1}}}^{{{{{\varphi }}}_{2}}} {\sigma \left( {H,{{\varphi }}} \right)} } \int\limits_{0\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)}^{{{{{\alpha }}}_{1}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)} {{{\Lambda }}\left( {H,t,{{\varphi }},{{\alpha }}} \right)} d{{\alpha }}d{{\varphi }}dt, \\ \end{gathered} $
(2)
$\begin{gathered} {{E}_{{IT}}}\left( {H,{{{{\varphi }}}_{1}},{{{{\varphi }}}_{2}},{{t}_{1}},{{t}_{2}}} \right) = \\ = 2\int\limits_{{{t}_{1}}}^{{{t}_{2}}} {\int\limits_{{{{{\varphi }}}_{1}}}^{{{{{\varphi }}}_{2}}} {\sigma \left( {H,{{\varphi }}} \right)} } \int\limits_{{{{{\alpha }}}_{1}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)}^{{{{{\alpha }}}_{{\text{м}}}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)} {\Lambda \left( {H,t,{{\varphi }},{{\alpha }}} \right)} d{{\alpha }}d{{\varphi }}dt, \\ \end{gathered} $
(3)
$\begin{gathered} {{E}_{{OT}}}\left( {H,{{{{\varphi }}}_{1}},{{{{\varphi }}}_{2}},{{t}_{1}},{{t}_{2}}} \right) = \\ = - 2\int\limits_{{{t}_{1}}}^{{{t}_{2}}} {\int\limits_{{{{{\varphi }}}_{1}}}^{{{{{\varphi }}}_{2}}} {\sigma \left( {H,{{\varphi }}} \right)} } \int\limits_{{{{{\alpha }}}_{{\text{м}}}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)}^{{{{{\alpha }}}_{2}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)} {\Lambda \left( {H,t,{{\varphi }},{{\alpha }}} \right)} d{{\alpha }}d{{\varphi }}dt, \\ \end{gathered} $
где α – часовой угол Солнца (в радианах) в момент t (измеряется в секундах) в точке P с геодезической широтой φ (в радианах), находящейся на поверхности; σ(H,φ) – площадной множитель в точке P; σ(H,φ)dαdφ – площадь (м2) бесконечно малой трапеции с центром в точке P (трапеция является ячейкой поверхности); $\Lambda \left( {H,t,{{\varphi }},{{\alpha }}} \right)$ – интенсивность облучения (Вт/м2) этой трапеции в малой окрестности момента t, взятая со знаком плюс при направлении лучей внутрь тела, ограниченного поверхностью, и со знаком минус при направлении лучей из этого тела; ${{{{\alpha }}}_{1}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right),$ ${{{{\alpha }}}_{{\text{м}}}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right),$ ${{{{\alpha }}}_{2}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)$ – пределы интегрирования по α. Величины вычисляются с долями единиц измерения.

Неравенство ${{{{\alpha }}}_{1}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right) < \left| {{\alpha }} \right| < ~{{{{\alpha }}}_{{\text{м}}}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)$ определяет множество значений α, при которых в малой окрестности точки P имеет место входящее транзитное облучение ячейки поверхности, неравенство ${{{{\alpha }}}_{{\text{м}}}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right) < \left| {{\alpha }} \right| < ~{{{{\alpha }}}_{2}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)$ – множество значений α, при которых имеет место выходящее транзитное облучение. Каждое из указанных множеств может быть пустым.

Величины σ(H,φ), ${{\Lambda }}\left( {H,t,{{\varphi }},{{\alpha }}} \right),$ ${{{{\alpha }}}_{1}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right),$ ${{{{\alpha }}}_{{\text{м}}}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right),$ ${{{{\alpha }}}_{2}}\left( {H,t,{{\varphi }}} \right)$ и моменты {tnm}, соответствующие началам тропических суток (n – номер тропического года, m – номер суток в году), используемые для формирования границ интегрирования по t в формулах (1)–(3), вычисляются аналогично тому, как это сделано в работе [8], на основании высокоточных астрономических эфемерид DE406. Исходными данными для расчетов служат склонение и эклиптическая долгота Солнца, расстояние от Земли до Солнца, разность хода равномерно текущего (СТ – Coordinate Time) и всемирного корректируемого времени (UT – Universal Time). Солнечная постоянная (среднее многолетнее значение TSI) принимается равной 1361 Вт/м2 [21].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Характеристики транзитного облучения целых поверхностей

Для целой поверхности каждого высотного уровня в любом промежутке времени входящая транзитная энергия равна выходящей, из чего следует равенство удельных транзитных энергий IT = OT и нулевой баланс B = 0. Равенство транзитных энергий при отсутствии поглощения и рассеяния солнечных лучей в атмосфере объясняется тем, что каждый малый конус транзитных лучей в каждый момент пересекает целую поверхность дважды, а энергия, проходящая через поперечное сечение конуса, не зависит от дальности до вершины конуса и от наклона сечения.

Годовая IT(СМ) возрастает от 3.362 МДж/м2 на высотном уровне L = 10 км до 19.936 МДж/м2 на уровне L = 60 км. Процентное отношение годовой IT(СМ) к годовой удельной падающей энергии DW(СМ) возрастает от 0.304% при L = = 10 км до 1.893% при L = 60 км (рост практически линейный). Область поверхности высотного уровня, где ячейки подвергаются транзитному облучению, в каждый момент намного меньше области, где ячейки подвергаются падающему облучению, но с высотой относительная площадь области транзитного облучения увеличивается.

Полугодовая IT(СМ) для целой поверхности, совпадая с полугодовой OT(СМ), равна 1/2 годовой IT(СМ) и в первом, и во втором полугодии. Среднемесячная IT(СМ), совпадая со среднемесячной OT(СМ), равна 1/12 годовой IT(СМ). При этом на каждом высотном уровне месячная IT(СМ) отклоняется от среднемесячной в диапазоне от –0.01% вблизи равноденствий до +0.01% вблизи солнцестояний.

2. Характеристики транзитного облучения полу-поверхностей

Для полуповерхностей каждого уровня годовые IT(СМ) и OT(СМ) совпадают с годовыми IT(СМ) и OT(СМ) для целой поверхности и поэтому годовой баланс B(СМ) = 0. Полугодовые IT(СМ), OT(СМ) и B(СМ) возрастают по модулю при изменении высотного уровня от L = 10 км к L = 60 км. Данные для этих уровней представлены в табл. 1.

Таблица 1.  

Полугодовые IT(СМ), OT(СМ) и B(СМ) при L = 10 и 60 км

  Летнее полугодие Зимнее полугодие
L, км $IT{\kern 1pt} \left( {СМ} \right)$, МДж/м2 $OT\left( {СМ} \right)$, МДж/м2 $B{\kern 1pt} \left( {СМ} \right)$, MДж/м2 $IT\left( {СМ} \right)$,
МДж/м2		 $OT\left( {СМ} \right)$, МДж/м2 $B\left( {СМ} \right)$, MДж/м2
10 16.91774 16.70080 +0.21694 16.70056 16.91750 –0.21694
60 101.2567 98.10920 +3.14750 98.10770 101.2552 –3.14750

Полугодовой баланс для каждой полуповерхности положителен в летнем полугодии (для северной полуповерхности это первое астрономическое полугодие, для южной – второе) и отрицателен в зимнем (для северной полуповерхности это второе астрономическое полугодие, для южной – первое), причем модули полугодовых балансов одинаковы. Модуль полугодового баланса в процентах от среднего значения между полугодовой IT(СМ) и полугодовой OT(СМ) изменяется от 1.29% при L = 10 до 3.16% при L = 60. То есть контраст между полугодовыми транзитными энергиями для каждой полуповерхности в каждом полугодии с высотой увеличивается.

Годовой ход месячных IT(СМ), OT(СМ) и B(СМ) для северной полу-поверхности представлен на рис. 2 и 3. Графики для южной полу-поверхности зеркальны относительно середины года с соответствующими графиками для северной полуповерхности.

Рис. 2.

Месячные IT(СМ) и OT(СМ) для северной полу-поверхности на высотном уровне 10 км.

Рис. 3.

Месячные B(СМ) для северной полу-поверхности на разных высотных уровнях.

Максимумы IT(СМ) и минимумы OT(СМ) отмечаются вблизи летнего солнцестояния (для северной полу-поверхности это 3-й и 4-й астрономические месяцы, для южной – месяцы 9 и 10), минимумы IT(СМ) и максимумы OT(СМ) – вблизи зимнего солнцестояния (для северной полуповерхности это месяцы 9 и 10, для южной – 3‑й и 4-й астрономические месяцы). Процентное отклонение экстремумов от среднего значения, которое и для месячных IT(СМ), и для месячных OT(СМ) равно 1/12 годовой IT(СМ) целой поверхности, возрастает от 0.98–1.00% на высотном уровне L = 10 км до 2.41–2.43% на уровне L = 60 км.

Месячный B(СМ) для каждой полуповерхности максимален и положителен вблизи летнего солнцестояния, минимален и отрицателен, с тем же модулем, вблизи зимнего солнцестояния. Максимальное процентное отклонение модуля месячного B(СМ) от среднего значения между месячной IT(СМ) и месячной OT(СМ) увеличивается от 1.98% на уровне L = 10 км до 4.84% на уровне L = 60 км. Таким образом, контраст между месячными транзитными энергиями вблизи солнцестояний для каждой полуповерхности значительно выше (по указанным процентам в полтора раза на каждом высотном уровне), чем контраст между полугодовыми транзитными энергиями.

3. Характеристики транзитного облучения 5-градусных широтных зон

3.1. Годовые характеристики. Для 5-градусных широтных зон поверхности высотного уровня среднее по этим зонам процентное отношение годовой IT(СМ) к годовой DW(СМ) возрастает от 0.546% на уровне L = 10 км до 3.379% на уровне L = 60 км.

График годовых IT(СМ) симметричен относительно экватора (рис. 4). Минимумы располагаются возле экватора, максимумы в зонах 65°–70° (10 ≤ L ≤ 30) либо 70°–75° (40 ≤ L ≤ 60). С ростом высотного уровня годовая IT(СМ) для каждой зоны линейно растет. Минимумы, максимумы и значения у полюсов возрастают от 22.40, 82.21 и 53.66 МДж/м2 на уровне L = 10 км до 133.4, 439.5 и 326.7 МДж/м2 на уровне L = 60 км.

Рис. 4.

Годовые IT(СМ) для 5-градусных зон на уровнях 10 и 60 км.

Графики годовых OT(СМ) практически повторяют графики годовых IT(СМ): отклонение не превышает 0.04% для каждой 5-градусной зоны.

График годовых B(СМ) симметричен относительно экватора и отличается значительными колебаниями в высоких широтах (рис. 5).

Рис. 5.

Годовые B(СМ) для 5-градусных зон на разных высотных уровнях.

От экватора к полюсу наблюдаются: локальный минимум в зоне 0°–5°, локальный максимум в зоне 60°–65° (L = 10) либо 55°–60° (20 ≤ L ≤ 60), глобальный минимум в зоне 65°–70°, локальный максимум в зоне 70°–75° (10 ≤ L ≤ 40) либо 75°–80° (50 ≤ L ≤ 60) и локальный минимум в зоне 85°–90°. Перечисленные величины равны 0.08, 6.84, –26.33, 9.78 и 6.32 кДж/м2 на уровне L = 10 км; 1.15, 60.33, –120.6, 53.2 и 19.0 кДж/м2 на уровне L = 60 км.

При возрастании высотного уровня годовые B(СМ) большинства зон каждой полу-поверхности положительны и монотонно растут, за исключением трех зон. В зоне 60°–65° годовой B(СМ) убывает от положительного значения к отрицательному (смена знака происходит при переходе от уровня L = 20 км к уровню L = 30 км), в зоне 65°–70° – от одного отрицательного значения к другому. В зоне 70°–75° годовой B(СМ) положителен, возрастает до максимума при L = 30, затем убывает.

В зонах 60°–65° и 65°–70° ю. ш. и с. ш. вертикальный градиент годового B(СМ) (для уровня L = 15 км он определяется как B20(СМ)–B10(СМ), для уровня L = 25 км как B30(СМ)–B20(СМ) и т.д.) отрицателен на всех уровнях. В зонах 70°–75° ю.ш. и с.ш. на уровнях 15 и 25 км градиент положителен, на уровнях 35, 45, 55 км – отрицателен. Это единственная пара зон, в которых вертикальный градиент меняет знак.

3.2. Полугодовые характеристики. Графики полугодовых IT(СМ), OT(СМ), B(СМ) для 5-градусных зон поверхности каждого высотного уровня во втором полугодии тропического года зеркальны относительно экватора с аналогичными графиками первого полугодия. При этом графики полугодовых IT(СМ) и OT(СМ) в каждом полугодии почти зеркальны друг с другом относительно экватора (отклонения от строгой зеркальности составляют доли процента). На рис. 6 и 7 представлены графики полугодовых IT(СМ) и B(СМ) в первом полугодии.

Рис. 6.

Полугодовые IT(СМ) для 5-градусных зон в первом полугодии на уровнях 10 и 60 км.

Рис. 7.

Полугодовые B(СМ) для 5-градусных зон в первом полугодии на разных высотных уровнях.

В первом полугодии полугодовые IT(СМ) для 5-градусных зон наиболее значительны (превышают среднее по всем зонам значение) в северных широтах – в области 55°–90°, в южных широтах – в области 50°–85° (на уровне L = 10 км) либо 50°–80° (20 ≤ L ≤ 50) либо 50°–75° (L = 60). Наблюдаются шесть локальных экстремумов: первый минимум в зоне 85°–90° ю.ш., первый максимум в зоне 60°–65° ю.ш., второй минимум в зоне 0°–5° с.ш., второй максимум в зоне 65°–70° с.ш. (L = 10) либо 70°–75° с.ш. (20 ≤ L ≤ 60), третий минимум в зоне 80°–85° с.ш. (L = 10) либо 75°–80° с.ш. (20 ≤ L ≤ 60) и третий максимум в зоне 85°–90° с.ш. Глобальный минимум достигается в зоне 0°–5° с.ш. (L = 10) либо 85°–90° ю.ш. (20 ≤ L ≤ 60), глобальный максимум – в зоне 65°–70° с.ш. (L = = 10) либо 85–90° с.ш. (20 ≤  L ≤ 60). Экстремумы полугодовой IT(СМ) от южного до северного полюса равны 12.76, 39.66, 11.20, 45.97, 33.06, 40.90 МДж/м2 на уровне L = 10 км; 16.2, 222.3, 66.6, 299.0, 250.3, 310.5 МДж/м2 на уровне L = 60 км. При возрастании высотного уровня полугодовая IT(СМ) в зоне 85°–90° ю. ш. растет до уровня L = = 20 км, затем практически не меняется, в остальных зонах наблюдается монотонный рост.

Полугодовой B(СМ) в первом полугодии минимален в зоне 85°–90° ю.ш. и максимален в зоне 85°–90° с.ш. Между крайними значениями наблюдаются локальные экстремумы: в южных широтах – отрицательный максимум в зоне 75°–80°, отрицательный минимум в зоне 70°–75°, положительный максимум в зоне 60°–65°, в северных широтах – отрицательный минимум в зоне 60°–65°, положительный максимум в зоне 70°–75°, положительный минимум в зоне 75°–80°. При этом полугодовой B(СМ) положителен от экватора до 65-й южной параллели и отрицателен далее до южного полюса; отрицателен от экватора до 65-й северной параллели и положителен далее до северного полюса. Экстремумы полугодового B(СМ) от южного полюса до северного равны ‒28.11, –8.24, ‒10.29, 10.30, –10.30, 10.30, 8.25, 28.11 МДж/м2 на уровне L = 10 км; –294.3, –132.0, –158.5, 61.6, –61.7, 158.5, 132.0, 294.3 МДж/м2 на уровне L = 60 км. Модуль полугодового B(СМ) монотонно растет с ростом L для каждой зоны.

3.3. Месячные характеристики. На рис. 8 и 9 приведены матрица среднемноголетних месячных балансов для 5-градусных зон и матрица приращений месячных балансов от 3000 г. до н. э. до 2999 г. н. э. для уровня L = 10 км. Для остальных уровней матрицы аналогичны.

Рис. 8.

Месячные B(СМ) для 5-градусных зон на уровне 10 км.

Рис. 9.

Приращения месячных B для 5-градусных зон на уровне 10 км за 5999 лет.

Для каждой полуповерхности высотного уровня (18 зон) в летнем полугодии (6 месяцев) в области от экватора до полярного круга отмечаются малые по модулю отрицательные месячные B(СМ), а в полярном районе (65°–90°) – высокие положительные месячные B(СМ), из-за которых полугодовой B(СМ) для этой полуповерхности в летнем полугодии положителен. В зимнем полугодии наоборот: в области от экватора до полярного круга отмечаются малые положительные месячные B(СМ), а в полярном районе – высокие по модулю отрицательные месячные B(СМ), приводящие к отрицательному полугодовому B(СМ) для этой полуповерхности в зимнем полугодии. В полярных районах в каждом полугодии локализуются высокие по модулю месячные B(СМ) обоих знаков – и положительные, и отрицательные.

Для каждой полуповерхности высотного уровня в летнем полугодии в области от экватора до полярного круга месячные балансы за 5999 лет увеличиваются, а в зимнем полугодии – уменьшаются. Однако, в полярных районах отмечаются и экстремальные увеличения, и экстремальные уменьшения месячных балансов. В результате полугодовой баланс для каждой полуповерхности в каждом полугодии уменьшается по модулю (в летнем полугодии положительный баланс уменьшается, а в зимнем полугодии отрицательный баланс увеличивается). Этот эффект объясняется уменьшением угла наклона земной оси и уменьшением сезонных различий в облучении каждого полушария Земли. Абсолютное убывание модуля полугодового баланса для полуповерхности за 5999 лет наиболее значительно на высотном уровне L = 60 км, относительное убывание – на уровне L = 20 км (табл. 2).

Таблица 2.  

Сокращение модуля полугодового баланса для полуповерхности для разных высотных уровней за 5999 лет

L, км кДж/м2 %
10 6.811 3.091
20 19.94 3.209
30 36.41 3.198
40 54.71 3.131
50 76.63 3.144
60 98.66 3.089

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для целой поверхности любого высотного уровня баланс удельных транзитных энергий равен нулю за любой промежуток времени (при отсутствии ошибок вычислений, без учета поглощения и рассеяния солнечных лучей в атмосфере). Для полуповерхности и 5-градусной зоны баланс отличен от нуля при наличии транзитного облучения (оно отсутствует для трех зон вокруг каждого полюса вблизи солнцестояний).

Годовые балансы для широтных зон имеют резкий отрицательный минимум в зонах 65°–70° ю.ш. и с.ш. На высотных уровнях начиная с 30 км отрицательные значения наблюдаются также в зонах 60°–65° ю.ш. и с.ш. Отрицательные значения окружены высокими положительными значениями в прилегающих зонах. Вертикальный градиент годового баланса для зон 60°–65° и 65°–70° ю.ш. и с.ш. отрицателен на всех уровнях, для зон 70°–75° ю.ш. и с.ш. – начиная с уровня L = 35 км. Для всех остальных зон вертикальный градиент положителен на всех уровнях. Области, где вертикальный градиент отрицателен на всех уровнях, совпадают с областями внетропического циклогенеза, высотных фронтальных зон и струйных течений.

Полугодовые балансы для широтных зон каждой полуповерхности в летних полугодиях положительны в области 65°–90° и отрицательны в области 0°–65° на всех высотных уровнях. В зимних полугодиях наоборот: отрицательны в области 65°–90° и положительны в области 0°–65°. Вместе с тем полугодовой баланс для полуповерхности положителен в летнем и отрицателен в зимнем полугодии. Таким образом, полугодовые балансы для зон наиболее значительны в полярных областях.

Месячные балансы для каждой полуповерхности максимальны (положительны) вблизи летних солнцестояний, минимальны (отрицательны) вблизи зимних солнцестояний, близки к нулю вблизи равноденствий.

Приращения месячных балансов для зон каждой полуповерхности с 3000 г. до н. э. по 2999 г. н. э. в летнем полугодии от экватора до полярных кругов малы по модулю и положительны, в зимнем полугодии малы по модулю и отрицательны. В полярной области (65°–90$^\circ $) отмечаются как положительные, так и отрицательные приращения, высокие по модулю. В результате этих изменений модуль полугодового баланса для каждой полу-поверхности в каждом полугодии за 5999 лет сокращается.

Вычисленные массивы характеристик транзитного облучения 5-градусных широтных зон поверхностей высотных уровней в тропических годах и их частях с 3000 г. до н. э. по 2999 г. н. э. могут быть использованы при исследования особенностей термобарического поля, а также фотохимических реакций и процессов ионизации в плотных слоях атмосферы.

Работа выполнена в рамках тем государственного задания “Эволюция, современное состояние и прогноз развития береговой зоны Российской Арктики” (121051100167-1) и “Опасность и риск природных процессов и явлений” (121051300175-4).

Список литературы

  1. Кондратьев К.Я., Никольский Г.А., Есипова Е.Н. Аэростатные исследования радиационных потоков в свободной атмосфере // Изв. АН СССР, сер. физ. атм. и океана. 1966. Т. 2. № 4. С. 380–393.

  2. Макарова Е.А., Харитонов А.В., Казачевская Т.В. Поток солнечного излучения. М.: Наука, 1991.

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

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

  5. Федоров В.М. Солнечная радиация и климат Земли. М.: Физматгиз, 2018.

  6. Федоров В.М. Вариации инсоляции Земли и особенности их учета в физико-математических моделях климата // Успехи физических наук. 2019. Т. 189. № 1. С. 33–46. https://doi.org/10.3367/UFNr.2017.12.038267

  7. Федоров В.М. Исторические этапы в изучении многолетних вариаций солнечной активности // Жизнь Земли. 2019. Т. 41. № 2. С. 138–147

  8. Федоров В.М., Костин А.А., Фролов Д.М. Особенности удельной энергии облучения тонких слоев атмосферы // Труды XXIV всероссийской ежегодной конференции “Солнечная и солнечно-земная физика – 2020”, СПб, 2020. С. 301–304.

  9. Шараф Ш.Г., Будникова Н.А. О вековых изменениях элементов орбиты Земли, влияющих на климаты геологического прошлого // Бюллетень Института теоретической астрономии АН СССР. 1967. Т. 11. № 4(127). С. 231–261.

  10. Berger A. Long-term variation of caloric insolation resulting from the Earth’s orbital elements // Quat. Res. 1978. V. 9. P. 139–167.

  11. Berger A., Loutre M.F., Yin Q. Total irradiation during any time interval of the year using elliptic integrals // Quaternary science reviews. 2010. V. 29. P. 1968–1982. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2010.05.07

  12. Bertrand C., Loutre M.F., Berger A. High frequency variations of the Earth`s orbital parameters and climate change // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29. № 18. P. 401–403. https://doi.org/10.1029/2002GL015622

  13. Borisenkov E.P., Tsvetkov A.V., Agaponov S.V. On some characteristics of insolation changes in the past and the future // Climatic Change. 1983. № 5. P. 237–244.

  14. Cionco R.G., Soon W.W.-H. Short-Term Orbital Forcing: A Quasi-Review and a Reappraisal of Realistic Boundary Conditions for Climate Modeling // Earth-Science Reviews. 2017. V. 166. P. 206–222.

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

  16. Fedorov V.M., Frolov D.M. Spatial and temporal variability of solar radiation arriving at the top the atmosphere // Cosmic Research. 2019. V. 57. № 3. P. 156–162. https://doi.org/10.1134/S0010952519030043

  17. Fedorov V.M., Kostin A.A. The calculation of the Earth̓ s insolation for the 3000 BC – AD 2999 // Processes in Geomedia. 2020. № 1. P. 181–192. https://doi.org/10.1007/978-3-030-38177-6_20

  18. Fröhlich C. Observations of irradiance variability // Space Science Reviews. 2000. V. 94. P. 15–24.

  19. Fröhlich C. Total solar irradiance observations // Surveys in Geophysics. 2012. V. 33. P. 453–473. https://doi.org/10.1007/s10712-011-9168-5

  20. http://www.pmodwrc.ch

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

  22. Laskar J., Joutel F., Boudin F. Orbital, precessional and insolation quantities for the Earth from –20 Myr to +10 Myr // Astron. and Astrophys. 1993. V. 287. P. 522–533.

  23. Loutre M.F., Berger A., Bretagnon E., Blanc P.-L. Astronomical frequencies for climate research at the decadal to century time scale // Climate dynamics. 1992. V. 7. P. 181–194.

  24. Vernekar A. Long-period global variations of incoming solar radiation // Series: Meteorological Monographs. American Meteorological Society. 1972. V. 12. № 34.

  25. Willson R.C., Mordvinov A.V. Secular total solar irradiance trend during solar cycles 21 and 22 // Geophys. Res. Let. 2003. V. 30. P. 1199–1202. https://doi.org/10.1029/2002GL016038

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Космические исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал