Инсоляционная контрастность и тенденции изменения глобальной температуры

04.11.2022 JeeesAdmin 2022-03 0

Валерий Михайлович Фёдоров [0000-0003-2305-7408]
Денис Максимович Фролов [0000-0002-0307-8175]
Екатерина Валерьевна Фёдорова [0000-0001-8054-2763]

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, 119991, Россия
E-mail: fedorov.msu@mail.ru


Аннотация. На основе выполненных расчетов инсоляции Земли определены изменения годового меридионального градиента инсоляции в период от 3000 г. до н.э. до 2999 г. Изменения меридионального градиента инсоляции связаны с изменением угла наклона оси вращения Земли. На основе регрессионной моде-ли показано, что тенденции изменения приповерхностной температуры воздуха и температуры поверхности океана (температурный режим глобального клима-та) на 69,3–84,1% определяются инсоляционной контрастностью. Инсоляцион-ная контрастность обобщенно (по областям источника и стока радиационного тепла) отражает многолетние изменения меридионального градиента инсоля-ции, регулирующего интенсивность меридионального переноса радиационного тепла в системе океан – атмосфера.


Ключевые слова: солнечная радиация, меридиональный перенос, инсо-ляционная контрастность, приповерхностная температура воздуха, тем-пература поверхности океана, регрессионная модель

Введение

    Солнечная радиация является основным источником энергии гидрометеорологических процессов. Вариации приходящей к Земле сол­неч­ной радиации в основном определяются двумя причинами, имею­щими различную физическую природу. Одной из причин является изменение активности в излучении Солнца. Другая причина связана с небесно-меха­ническими процессами, изменяющими элементы земной ор­би­ты и наклон оси вращения. Под солярным климатом Земли понимается рассчи­тываемое теоретически поступление и распреде­ле­ние солнечной радиации на верх­ней границе атмосферы (ВГА) или на поверхности Земли без учета атмо­сферы. При этом изменение активности Солнца не учитывается [1, 2].

В перераспределении радиационного тепла в природной системе Земли участвуют механизмы меридионального переноса тепла, теплообмена в системе океан – материк, связанного с реверсивной сезонной сменой областей холода и тепла, теплообмена в системе океан – атмосфера, межполушарный теплообмен и др. Важным фактором в регулировании термического режима Земли является состав атмосферы, определяющий роль парникового эффекта и ее изменение [2].

В XX веке отмечена тенденция повышения глобальной приповерхностной температуры воздуха и температуры поверхности океана (http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/temperature). Широко распространено мнение о том, что основной причиной изменения глобального климата является «парниковый» эффект, связанный, главным образом, с эмиссией парниковых газов, определяемой антропогенным фактором [3]. В то же время, не подвергается сомнению то, что солнечная радиация имеет важнейшее значение в генезисе глобального климата Земли, однако этот вопрос в геофизике исследован еще недостаточно. Целью работы является определение влияния многолетних изменений меридионального переноса радиационного тепла на тенденции изменения приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) и температуры поверхности океана (ТПО).

Методика расчетов инсоляции

    Инсоляция рассчитывалась с большим пространственным и времен­ным разрешением [4]. Расчеты выполнялись по данным высоко­точных астрономических эфемерид DE-406 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:

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(φ)dαdφ – площадь бесконечно малой трапеции – ячейки эллипсоида; α – часовой угол, φ – географическая широта, выраженные в радианах; Λ(φ,t,α) – 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 с учетом изменения его продолжительности [5]. Значение солнечной постоянной принималось равным 1361 Вт/м2 [6]. Изменение активности Солнца не учитывалось.

  1. Результаты и их обсуждение

Анализировались рассчитанные среднегодовые значения инсоляции Земли для 5-ти градусных широтных зон для периода от 3000 г. до н.э. до 2999 г. (рис. 1).

Вследствие пространственной неравномерности облучения Земли, связанный с формой планеты, возникает меридиональный градиент инсоляции (МГИ) [7, 8, 9, 10, 11, 12]. Традиционно, в физике атмосферы рассчитывается перенос энергии к северу и в северном полушарии перенос энергии имеет положительные значения, в южном полушарии отрицательные [7, 13, 14].

Однако, фактически лучистая энергия переносится из низкоширотной области, куда ее в среднем за год поступает больше (0°–45° широты), в высокоширотные районы (45°–90° широты), где годовая инсоляция меньше. МГИ представляет собой характеристику переноса лучистой энергии на ВГА. Годовой МГИ рассчитывался последовательным вычитанием среднегодовых значений инсоляции полученных для 5-ти градусных широтных зон. При этом из значений инсоляции южных зон вычитались значения соседних широтных зон, расположенных севернее. Делением полученных значений (в Дж) на среднюю продолжительность тропического года (31556921,5 с) получены значения изменения среднего за период от 3000 г. до н.э. до 2999 г. годового МГИ в Вт. Изменения МГИ за период от 3000 г. до н.э. до 2999 г. определялись вычитанием из модулей средних значений годового МГИ, полученных для последнего в массиве столетия (2900 – 2999 гг.) соответствующих (для широтных зон) модулей средних значений МГИ, рассчитанных для первого столетия (3000 г. до н. э. – 2901 г. до н.э.). Модули МГИ определялись для того, чтобы изменение в переносе лучистой энергии на ВГА было однозначно представлено в полушариях (рис. 2).

За период от 3000 года до н.э. до 2999 года н.э. отмечается увеличение годового МГИ в области между полярными кругами. Максимумы увеличения (на 2,61  1015 Вт или 1,25%) локализованы вблизи 65-й параллели в каждом полушарии. В заполярных областях перенос лучистой энергии (или МГИ) от полярных кругов к полюсам сокращается. Максимумы сокращения МГИ (на 3,3  1015 Вт или 2,56%) отмечаются вблизи географических полюсов. Таким образом, в каждом полушарии выделяются области увеличения (от экватора до полярного круга) и области уменьшения (от полярного круга до полюса) значений годового МГИ или переноса радиационного тепла. Известно, что перенос энергии в атмосфере связан с циркуляционными (ячейки Хэдли, Ферелля, полярные) и вихревыми процессами (циклоны) [14]. В изменении годового МГИ по широтам выделяются зоны его максимального увеличения (зоны «неустойчивости»), которые совпадают с районами (60°–70° широты) максимального развития внетропических циклонов (циклогенеза) в полушариях или субполярными зонами низкого давления [13, 14, 15]. Область увеличения годового МГИ совпадает с пространственной локализацией циркуляционных ячеек Хэдли и Ферреля в каждом полушарии. Сокращения годового МГИ отмечается в областях развития полярных ячеек. Следовательно, за период от 3000 года до н.э. до 2999 года н.э. годовая интенсивность циркуляционных процессов в ячейках Хэдли и Ферреля возрастает, а в полярных ячейках снижается и усиливается частота и интенсивность внетропических циклонов. С вихревым переносом энергии, в основном, связан меридиональный перенос тепла в атмосфере [13, 14].

Полученное среднее для широтных зон за период от 3000 года до н.э. до 2999 года н.э. меридиональное распределение годового МГИ сравнивалось с меридиональным распределением среднего годового переноса энергии в системе океан – атмосфера приведенным в работах Лоренца [13], Пальмена и Ньютона [14]. Численные значения переноса энергии в системе океан – атмосфера в работах [13] в среднем в 6–7 раз, превосходят значения МГИ, что связано с участием в переносе энергии (радиационного тепла) в системе океан – атмосфера водных и воздушных масс (рис. 3). В других работах значения переноса энергии приблизительно в 3–5 раз превышают значения годового МГИ [16, 17].

Коэффициент корреляции между значениями среднего годового МГИ и значениями переноса энергии в системе океан – атмосфера составил 0,98 (линейная связь). Эта связь выражается уравнением, которое приведено на рис. 4.

Поскольку перенос энергии в системе океан – атмосфера определяется МГИ (обратное невозможно), то и полученные для него особенности могут проявляться и в системе океан – атмосфера (возрастание или ослабление интенсивности циркуляции в ячейках общей циркуляции атмосферы, интенсивность меридионального вихревого переноса энергии и климатическая изменчивость). Отмечаемые для современной эпохи особенности изменения МГИ связаны с усилением меридиональной контрастности в облучении Земли. Усиление меридиональной контрастности определяются уменьшением угла наклона оси вращения Земли [1, 10].

Из полученных результатов следует, что в связи с отмеченными особенностями в изменении годового МГИ будет возрастать и интенсивность вихревого переноса энергии в атмосфере. То есть будет происходить усиление меридионального переноса радиационного тепла в системе океан – атмосфера. При этом усиление годового переноса тепла, в основном, будет определяться внетропическими циклонами. Кроме того отмечается усиление циркуляционных процессов в ячейках общей циркуляции атмосферы Хэдли и Ферреля и снижение годовой интенсивности циркуляционных процессов в полярных ячейках.

Полученные изменения в переносе энергии на ВГА, вероятно, следует учитывать в системе уравнений гидротермодинамики (уравнения законов сохранения массы, импульса, энергии и состояния газа) для атмосферы, используемой при численных экспериментах в физико-математических моделях климата. Используемые в моделях общей циркуляции атмосферы (МОЦА) и океана (МОЦО) уравнения гидротермодинамики включают среднее значение годового переноса энергии (тепла) в системе океан – атмосфера и не учитывают отмеченных многолетних изменений годового МГИ [10, 18].

В результате корреляционного анализа определена связь многолетних изменений аномалии приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) и температуры поверхности океана (ТПО) с многолетними изменениями годовой инсоляционной контрастности (ИК). Для полушарий ИК рассчитывалась как разность солнечной радиации приходящей в широтную область 0°–45° (источник тепла) и 45°–90° (стока тепла) за год. Для Земли в качестве ИК принималось среднее годовое значение ИК, полученное для полушарий. ИК рассчитывалась по полученным нами значениям инсоляции Земли. Годовая ИК, таким образом, обоб­ще­нно (по областям источника и стока тепла) отражает изменение годового МГИ. Многолетние изменения ИК (рис. 5) определяются изменением угла наклона оси вращения Земли в результате прецессии и нутации (коэф­фициент корреляции составляет -0,998).

Изменения ПТВ и ТПО Земли и полушарий (данные университета Восточной Англии и метеобюро Хэдли) в основном учитываются трен­дами. Значения коэффициента детерминации составляют от 0,693 до 0,862 (тренды – полиномы второй степени). Следовательно, чтобы объяс­нить тенденции многолетних изменений глобальной температуры следует опре­делить фактор, определяющий тренды в исходных рядах ПТВ и ТПО. Анализ показывает, что многолетние изменения ПТВ и ТПО Земли (Мирового океана) и полу­шарий характеризуются тесными положительными корреляцион­ны­ми свя­зя­ми с многолетними изменениями годовой ИК и отрицательными с много­летними изменениями угла наклона оси. Выполненные, по уравне­нию ре­грес­сии (по ансамблю линейных и полиномиальных решений) расчеты показали, что многолетние изменения ПТВ и ТПО в основном связаны с многолетними изменениями годовой инсоляционной контрастности (таблица 1).

Примечание: КМО – климатическая мультидекадная осцилляция с перио­дом около 60 лет (в Северной Атлантике известная как АМО – Atlantic multidecadal oscillation).

Выводы

Определены естественные причины тенденций изменения температурного режима со­вре­менного глобального климата. Современное глобальное потепление климата и усиление его неустойчивости, в основном, определяется астрономическими и геофизическими факторами, основным из которых является уменьшение наклона оси вращения Земли. Следствием уменьшения наклона оси является усиление меридионального переноса радиационного тепла вихревыми образованиями (внетропическими циклонами) и циркуляционными процессами в ячейках (Хэдли и Ферреля) общей циркуляции атмосферы. Тенденции изменения приповерхностной температуры воздуха и температуры поверхности океана на 69,3–84,1% определяются инсоляционной контрастностью, которая обобщенно (по областям источника и стока радиационного тепла) отражает многолетние изменения годового МГИ, регулирующего меридиональный перенос радиационного тепла в системе океан – атмосфера.

Полученные результаты могут учитываться в уравнении переноса энергии при физико-математическом моделировании климата и прогнозе его изменений в будущем.

Благодарность. Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова «Эволюция, современное состояние и прогноз развития береговой зоны Российской Арктики» (121051100167-1), «Опасность и риск природных процессов и явлений» (121051300175-4), «Эволюция криосферы при изменении климата и антропогенном воздействии» (121051100164-0).

Литература

  1. Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. М.–Л.: ГОНТИ, 208 с.1939.
  2. Monin A. S., Shishkov Yu. A. Climate as a problem of physics // Physics–Uspekhi. V. 43. № 4. Pp. 381–406. 2000. DOI: 10.1070/PU2000v043n04ABEH000678.
  3. http://www.ipcc.ch/ – Электронный ресурс Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, IPCC). Дата обращения 22.02.22.
  4. Fedorov V.M., Kostin A.A. The Calculation of the Earth`s insolation for the 3000 BC — AD 2999 // Springer Geology, 2020.. V. I. Pp. 181–192. 2020. DOI: 10.1007/978-3-030-38177-6_20
  5. Федоров В.М. Астрономическая климатология. М.: Московский университет, 2002. 236 с.
  6. Kopp G., Lean J. A new lower value of total solar irradiance: Evidence and climate significance // Geophysical Research Letters.. V. 37. L01706. 2011. DOI: 10.1029/2010GL045777.
  7. Федоров В.М. Проблема меридионального переноса тепла в астрономической теории климата // Геофизические процессы и биосфера, 2019. Т. 18. № 3. С. 117–128. DOI:10.21455/GPB2019.3-8
  8. Cionco R. G., Soon W. W.-H., Quaranta N. E. On the calculation of latitudinal insolation gradients throughout the Holocene // Advances in Space Research. V. 66. Pp. 720–742. 2020. DOI: 10.1016/j.asr.2020.04.030
  9. Davis B. A. S. and Brewer S. Orbital forcing and role of the latitudinal insolation/temperature gradient // Climate Dynamics. V. 32. Pp. 143–65. 2009.
  10. Fedorov V.M. Variations of the earth`s insolation and especially their integration in physical and mathematical models of the climate // Physics Uspekhi. V. 62. № 1. Pp. 32–45. 2019. DOI: 10.3367/UFNe.2017.12.038267.
  11. Fedorov V.M. Features of the Earth’s Solar Climate Changes in the Present Epoch // Geomagnetism and Aeronomy. V. 60. № 7. Pp. 993–998. 2020. DOI: 10.1134/S0016793220070117.
  12. Soon W. and Legates D. R. Solar irradiance modulation of Equator-to-Pole (Arctic) temperature gradients: Empirical evidence for climate variation on multi-decadal timescales // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. V. 93. Pp. 45–56. 2013.
  13. Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 260 с.
  14. Пальмен Э. Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Л.: Гидро¬метео-издат, 616 с. 1973.
  15. Погосян Х. Циклоны. Л.: Гидрометеоиздат, 148 c. 1976.
  16. Peixoto J.P., Oort A.H. Physics of climate // Rev. Modern Phys. Vol. 56, № 3. Pp. 365–429. 1984.
  17. Trenberth K.E., Caron J.M., 2001. Estimates of meridional atmosphere and ocean heat transports. American Meteorological Society. Vol. 14. Pp. 3334–3343. 2001
  18. http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/temperature – Электронный ресурс университета Восточной Англии и метеобюро Хэдли. Дата обращения 22.09.22.