Диссертация (1145308), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Как указывалось выше, передача возмущения от Солнца в атмосферу можетосуществляться за счет ряда космофизических агентов, с каждым из которых связан один (илинесколько) физических механизмов.1.2.1. Вариации интегральной интенсивности солнечного излученияПрежде следует отметить механизм непосредственного нагрева атмосферы за счетвариаций интегральной интенсивности солнечного излучения. Как известно, солнечнаярадиация, приходящая к Земле, является основным и практически единственным источникомэнергии для атмосферной циркуляции (напр., [Матвеев, 2000]).
Полный поток солнечнойлучистой энергии, приходящий на единичную площадку, ориентированную перпендикулярно21солнечным лучам за пределами земной атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца,называется “солнечной постоянной” S 0 (или Total Solar Irradiance – TSI):S 0 = S / 4πr 2 ,(1.1)где S − энергетическая светимость Солнца, r - среднее расстояние от Земли до Солнца(149597890 км). Солнечная постоянная, согласно современным спутниковым данным,составляет ~1366 Вт·м−2.Тем не менее, как показывают спутниковые наблюдения, ведущиеся с конца 1970-х гг.,интегральный поток солнечной радиации в действительности не остается постоянным, аобнаруживает четко выраженную 11-летнюю вариацию, связанную с вариациями активностиСолнца [Wilson and Hudson, 1988; Fröhlich and Lean, 1998; Fröhlich, 2006, 2009].
Величина TSIувеличивается в максимуме солнечной активности примерно на ~1 Вт·м−2 по сравнению сминимумом, т.е. примерно на 0.1% (напр., [Fröhlich, 2006]). На рис.1.1 показан временной ходTSI, построенный по данным наблюдений различных спутников в работе [Fröhlich, 2009]. Каквидно из рис.1.1, солнечная постоянная обнаруживает довольно значительные вариации навременной шкале порядка нескольких суток (от ~1362 до ~1368 Вт·м−2) и относительнонебольшую 11-летнюю вариацию. В последнем минимуме (23/24 цикл) значения TSI на 0.22Вт·м−2 ниже, чем в предыдущем, что, по мнению автора, указывает на возможностьдолговременного тренда.Рис.1.1.
Временной ход солнечной постоянной (TSI) по данным различных спутников(показаны линиями разных цветов) согласно реконструкции PMOD (Physikalisch‐Meteorologisches Observatorium Davos), приведенный в работе [Fröhlich, 2009].Причиной наблюдаемых флуктуаций солнечной постоянной являются изменения общейсветимости Солнца, обусловленные развитием темных солнечных пятен и ярких фотосферных22факелов. Солнечные пятна обладают пониженной светимостью (температура составляет 4200ºКв центральной части тени пятна и 5700ºК в оружающей полутени, что существенно нижетемпературы 6050ºК невозмущенной фотосферы).
Понижение температуры в области пятнаобусловлено увеличением локального магнитного поля (до 4000 Гс), препятствующимконвективому переносу энергии к поверхности фотосферы. Согласно [Hudson et al., 1982],присутствие на диске Солнца темных солнечных пятен может уменьшить интенсивностьсолнечной радиации на несколько десятых долей процента. Пятна обычно окружены яркимиучастками – факелами, которые горячее фотосферы на несколько сот градусов и являютсяобластями повышенной светимости. Факелы являются более долгоживущими образованиями,чем пятна (время жизни пятна составляет от нескольких дней до нескольких недель), причемсуммарная площадь факелов значительно увеличивается вблизи максимума солнечнойактивности (в годы максимумов факелы могут занимать ~10% поверхности Солнца).
Такимобразом, в среднем увеличение светимости в связи с увеличением площади факеловоказывается больше (примерно в 2 раза), чем понижение светимости, связанное с ростом числасолнечных пятен [Foukal and Lean, 1988; Foukal et al., 1991]. Это приводит к тому, чтоинтегральная светимость Солнца вблизи максимума активности оказывается несколько выше,чем в минимуме. Тем не менее, в отдельные периоды эффекты пятен могут доминировать, чтоприводит к кратковременным понижениям светимости Солнца до 1362−1363 Вт·м−2 (рис.1.1).Это происходит, когда группа пятен находится в центре солнечного диска, при этом их видимаяплощадь достигает максимума, а светимость Солнца, соответственно, минимума. Окружающиепятна факелы, наоборот, имеют минимальную яркость в центре диска.
Яркость факеловвозрастает по мере приближения к лимбу. Часть факелов остается видимой, даже после того,как группа пятен ушла за край солнечного диска, поэтому в данный момент солнечная радиациядостигает максимума [Wilson et al., 1981].Изменения TSI, наблюдаемые в 11-летнем солнечном цикле(≤ 0.1%), недостаточны,чтобы существенно повлиять на процессы в нижней атмосфере и изменение тропосферныххарактеристик на десятилетней временной шкале.
Согласно оценкам Вигли и Рейпера [Wigleyand Raper, 1990], сделанным на основе моделей, учитывающих взаимодействие атмосферы иокеана, изменение глобальной температуры за счет изменений солнечной постоянной навеличину ~1 Вт·м−2, соизмеримую с 11-летними вариациями, составляет всего 0.05ºС. Тем неменее, изменения TSI, обусловенные вековыми вариациями солнечной активности, могутоказаться более значимыми для земной климатической системы. В работе Локвуда и Стемпера[Lockwood and Stamper, 1999] было показано, что увеличение коронального магнитного потоказа период 1901-1995 гг. соответствует возрастанию солнечной постоянной на величину ∆S 023=1.65±0.23 Вт·м−2. Полученное значение ∆S 0 , в свою очередь, способствует увеличениюрадиационного форсинга на верхней границе атмосферы (1 − α )∆S 0 / 4 = 0.29 ± 0.04 Вт·м−2, гдеα=0.3 − альбедо Земли.
С учетом того, что по оценкам IPCC (Intergovernmental Panel on ClimateChange) парниковый эффект антропогенного углекислого газа CO2 составляет 1.68 Вт·м−2[IPCC, 2013], изменения солнечной постоянной в связи вековыми вариациями солнечнойактивности могут играть заметную роль в глобальных изменениях климата. Авторы работы[Lockwood and Stamper, 1999] делают вывод, что вариации солнечной светимости могутобъяснить 52% роста глобальной температуры ∆T0 за период 1910-1960 гг.
и 31% быстрогороста ∆T0 за период с 1970-х по конец 1990-х гг.Действительно, согласно результатам Лин и соавторов [Lean et al., 1995], имеет местодостаточновысокаякорреляциямеждувариациямисолнечнойпостоянной,реконструированной для периода с 1610 года до конца 1990-х гг. (т.е. включая Маундеровскийминимум солнечной активности) на основе параметризации эффектов темных солнечных пятени ярких фотосферных факелов, и аномалиями температуры в северном полушарии.Коэффициент корреляции между указанными величинами, осредненными по 10-летниминтервалам, составляет 0.86 в доиндустриальную эпоху 1610-1800 гг.
и 0.75 для последующегопериода. По мнению авторов, влияние солнечной активности могло обусловить вклад ~50% вувеличение температуры, наблюдаемое с 1860 года до конца 1990-х гг., и ~30% − в увеличениетемпературы с 1970 года.Таким образом, климатические изменения на вековой и более длительных временныхшкалах могут быть связаны с изменениями прихода солнечной радиации, обусловленнымидолговременными вариациями солнечной активности. Также следует отметить, что увеличениесолнечной постоянной может быть одним из естественных факторов, способствующих ростуглобальной температуры в ХХ-м веке.1.2.2. Вариации потока солнечного излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн иозонный механизмВажным физическим агентом, способным обеспечить связь между вариациями солнечнойактивности и состоянием атмосферы, является изменение потока солнечной радиации вультрафиолетовой (УФ) области спектра (10−390 нм).
УФ радиация дает сравнительнонебольшой вклад в интегральный поток приходящей солнечной энергии (напр., в диапазонедлин волн 200−300 нм доля УФ радиации составляет~1.2% [Lean, 1989]). Но при этоминтенсивность УФ излучения Солнца обнаруживает значительные вариации как в 11-летнемсолнечном цикле, так и на более коротких временных шкалах. Если амплитуда вариации TSI в2411-летнем цикле составляет менее 0.1% (раздел 1.2.1), то для УФ излучения амплитудавариаций существенно больше.
Спектр излучения Солнца, а также изменчивость потокасолнечного излучения в 11-летнем цикле солнечной активности в зависимости от длины волныпредставлены на рис.1.2 согласно данным работы [Lean, 1991]. Видно, что в максимумесолнечного цикла потоки УФ радиации в диапазоне 10−100 нм увеличиваются в 2 раза посравнению с минимумом.Рис.1.2. а) Спектр излучения Солнца для условий типичного солнечного минимума. Штриховойлинией показан спектр излучения абсолютно черного тела при температуре 5770ºК.б) Вариации солнечного излучен ия в 11-летнем цикле солнечной активности в зависимости отдлины волны (по данным работы [Lean, 1991]).Следует отметить, что существуют трудности точной оценки изменчивости солнечнойрадиации в УФ диапазоне, что связано с использованием различной спутниковой аппаратуры втечение длительного периода наблюдений, а также со снижением точности измерений из-запостепенного изменения (дрейфа) характеристик измерительных приборов [Александров и др.,1992, Криволуцкий и Репнев, 2009].
Первые данные об изменении потока УФ радиации в 11летнем цикле были получены Хитом и Текаекарой на основе ракетных и спутниковыхизмерений в 1964-1976 гг. [Heath, 1973; Heath and Thekaekara, 1977]. В работе [Heath and25Thekaekara, 1977] авторы пришли к выводу, что поток излучения на длине волны λ=175 нм вмаксимуме солнечной активности примерно в 2.5 раза больше, чем в минимуме, тогда как на300 нм этот эффект составляет ~18%. Более поздние исследования показали, что 11-летниевариации ультрафиолетового излучения существенно меньше. Изменения потока УФ радиациив 21-м цикле солнечной активности по данным спутниковых наблюдений Nimbus-7 и SME(Solar Mesosphere Explorer) составили ~10% для λ=200 нм, ~5% для λ=250 нм и менее 1% дляλ>300 нм, тогда как в линии Lα (121.6 нм) поток УФ радиации увеличивался примерно в 2 раза[Lean, 1989].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
