Тенденции изменения приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации и их пространственная локализация

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Солнечная радиация является основным источником энергии, определяющим радиационный, тепловой баланс Земли. Годовой приход солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы Земли (ВГА) в среднем составляет 5.49Е24 Дж (Будыко, 1974; Дроздов и др., 1989; Федоров, 2018; Хромов, Петросянц, 2006) или 1.0777E10 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 (Миланкович, 1939; Монин, 1982; Монин, Шишков, 2000) и наклона оси вращения. В работе рассматриваются пространственные и временные вариации, связанные с небесно-механическими процессами. Изменение активности Солнца не учитывается.

Спутниковые измерения полного потока солнечной радиации (Total solar irradiance) проводятся с 1977 г. К настоящему времени получен непрерывный ряд непосредственных измерений TSI, выполненных несколькими специальными космическими аппаратами («Нимбус-7» — запущен в ноябре 1978 г. и SMM — Solar Maximum Mission — запущен в феврале 1980 г.). Эти измерения выполнены для трех полных циклов солнечной активности (21–23) и продолжаются в текущем 24 цикле. Отсчет получаемой со спутников информации по вариациям TSI ведется относительно неизменного расстояния между Землей и Солнцем равного 1 а. е. (среднее за год). При расчетах вариации инсоляции, связанных с небесно-механическими процессами, расчеты проводятся от принятого и неизменного значения солнечной постоянной (среднего многолетнего значения TSI) и не нормируются по расстоянию. Анализ рассчитанных нами данных инсоляции со спутниковой информацией по TSI позволяет определять соотношение вариаций разной физической природы (связанных с солнечной активностью и с небесно-механическими процессами) в общем потоке солнечной радиации (Федоров, 2019а).

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 (Дроздов и др., 1989; Миланкович, 1939; Монин, Шишков, 2000; Федоров, 2018). Данные дистанционного зондирования Земли по TSI (Total solar irradiance) с учетом полученных при выполнении теоретических расчетов значений инсоляции, могут быть дифференцированы относительно участия вариаций разной физической природы в изменении общего потока солнечной радиации.

МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ

Расчеты приходящей солнечной радиации выполнялись по данным астрономических эфемерид (Giorgini et al., 1996; Jet Propulsion Laboratory) (которые составлены по спутниковым данным), 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 (координатного времени — СТ) и всемирного корректируемого времени (UT). 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:

 $I_{nm}({\phi }_1,{\phi }_2)=\underset{t_1}{\overset{t_2}{\int }}\left(\underset{{\phi }_1}{\overset{{\phi }_2}{\int }}\sigma (H,\phi )\left(\begin{array}{c}\underset{-\pi }{\overset{\pi }{\int }}\Lambda (H,t,\phi ,\alpha )d\alpha \end{array}\right)d\phi \right)dt$  ,

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);  — 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 (Федоров, 2012, 2013, 2014, 2015а, 2015б, 2016). Значение солнечной постоянной (среднее многолетнее значение TSI) принималось равным 1361 Вт/м² (Федоров, 2018; Kopp, Lean, 2011). Изменение активности Солнца не учитывалось.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате расчетов инсоляции Земли (Федоров, 2019б; Bertrand et al., 2002; Федоров, 2013) получено распределение инсоляции в Дж и Дж/м². Пространственно-временное изменение приходящей на ВГА солнечной радиации за период с 3000 г. до н. э. по 2999 г. н. э. представлено на рис. 1, 2. Изменение инсоляции определялось как разность средних значений для последних ста лет и соответствующих значений первых ста лет в массиве рассчитанных значений инсоляции.

 

Рис. 1. Пространственно-временное изменение инсоляции Земли за период с 3000 лет до н. э. по 2999 г. н. э. (Дж).

 

Рис. 2. Пространственно-временное изменение инсоляции Земли за период с 3000 лет до н. э. по 2999 г. н. э. (Дж/м²).

 

Результаты показывают, что среднегодовое поступление солнечной энергии на ВГА Земли 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 0.005%). Эта медленная тенденция сокращения инсоляции (рис. 3) определяется вековыми изменениями эксцентриситета земной орбиты (Миланкович, 1939; Федоров, 2018, 2019).

 

Рис. 3. Изменения инсоляции Земли в интервале с 3000 г. до н. э. по 2999 г. н. э.

 

При общем малом сокращении приходящей на ВГА за тропический год солнечной радиации в районах ниже 45° широты в каждом полушарии проявляется заметная тенденция к увеличению, а выше 45° — к сокращению инсоляции (рис. 4).

 

Рис. 4. Широтное изменение инсоляции Земли в интервале с 3000 г. до н. э. по 2999 г.

 

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. Таким образом, отмечается увеличение меридионального градиента инсоляции между экваториальной областью и полярными районами на 2.98%. 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. Увеличение меридионального градиента интенсивности солнечной радиации составляет 6 Вт/м². Следовательно, одна из тенденций в изменении приходящей от Солнца энергии в современную эпоху — усиление широтной контрастности (увеличение меридионального градиента) инсоляции (Федоров, 2018, 2019; Федоров, 2014, 2015а, 2015б). Этот эффект проявляется как в общей приходящей на единицу площади земного эллипсоида солнечной радиации, так и в интенсивности ее поступления.

Анализировались также рассчитанные для сезонов (зимнего и летнего астрономического полугодия) значения инсоляции (рис. 5). Вековые изменения (тенденции) оценивались разностью значений приходящей солнечной радиации (Дж/м²) в последнее (2900–2999 г. н. э.) и первое (3000 г. до н. э. — 2901 г. до н. э.) столетие для соответствующих широтных зон в соответствующие полугодия. В летнее для северного полушария полугодие увеличение приходящей на земной эллипсоид солнечной радиации в абсолютных значениях отмечается в зоне 5°–10° с. ш. и широтной области расположенной южнее. Максимальное увеличение приходящей радиации отмечается в широтной зоне 45°–50° ю. ш., где оно составляет 5.41Е+07 Дж/м² или 2.038% от среднегодового значения солнечной радиации, 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 локализуется в зоне 85°–90° с. ш. — 1.56Е+08 Дж/м², или 2.83% от среднегодового значения приходящей в эту зону солнечной радиации. 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 (0.006%). Сокращение приходящей в широтную зону 65°–70° с. ш. (на ВГА) радиации за предшествующее 1000 лет для середины июля (точки с геоцентрической широтой 120°) на 4.8 Вт/м² отмечается также в работе бельгийских исследователей (Bertrand et al., 2002).

 

Рис. 5. Широтное изменение инсоляции Земли в интервале с 3000 г. до н. э. по 2999 г. в зимнее (1) и летнее (2) полугодие (для северного полушария).

 

В зимнее для северного полушария полугодие (рис. 5) 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 увеличение 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 (0.005%). 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, 2018, 2019; Федоров, 2015б).

Отмеченные низкочастотные изменения — тенденции (усиление широтной контрастности и сглаживание сезонных различий) в инсоляции Земли связаны с вековой тенденцией уменьшения угла 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 (Миланкович, 1939; Монин, Шишков, 2000).

В относительных единицах (рис. 6) максимальные изменения приходящей солнечной радиации локализуются в летнее в северном полушарии полугодие в широтной зоне 60°–65° ю. ш. (3.75%). В зимнее в северном полушарии полугодие максимум в полугодовом изменении приходящей радиации приходится на широтную зону 60°– 65° с. ш. (3.75%).

На основе анализа полученных результатов расчета инсоляции выделяются следующие особенности в вековой тенденции изменения приходящей солнечной радиации (рис. 1, 2).

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 значениям первого и последнего столетия в массиве) по полушариям составляет 3.89Е+07 Дж/м² (0.57%), а в зимнее — увеличение (по средним значениям 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 астрономического 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 астрономического 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 астрономических месяцев осени и двух первых зимних для полушария астрономических месяцев (двух первых третей сезона) широтные зоны от 80° до 90° широты в каждом полушарии солнечной радиации не получают вовсе. В последнюю треть астрономической осени и первую треть астрономической зимы в полушарии 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 тропического года. Эта область расширяется до 10° широты во 2-й и 3-й месяцы астрономической весны и первые две трети астрономического лета каждого полушария, и до широты 15° в последнюю треть астрономического весеннего сезона и первую треть астрономического летнего сезона в каждом полушарии (Федоров, 2018; Федоров, 2015б).

Таким образом, на интервале от 3000 г. до н. э. до 2999 г. н. э. в инсоляции Земли отмечается слабое сокращение приходящей радиации. Отмечается увеличение приходящей радиации в экваториальную область (источник тепла) и сокращение в полярных районах (области стока тепла). В летние полугодия отмечается сокращение приходящей радиации, в зимние полугодия — увеличение. В годовом поступлении отмечается сглаживание сезонных различий и увеличением широтной контрастности.

В относительных единицах картина изменения приходящей на ВГА солнечной радиации за период с 3000 г. до н. э. по 2999 г. н. э. заметно меняется (рис. 7).

В северном полушарии в летнее полугодие отмечается постепенное сокращение приходящей солнечной радиации от экваториальной области к полюсу. В 1-й и 6-й астрономические месяцы (1-й астрономический месяц соответствует календарному апрелю) приходящая радиация сокращается от –0.07 и –0.06% в широтной зоне 10°–15° с. ш. до –2.74 и –2.72% в широтной зоне 85°–90° с. ш. Во 2-й и 5-й астрономические месяцы приходящая солнечная радиация сокращается от –0.05% в широтной зоне 10°–15° с. ш. до –2.85% в широтной зоне 85°–90° с. ш. В 3-й и 4-й астрономические месяцы приходящая солнечная радиация сокращается от –0.12% в широтной зоне 15°–20° с.ш. до –2.85% в широтной зоне 85°–90° с. ш.

В северном полушарии в зимнее полугодие на всей территории отмечается увеличение приходящей солнечной радиации. Исключение составляют «мертвые зоны». В 7-й и 12-й астрономические месяцы приход увеличивается от 0.06% в широтной зоне 0°–5° с. ш. до 2.87% и 2.89% в широтной зоне 85°– 90° с. ш. В 8-й и 11-й астрономические месяцы увеличение отмечается от 0.31% в широтной зоне 0°–5° с. ш. до 9.83% в широтной зоне 65°–70° с. ш. В 9-й и 10-й астрономические месяцы отмечается увеличение от 0.59% в широтной зоне 0°–5° с. ш. до 2.76% в широтной зоне 55°–60° с. ш. Максимальные увеличения характерны для 8-го и 11-го астрономических месяцев и локализованы в широтных зонах 70°–75° с.ш — 16.5% и 75°–80° с. ш. — 36.83% и 36.85% соответственно. В 9-й и 10-й астрономические месяцы значительное увеличение отмечается в широтной зоне 60°–65° с. ш. — 18.3%. Абсолютный максимум приходится на 9-й и 10-й астрономические месяцы (календарные январь и февраль) и локализован в широтной зоне 65°–70° с. ш. — 52.24% и 52.22% соответственно. Известно, что широтная область 60°–70° с. ш. является зоной внетропического циклогенеза (Федоров, 2018; Хромов, Петросянц, 2006).

 

Рис. 6. Широтное изменение инсоляции Земли в % (3000 г. до н. э. — 2999 г. н. э.) в зимнее (1) и летнее (2) полугодие (для северного полушария).

 

Рис. 7. Пространственно-временное изменение инсоляции Земли в Дж за период с 3000 лет до н. э. по 2999 г. н. э. (%).

 

В южном полушарии в зимнее полугодие увеличение приходящей солнечной радиации отмечается для всей территории кроме области «мертвых зон». В 1-й и 6-й астрономические месяцы отмечается увеличение от 0.06% в широтной зоне 0°–5° ю. ш. до 2.85% и 2.88%, соответственно, в широтной зоне 85°–90° ю. ш. Во 2-й и 5-й астрономические месяцы увеличение составляет от 0.31% в широтной зоне 0°–5° ю. ш. до 9.83% в широтной зоне 65°–70° ю. ш. В 3-й и 4-й астрономические месяцы увеличение отмечается от 0.59% в широтной зоне 0°–5° ю. ш. до 9.76% в широтной зоне 55°–60° ю. ш. Максимумы увеличения приходящей радиации характерны для 2-го и 5-го астрономических месяцев. Они локализованы в зоне 70°–75° ю. ш. — 16.51% и 16.49% соответственно. В широтной зоне 75°–80° ю. ш. в эти месяцы увеличение приходящей солнечной радиации составляет 38.83% и 36.86% соответственно. В 3-й и 4-й астрономические месяцы в широтной зоне 60°–65° ю. ш. увеличение составляет 18.83% и 18.82% соответственно. Абсолютные максимумы хронологически приходятся на 3-й и 4-й астрономические месяцы (календарные июнь и июль) и локализуются в широтной зоне 60°–65° ю. ш. — 52.24% и 52.22% соответственно.

В южном полушарии в летнее полугодие небольшое увеличение приходящей солнечной радиации отмечается только в экваториальной области. В широтной зоне 0°–5° ю. ш. от 0.02% в 7-й и 12-й астрономические месяцы до 0.40% и 0.39% в 9-й и 10-й астрономический месяц соответственно. В эти месяцы также отмечается увеличение в широтной зоне 5°–10° ю. ш. — 0.22%. На остальной площади полушария отмечается сокращение приходящей радиации. В 7-й и 12-й астрономические месяцы поступление радиации сокращается от –0.06% в широтной зоне 10°–15° ю. ш. до –2.73% в широтной зоне 85°– 90° ю. ш. В 8-й и 11-й астрономические месяцы приход радиации сокращается от –0.17% в широтной зоне 15°–20° ю. ш. до –2.85% в широтной зоне 85°–90° ю. ш. В 9-й и 10-й астрономические месяцы сокращение отмечается от –0.12 в широтной зоне 15°–20° ю. ш. до –2.85% в широтной зоне 85°– 90° с. ш.

В относительных значениях увеличение приходящей солнечной радиации в зимние в полушариях полугодия превышают сокращение солнечной радиации приходящей в летние полушария.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для годовой инсоляции Земли характерна медленная тенденция к сокращению. Отмечается увеличение инсоляции в экваториальной области Земли и сокращение в полярных районах, то есть для современной эпохи характерно усиление широтной контрастности в распределении приходящей к Земле лучистой энергии. Отмечается увеличение приходящей солнечной радиации в зимние для полушарий полугодия и сокращения в летние. Эти тенденции связаны с уменьшением угла наклона оси вращения Земли в современную эпоху. Максимумы относительного увеличения приходящей солнечной радиации отмечаются в январе, декабре в северном полушарии и июне, июле в южном полушарии. Эти максимумы локализованы в широтной области 60°–70° которая является зоной внетропического циклогенеза и могут проявляться в циркуляционных процессах в атмосфере. Отмечаемые вблизи полярных кругов максимумы в поступлении радиации определяются уменьшением наклона оси вращения Земли и связаны с относительно большим увеличением приходящей радиации к ее относительно небольшому общему поступлению в эти зоны.

Полученные результаты могут учитываться в радиационных блоках физико-математических моделей климата и создают основу для определения долевого участия факторов разной физической природы в изменениях общего потока солнечной радиации определяемых в результате дистанционного зондирования Земли.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена по теме ГЗ АААА-А16–116032810055–0 и АААА-А16–116032810093–2.

Об авторах

В. М. Федоров

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: fedorov.msu@mail.ru
Россия, Москва

С. А. Сократов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: fedorov.msu@mail.ru
Россия, Москва

Д. М. Фролов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: fedorov.msu@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы