Table of Contents

Понимание солнечного излучения и его спектральных компонентов

Солнечное излучение — это электромагнитная энергия, излучаемая Солнцем, служащая фундаментальным драйвером климатической системы Земли. Эта энергия распространяется через пространство и достигает верхней части атмосферы при среднем излучении около 1361 Вт на квадратный метр (Вт/м2), значение, известное как солнечная постоянная. Однако фактическое количество, достигающее поверхности, изменяется из-за орбитальной геометрии, атмосферного рассеяния, поглощения и облачного покрова. Спектр солнечного излучения охватывает от коротковолнового ультрафиолетового (УФ) до длинноволнового инфракрасного (ИК), при этом видимый свет доминирует над распределением энергии. Понимание этих спектральных полос имеет решающее значение, потому что каждый взаимодействует с атмосферой и поверхностью различными способами.

Видимый свет

Видимый свет (длины волн ~380-750 нм) составляет около 44% от общей солнечной энергии, достигающей Земли. Он в значительной степени передается через атмосферу и поглощается поверхностью, стимулируя дневное потепление, фотосинтез и испарение воды. Изменения интенсивности видимого света непосредственно влияют на обратную связь альбедо поверхности - например, когда снег и лед тают, более темные поверхности поглощают более видимое излучение, усиливая потепление.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое (УФ) излучение (длины волн ниже 380 нм) составляет около 7% поступающей солнечной энергии, но имеет негабаритные эффекты. УФ-В (280-315 нм) в значительной степени поглощается стратосферным озоновым слоем, а изменения в УФ-входе могут изменять химию озона и градиенты температуры стратосферы. Это, в свою очередь, влияет на положение струйных потоков и полярных вихрей. УФ также влияет на производство гидроксильных радикалов, которые контролируют срок службы парниковых газов, таких как метан.

инфракрасное излучение

Инфракрасное (ИК) излучение (длины волн выше 750 нм) составляет около 49% солнечной энергии. В то время как Солнце излучает в основном коротковолновое излучение, Земля повторно излучает энергию в виде длинноволнового ИК. Однако прямое солнечное ИК поглощается водяным паром и углекислым газом в нижней атмосфере, способствуя парниковому эффекту. Переменность в солнечном ИК может модулировать содержание тепла в атмосфере и образование облаков.

Точные измерения и моделирование этих спектральных компонентов необходимы для разграничения естественных и вынужденных изменений климата. Спутниковые миссии, такие как датчик полного и спектрального солнечного излучения (TSIS-1) на борту Международной космической станции, обеспечивают непрерывные данные о спектральном излучении, улучшая нашу способность связывать солнечные колебания с климатическими реакциями.

Механизмы солнечной изменчивости

Солнечная мощность не постоянна. Она изменяется в нескольких временных масштабах, обусловленных внутренней магнитной активностью и изменениями в структуре Солнца. Наиболее заметным сигналом является 11-летний солнечный цикл, отмеченный ростом и падением числа солнечных пятен. Во время солнечных максимумов Солнце излучает немного больше энергии (примерно 0,1% вариации общего солнечного излучения, TSI) и значительно больше УФ (до 6% вариации). Эти изменения, хотя и небольшие, могут иметь усиленные эффекты за счет атмосферной динамики.

11-летний солнечный цикл

Циклы солнечных пятен отслеживаются по таким показателям, как число солнечных пятен и радиопоток F10,7 см. Во время высокой активности повышенное УФ-излучение нагревает стратосферу, приводя к изменениям в циркуляции Брюэра-Добсона и изменяя распределение озона. Это сдвигает субтропические струйные потоки и может модулировать погодные условия в зимнее время северного полушария, включая Североатлантическое колебание (НАО) и Арктическое колебание (АО). Например, периоды более высокой солнечной активности часто связаны с более позитивной фазой НАО, принося более мягкие зимы в северную Европу и более холодные условия в восточное Средиземноморье.

Долгосрочные вариации: минимум Маундера и гранд-минимум

За 11-летним циклом Солнце демонстрирует изменения длиной от десятилетий до столетий. Минимум Маундера (1645-1715) был периодом чрезвычайно низкой активности солнечных пятен, совпадающим с самой холодной частью Малого ледникового периода. В то время как прямое сокращение TSI в течение этого периода оценивается всего в 0,2-0,3 Вт / м2, косвенные реконструкции из колец деревьев и ледяных кернов предполагают, что усиленные обратные связи, такие как изменения облачного покрова и хранения тепла в океане, могли бы вызвать региональное охлаждение до 1-2 ° C. Аналогично, минимум Сперера (1460-1550) и минимум Дальтона (1790-1830) связаны с более холодными европейскими температурами.

Светские тенденции и солнечное воздействие

На протяжении веков и тысячелетий изменения орбиты Земли (циклы Миланковича) изменяют распределение и общее количество солнечного излучения, получаемого в верхней части атмосферы. Эти орбитальные изменения являются кардиостимуляторами ледниковых периодов, вызывая сдвиги 5-10 Вт/м2 в высоких широтах. Напротив, изменения в TSI от солнечной магнитной активности находятся на порядка 1 Вт/м2. Понимание относительного вклада орбитального форсирования против внутренней солнечной изменчивости является центральной проблемой в палеоклиматологии.

Как солнечное излучение влияет на циркуляцию атмосферы и погодные условия

Воздействие солнечной радиации на климат опосредовано сложными атмосферными и океаническими обратными связями. Ключевым механизмом является механизм «сверху вниз», где УФ-индуцированный нагрев в стратосфере изменяет температурные градиенты и ветровые структуры. Это может распространяться вниз в тропосферу в течение недель или месяцев.

Стратосферный озон и температурные градиенты

Солнечный УФ усиливает выработку озона в тропической стратосфере. Больше озона поглощает больше УФ, нагревая стратосферу и усиливая стратосферный полярный вихрь. Более сильный полярный вихрь имеет тенденцию поддерживать стабильную, холодную арктическую воздушную массу, снижая частоту блокирующих событий средней широты. И наоборот, во время солнечных минимумов более слабый вихрь позволяет больше вторжений холодного арктического воздуха в средние широты.

Влияние на реактивные потоки и штормовые треки

Изменения широтного температурного градиента между тропиками и полюсами, под влиянием солнечного нагрева, напрямую влияют на положение и интенсивность струйных потоков. Более сильный солнечный цикл может смещать субтропический струйный полюс, изменяя штормовые пути, которые доставляют осадки в западную Северную Америку, Европу и Азию. Например, в периоды высокой солнечной активности тихоокеанская штормовая трасса имеет тенденцию смещаться на север, приводя к более влажным условиям на северо-западе Тихого океана и более сухим условиям в южной Калифорнии.

Связь океан-атмосфера

Солнечное излучение также заставляет поверхность океана, влияя на температуры поверхности моря (SSTs) и океанские течения. Эль-Ниньо-Южное Колебание (ENSO) показывает слабый, но обнаруживаемый ответ на солнечную изменчивость. Некоторые исследования показывают, что во время солнечных максимумов тропическая часть Тихого океана испытывает Ла-Ниньо-подобное охлаждение, в то время как солнечные минимумы благоприятствуют событиям Эль-Ниньо. Эти сдвиги каскада в глобальные телесоединения, влияющие на муссонный дождь, активность урагана и засуху.

Наблюдаемое влияние на температуру, осадки и экстремальные события

Исторические и наблюдательные записи свидетельствуют о том, что изменения солнечной радиации способствуют изменчивости климата в разных регионах и сезонах.

Переменная температура

В глобальном масштабе корреляция между TSI и температурой поверхности скромна (R2 ≈ 0,1–0,2 за последние 400 лет), но региональные сигналы более выражены. Например, Арктика показывает повышенную чувствительность к солнечному воздействию из-за обратной связи ледяного альбедо. В периоды высокой солнечной активности арктические температуры могут нагреваться на 1-2 ° C относительно солнечных минимумов, ускоряя потерю морского льда. В средних широтах зимние температуры в Европе и Северной Америке часто показывают плацдарм, связанный с фазой NAO, которая частично модулируется солнечным циклом.

Паттерны осадков

Солнечная радиация влияет на гидрологический цикл в первую очередь за счет изменения скорости испарения и положения Межтропической зоны конвергенции (ITCZ). Поулвардные сдвиги ITCZ были связаны с солнечными максимумами в прокси-записях из голоцена. Муссонные системы в Индии, Африке и Юго-Восточной Азии демонстрируют многодекадную изменчивость, которая коррелирует с солнечными циклами, хотя сигнал часто затопляется парниковыми газами в последние десятилетия. Например, слабый индийский летний муссон 1970-х и 1980-х годов, возможно, частично находился под влиянием низкой солнечной активности в этот период.

Экстремальные погодные явления

Изменения в атмосферной циркуляции, обусловленные солнечной изменчивостью, могут изменить частоту и интенсивность экстремальных явлений:

  • Тепловые волны:] Положительные фазы NAO и более слабые полярные струйные потоки во время солнечных максимумов могут привести к стойким хребтам высокого давления, увеличивая риск тепловых волн летом.
  • Ураганы:] Солнечная модуляция теплосодержания океана и вертикального сдвига ветра влияет на формирование тропических циклонов.Некоторые исследования показывают, что частота атлантических ураганов увеличивается во время солнечных максимумов из-за снижения сдвига ветра над основным регионом развития.
  • Зимние бури: В солнечных минимумах более слабый стратосферный вихрь может привести к внезапным событиям потепления стратосферы, которые, в свою очередь, способствуют вспышкам холодного воздуха и сильным зимним штормам на востоке Соединенных Штатов и Европы.
  • Засуха: Устойчивое солнечное воздействие может способствовать долгосрочным засухам, таким как мегазасухи, наблюдаемые на юго-западе США в течение средневекового теплого периода, когда солнечная выработка была относительно высокой.

Исторические исследования: Солнечное воздействие в палеоклиматическом рекорде

Влияние солнечной радиации на климат наиболее четко видно на столетних и тысячелетних временных масштабах с использованием прокси-данных.

Малый ледниковый период (1300-1850)

Этот период показал три основных солнечных минимума (Волк, Шпорер, Маундер) и совпал с температурами ниже среднего в Северном полушарии. Реконструкции с использованием древесных колец, ледяных кернов и записей осадков показывают температурное снижение 0,5-1,0°C во всем мире, с большим охлаждением в Европе и Северной Атлантике. Продвижение альпийских ледников и замерзание Темзы в Лондоне хорошо документированы воздействия. В то время как извержения вулканов также способствовали, солнечное принуждение, как полагают, было значительным фактором, особенно во время минимума Маундера.

Средневековый теплый период (950-1250)

Совпадая со средневековым максимумом солнечной активности, в этот период в некоторых регионах, особенно в Северной Атлантике, наблюдались температуры, сопоставимые или более высокие, чем в конце 20-го века.Скандинавская колонизация Гренландии и повышение производительности сельского хозяйства в Европе часто связаны с этим теплом. Однако тепло не было глобально синхронным, что подчеркивает сложную региональность солнечного воздействия.

Голоценовая солнечная изменчивость

За последние 10 000 лет изменения солнечного излучения были реконструированы из космогенных изотопов, таких как углерод-14 и бериллий-10. Эти записи показывают периодичность ~90 (Глейсберг), ~200 (де Врис) и ~2400 лет (цикл Холлштатта). Сравнения с климатическими прокси предполагают, что более влажные и более теплые условия в северном полушарии часто выравниваются с солнечными максимумами, в то время как засушливые периоды соответствуют солнечным минимумам. Например, крах Аккадской империи (~2200 до н.э.) и коллапс майя (~900 н.э.) были связаны с длительными периодами засухи, которые могли быть под влиянием солнечных спадов.

Распутывание солнечного воздействия от антропогенного изменения климата

В современную эпоху тенденция потепления с середины 20-го века преобладает выбросами парниковых газов, но солнечное воздействие продолжает модулировать краткосрочную изменчивость. Поскольку чистое увеличение TSI с момента минимума Маундера составляет всего около 0,3 Вт / м2 (по сравнению с радиационным воздействием от CO2 более 3 Вт / м2 сегодня), солнечные изменения не могут объяснить недавнее глобальное потепление. Однако региональные и сезонные эффекты остаются важными.

Обнаружение и атрибуция исследований

Моделирование климатических моделей, которые включают как природные (солнечные, вулканические), так и антропогенные воздействия, воспроизводят наблюдаемые изменения температуры 20-го века намного лучше, чем те, которые имеют только естественные воздействия. Исследования обнаружения и атрибуции показывают, что отпечатки солнечного воздействия (например, стратосферные модели потепления) присутствуют, но перегружены сигналом парниковых газов на поверхности. Тем не менее, солнечное воздействие может составлять до 10% дисперсии глобальной средней температуры на десятилетних временных масштабах.

Последствия для чувствительности к климату

Оценки чувствительности климата — насколько повышается температура для удвоения CO2 — основаны на ответах на солнечное воздействие. В качестве ограничения используется отношение изменения температуры к радиационному воздействию солнечных циклов. Консенсус заключается в том, что равновесная чувствительность климата, вероятно, лежит между 2,5 ° C и 4 ° C на удвоение CO2, что согласуется с калибровками на основе солнечной энергии.

Современные исследовательские рубежи и источники данных

Современные наблюдательные сети и спутниковые миссии изменили нашу способность контролировать солнечное излучение и его воздействие на климат.

Ключевые спутниковые миссии

  • Эксперимент по солнечному излучению и климату (SORCE) (2003–2020): обеспечены измерения спектрального излучения высокого разрешения.
  • TSIS-1 (2018-настоящее время): Продолжает наследие SORCE с улучшенной точностью, охватывая УФ, видимое и ближнее ИК.
  • PICARD (2010–2014): Изучена форма Солнца и изменчивость излучения.
  • Эксперимент с бюджетом на земную радиацию (ERBE) и Облака и радиационная энергетическая система Земли (CERES) : Измерение потоков энергии в верхней части атмосферы, имеющих решающее значение для понимания радиационных дисбалансов.

Наземные сети

Базовая сеть поверхностного излучения (BSRN) обеспечивает высококачественные данные о поверхностном солнечном излучении на более чем 70 станциях по всему миру. AERONET измеряет оптометрическую глубину аэрозоля, на которую влияет фотохимия, индуцированная УФ. Эти сети помогают проверять спутниковые данные и улучшать модели радиационной передачи.

Будущие направления

  • Улучшение представлений солнечного спектрального излучения в климатических моделях.
  • Исследование роли обратной связи облаков, вызванных солнечной энергией, с использованием новых спутниковых данных.
  • Изучение системы Солнце-Земля как взаимосвязанного целого, включая возможное влияние галактических космических лучей на ядро облаков — спорный, но потенциально важный механизм.

Вывод: постоянная, но субординатная роль солнечного излучения

Солнечная радиация остается фундаментальным фактором изменчивости климата во всех временных масштабах. Ее влияние на температуру, осадки и экстремальные явления измеримо и научно значимо, особенно при рассмотрении региональных моделей и природных климатических колебаний. Однако в контексте прошлого века антропогенное воздействие парниковых газов стало доминирующим фактором. Понимание взаимодействий между солнечной и климатической средой имеет важное значение для улучшения сезонных и десятилетних климатических прогнозов, проверки климатических моделей и интерпретации палеоклиматических записей. По мере продвижения исследований, основанных на более совершенных спутниковых данных, более сложных моделях и более глубоких реконструкциях палеоклимата, наша способность отделять сигнал солнечной изменчивости от шума антропогенных изменений будет только расти, улучшая наше понимание постоянно развивающейся климатической системы планеты.

Для дальнейшего чтения см. Страница миссии NASA TSIS-1 , портал NOAA Climate.gov и IPCC Sixth Assessment Report (Working Group I) .