Глава 3. Солярный климат Земли. Пространственные и временные изменения инсоляции

3.1. Оценка полученных инсоляционных данных

3.4. Анализ составляющих различной физической природы в межгодовых изменениях инсоляции

3.5. Изменение переноса лучистой энергии на ВГА

***

3.1. Оценка полученных инсоляционных данных

Для исследований пространственных и временных изменений инсоляции Земли (ее солярного климата) использовались массивы данных, размещенные на электронном ресурсе автора «Солнечная радиация и климат Земли» [297]. Для оценки надежности и достоверности исходных для анализа солярного климата данных проводилось их сравнение (табл. 3.1–3.3) с результатами расчетов, приведенными в работах М. Миланковича и А.С. Монина [114, 118]. Также проводилось сравнение рассчитанных данных со значениями солнечной радиации, полученными в результате актинометрических наблюдений и приводимыми для отдельных широтных зон в работах по климатологии [46, 204].

Таблица 3.1

Количество радиации,
поступающей на верхнюю границу атмосферы, МДж/м2 [114]

Таблица 3.2

Средние значения инсоляции, МДж/м2 [118]

Таблица 3.3

Суммарное количество радиации, поступающей на земную поверхность
(без учета атмосферы), МДж/м2 [177]

Из представленных (табл. 3.1–3.3) результатов следует, что в целом рассчитанные разными авторами средние для полугодий и года величины приходящей солнечной радиации характеризуются сходными значениями. Среднее значение приходящей к Земле за сутки солнечной радиации по данным, приведенным у Миланковича, оказалось равным 26,455 МДж/м2, по данным Монина – 25,801 МДж/м2, по нашим данным – 25,953 МДж/м2 [297]. Близкими оказываются и отношения средних суммарных величин поступающей солнечной радиации в зимнее и летнее полугодие. По результатам расчетов М. Миланковича, это отношение составило 0,466 (т.к. в этом случае принимается энергетическая эквивалентность полушарий, то значение относится к каждому из них). Результаты А.С. Монина и автора приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Средние значения солнечной радиации (МДж/м2),
приходящей в северное и южное полушарие
(в зимнее и летнее для полушарий полугодия) и их отношение

Таким образом, отмечается достаточно хорошая согласованность между рассчитанными М. Миланковичем, А.С. Мониным и нами средними значениями приходящей солнечной радиации. Расчеты, выполненные А.С. Мониным, охватывают более длительный период (миллион лет в прошлое и в будущее), чем у нас (5999 лет), вероятно, поэтому данные в табл. 3.4 несколько различаются. Кроме того, шаг при интегрировании в расчетах, выполненных А.С. Мониным, составлял 5 000 лет, в нашем случае – приблизительно 1 сутки. Также при расчетах использовались различные значения солнечной постоянной.

Полученные нами значения радиации для различных широтных зон и астрономических сезонов также хорошо согласуются с данными, приводимыми в работах по климатологии [46, 204]. Известно, что годовой приход солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы Земли (на диск Земли) составляет 5,49×1024 Дж. [1, 46, 204]. В анализируемом массиве эти значения составили 5,49×1024 Дж. Отмеченная согласованность средних значений приходящей радиации позволяет считать полученные в результате расчетов данные вполне корректными для последующего анализа пространственных и временных изменений солярного климата Земли в интервале от 3000 лет до н.э. до 2999 лет н.э.

Важно отметить, что инсоляция в годовом ходе определяется двумя основными факторами: расстоянием от Земли до Солнца и углом наклона оси вращения Земли. Известно, что изменение инсоляции в связи с движением Земли по эллиптической орбите от афелия к перигелию составляет около 7% [3]. Как следует из табл. 3.4. сезонные изменения инсоляции, определяемые наклоном оси вращения Земли существенно больше. Инсоляция полушарий в зимнее полугодие составляет около 46% от инсоляции в летнее полугодие.

3.2. Низкочастотные вариации инсоляции

Результаты показывают [297], что среднегодовое поступление солнечной энергии 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 0,00536%). Эта медленная тенденция сокращения инсоляции (рис. 3.1) определяется вековыми изменениями эксцентриситета земной орбиты [114, 324].

Рис. 3.1. Изменения инсоляции Земли в интервале
с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э.

При общем малом сокращении приходящей к земному эллипсоиду за тропический год солнечной энергии в районах ниже 45° широты каждого полушария проявляется более заметная тенденция к увеличению, а выше 45° – к сокращению инсоляции (рис. 3.2).

Рис. 3.2. 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. 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. Следовательно, одна из тенденций в изменении приходящей от Солнца энергии в современную эпоху – усиление широтной контрастности (увеличение межширотного градиента) инсоляции [166, 177, 262]. Этот эффект проявляется как в общей приходящей на единицу площади земного эллипсоида солнечной радиации, так и в интенсивности ее поступления.

Анализировались также рассчитанные значения инсоляции Земли в зимнее и летнее полугодие (рис. 3.3, 3.4). Вековые изменения оценивались разностью значений приходящей солнечной энергии (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 (рис. 3.3) увеличение приходящей на земной эллипсоид солнечной энергии отмечается в зоне 5°–10° с.ш. и области, расположенной южнее. Максимальное увеличение отмечается в широтной зоне 45°–50° ю.ш., где оно составляет 5,41Е+07 Дж/м2 или 2,038% от среднегодового значения солнечной энергии, 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 отмечается в зоне 85°–90° с.ш. – 1,56Е+08 Дж/м2, или 2,83% от среднегодового значения приходящей в эту зону солнечной энергии. 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 (0,00554%). 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 в работе бельгийских исследователей [231].

$C:\Users\Scorpio\Documents\НИГМАТУЛИН\РИСУНКИ\r1_c.jpg$

Рис. 3.3. Широтное изменение инсоляции Земли в интервале
с 3000 г. до н.э. по 2999 г.
в летнее (а) и зимнее (б) полугодие (для северного полушария).

$C:\Users\Scorpio\Documents\НИГМАТУЛИН\РИСУНКИ\r2_c.jpg$

Рис. 3.4. Широтное изменение инсоляции Земли в %
(3000 г. до н.э. – 2999 г. н.э.) в зимнее (1) и летнее (2) полугодие
(для северного полушария).

В зимнее для северного полушария полугодие (рис. 3.3) 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 (0,00519%). Таким образом, в зимние для полушарий полугодия отмечается увеличение приходящей от Солнца энергии, а в летние полугодия – сокращение (рис. 3.3, 3.4). Сезонные различия в приходящей на земной эллипсоид солнечной энергии, следовательно, сглаживаются [166, 177, 262].

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 (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Тенденция изменения угла наклона оси вращения Земли

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 [114, 120, 324].

Анализ изменения инсоляции в годовом ходе показывает, что вековая тенденция в инсоляции характеризуется максимальным сокращением в периоды года, близкие к солнцестояниям, и минимальным сокращением в периоды, близкие к равноденствиям (рис. 3.6).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\ГЛАВА_2\Ris_5.jpg$

Рис. 3.6. Годовой ход изменения инсоляции Земли (Дж/м2)
за период с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. с шагом в 1/12 часть тропического года
(начало соответствует точке весеннего равноденствия).
График аппроксимирован полиномом 6-й степени

Напомним, что геоцентрическая долгота Солнца это угол между направлением из центра Земли на точку весеннего равноденствия и Солнце. Точки весеннего и осеннего равноденствия – точки пересечения плоскости земной орбиты (эклиптики) с плоскостью небесного экватора [11, 161].

Годовое поступление солнечной радиации, наоборот, имеет максимальные значения вблизи периодов солнцестояния, а минимальные приходятся на периоды равноденствия (рис. 3.7).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\ГЛАВА_2\Ris_6.jpg$

Рис. 3.7. Годовой ход приходящей солнечной радиации (без учета атмосферы) с шагом в 1/12 часть тропического года к Земле в 2016 (Дж/м2). Календарному году соответствует начало тропического года (весеннее равноденствие). График аппроксимирован полиномом 6-й степени.

Сокращение инсоляции в годовом ходе за 5999 лет составляет от 0,1% в 1-й, 6-й. 7-й и 12-й астрономические месяцы, до 0,54% в 3-й, 4-й, 9-й и 10-й астрономические месяцы (рис. 3.8)

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\ГЛАВА_2\Ri7_bw.jpg$

Рис. 3.8. Годовой ход сокращения инсоляции Земли (%)
за период с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э.

Таким образом, годовой приход солнечной радиации (рис. 3.7) имеет обратную направленность по отношению к годовому ходу векового сокращения солнечной радиации (рис. 3.6, 3.8). Иными словами, на исследуемом интервале вековая изменчивость приходящей радиации (3000 г. до н.э. – 2999 г. н.э.) и приходящей за год солнечной радиации находятся в противофазе.

Отмеченное противофазное распределение проявляется, во-первых, в том, что в летних полушариях приходящая радиация сокращается, а в зимних – увеличивается. В годовом же поступлении максимальные значения приходятся на летние полушария, а минимальные – на зимние. Во-вторых, максимальные сокращения в вековой изменчивости приходятся на равноденствия, а минимальные – на солнцестояния. В годовом приходе радиации, наоборот, для равноденствий отмечается максимальное поступление радиации, а для солнцестояний – минимальное. Это свидетельствует о сглаживании различий между полугодиями в обеспеченности солнечной радиацией. Этот вывод подтверждается сравнением рис. 3.9 и рис. 3.10. Числовые значения изменения инсоляции за период с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. приведены в табл. 3.5.

Рис. 3.9. Пространственно-временное распределение поступающей
на земную поверхность солнечной радиации (без учета атмосферы)
в 2016 тропическом году

Рис. 3.10. Пространственно-временная изменчивость инсоляции Земли (без учета атмосферы) на интервале с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э.

Таблица 3.5.

Числовые значения распределения разности инсоляции (Дж/м2) в 2999 г. н.э. и 3000 г. до н.э. (без учета атмосферы) для соответствующих географических широтных зон и астрономических сезонов (с разрешением в 1/3 сезона, приблизительно календарный месяц). Заливкой выделены положительные значения (увеличение инсоляции)

Табл. 3.5а

Северное полушарие в летнее полугодие

Табл. 3.5б

Южное полушарие в зимнее (в этом полушарии) полугодие

Табл. 3.5в

Северное полушарие в зимнее полугодие

Табл. 3.5г

г. Южное полушарие в летнее (в этом полушарии) полугодие

На основе анализа полученных результатов расчета инсоляции [297] выделяются следующие особенности в вековой тенденции изменения приходящей солнечной радиации (рис. 3.10, табл. 3.5).

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 значения первого и последнего столетия в массиве) по полушариям составляет 3,89Е+07 Дж/м2 (0,57%), а в зимнее – увеличение (по средним значения первого и последнего столетия в массиве) составляет 3,83Е+07 Дж/м2 (0,96%).
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 сезона в каждом полушарии. Максимальное увеличение приходящей радиации отмечается в широтном диапазоне, расположенном между 35 и 50 широты в обоих полушариях.
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 сезона в каждом полушарии. Сокращение в отмеченные сезоны последовательно увеличивается с увеличением широты.
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 месяцев осени и двух первых зимних месяцев (двух первых третей сезона) широтные зоны от 80° до 90° широты в каждом полушарии солнечной радиации не получают вовсе. В последнюю треть осени и первую треть зимы приход солнечной радиации также равен нулю в зонах от 70° до 80° широты в каждом полушарии.
Выделяется приэкваториальная зона от 5° ю.ш. до 5° с.ш., для которой на всем исследуемом интервале характерно увеличение приходящей радиации в течение всего года. Эта область расширяется до 10° широты во 2-й и 3-й месяцы весны и первые две трети лета каждого полушария, и до широты 15° в последнюю треть весеннего сезона и первую треть летнего сезона в каждом полушарии [166, 177, 182, 262, 297].
3.3. Высокочастотные вариации инсоляции

Причиной высокочастотных вариаций инсоляции являются периодические возмущения элементов Земной орбиты Луной и планетами Солнечной системы. Эти возмущения не учитывались в расчетах, основанных на вековых изменениях эксцентриситета, долготы перигелия и наклона оси вращения Земли [114, 120, 207–209, 225–227, 237, 359].

На фоне вековой тенденции сокращения приходящей от Солнца энергии отмечаются осложняющие ее 19-ти летние вариации (рис. 3.11). Эта периодичность в инсоляции Земли (18,6 лет) отмечается и нашими предшественниками, выполнявшими расчеты в диапазоне высокочастотных вариаций инсоляции [151, 231, 233, 234, 322]. Отметим, что высокочастотные вариации инсоляции Земли рассматриваются нами в работе в значениях, кратных периоду обращения Земли вокруг Солнца – т.е. кратных одному году [166, 297]. Именно с этим годовым периодом связано главное колебание в климатической системе Земли.

Рис. 3.11. Многолетняя изменчивость инсоляции Земли
в интервале с 1900 по 2050 гг.

При определении пространственной структуры 19-ти летней вариации для упрощения анализировались разности поступающей от Солнца энергии в 10-й и 1-й год десятилетий для соответствующих широтных зон. В действительности же фазы 19-ти летнего цикла характеризуются продолжительностью 8 и 11 лет [170, 177, 185, 186, 188, 258–260, 262, 263]. Анализ показывает закономерные изменения в пространственной структуре инсоляции Земли в различных фазах 19-ти летнего цикла. Для одной фазы цикла характерно сокращение поступающей лучистой энергии в полярные районы и увеличение ее в экваториальной области. В другую половину цикла отмечается обратная картина – сокращение приходящей энергии в экваториальной области и ее увеличение в полярных районах (рис. 3.12). Отмеченный характер распределения связан с нутацией. Лунная орбита медленно вращается и, за 18,61 года совершает полный оборот, возвращаясь в исходное положение (т.е. Луна будет пересекать эклиптику в той же точке, через 18,61 года). С этим периодом и связано явление нутации (изменение наклона оси вращения Земли), поэтому его называют нутационным периодом [17, 23, 50, 100, 102, 123, 163, 181, 252].

$C:\Users\Scorpio\Documents\НИГМАТУЛИН\РИСУНКИ\R13_c.jpg$

Рис. 3.12. Широтная изменчивость инсоляции Земли в 19-ти летнем цикле
(1 – в фазу 2000–2009 гг., 2 – в фазу 2010–2019 гг.)

При этом одна фаза 19-ти летнего нутационного цикла усиливает отмеченную для вековой изменчивости тенденцию увеличения широтной контрастности в инсоляции, другая фаза ослабляет ее.

Смена знака в 19-ти летней изменчивости связана с широтным диапазоном от 35° до 65° в каждом полушарии. При этом в различные фазы цикла протяженность широтных зон сокращения и увеличения приходящей лучистой энергии в полушариях может существенно отличаться. Анализ массива рассчитанных величин показывает, что знаки изменения солнечной энергии, приходящей в полярные районы и экваториальную область, как правило, противоположные. Однако, имеются случаи, для которых, например, сокращение инсоляции отмечается для всех широтных зон Земли (фазы 1880–1889 гг. и 1910–1919 гг.). На период с 2000 по 2009 гг. приходится фаза 19-ти летнего цикла, для которой характерно увеличение приходящей солнечной энергии в полярных районах и сокращение в обширной области, охватывающей широтный диапазон от 70° ю.ш. до 65° с. ш. (рис. 3.12). С текущим десятилетием связана фаза, в течение которой происходит сокращение инсоляции в полярных областях и увеличение в экваториальной области. При этом, полярная область, для которой в этой фазе отмечается сокращение инсоляции, в северном полушарии более обширная, чем в южном. Максимум увеличения инсоляции также смещен от экватора в южное полушарие. Таким образом, в текущей фазе цикла отмечается пространственная асимметрия в поступающей к Земле лучистой энергии. Средняя амплитуда 19-ти летней изменчивости в южной полярной области (85°–90° ю.ш.) составляет 0,00374% (2,06936Е+05 Дж/м2), в северной полярной области (85°–90° с.ш.) – 0,00369% (2,04554Е+05 Дж/м2) от средней величины энергии, приходящей за год в соответствующие широтные зоны земного эллипсоида. Размах колебания интенсивности приходящей солнечной радиации в полярных зонах составляет около 0,03 Вт/м2.

Таким образом, по результатам расчетов определяется широтный эффект 19-ти летней вариации в инсоляции Земли. Эффект проявляется в последовательной смене знака приходящей к Земле лучистой энергии от одной фазы цикла к другой в полярных районах и экваториальной области (рис. 3.12). Этот эффект связан с нутационным изменением наклона оси вращения с периодом около 19-ти лет, а его физическая природа аналогична отмеченному для вековой изменчивости эффекту, связанному с прецессией. При уменьшении угла наклона оси вращения (относительно перпендикуляра к плоскости эклиптики) в экваториальной области отмечается увеличение приходящей радиации, а в полярных районах – сокращение. При увеличении угла наклона наблюдается обратная картина.

С меньшими значениями средней амплитуды в приходящей от Солнца энергии проявляется межгодовая изменчивость (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Широтное распределение средней амплитуды
межгодовой изменчивости приходящей солнечной радиации, Дж/м2

При этом в полярных районах знак межгодовой изменчивости определяется фазой 19-ти летнего цикла, то есть межгодовая изменчивость в полярных областях имеет один и тот же знак (положительный или отрицательный) в течение 8-ми или 11-ти летней фазы 19-ти летнего цикла. В областях, расположенных между полярными кругами, знак меняется от года к году (как правило, во всей широтной области между полярными кругами) с периодичностью 2 или 3 года (образующими 8-ми и 11-ти летние сочетания). Средняя амплитуда межгодовой изменчивости составляет 0,0012% от величины приходящей к Земле в среднем за тропический год лучистой энергии. В полярных районах ее относительное значение увеличивается до 0,0021%. Средняя амплитуда 2-х и 3-х летней изменчивости составляет 0,0015% от величины приходящей за год к Земле солнечной энергии. Она несколько увеличивается (до 0,0016%) в экваториальной области (5° с.ш. – 5° ю.ш.). Таким образом, межгодовая изменчивость инсоляции, связанная с возмущенным орбитальным движением Земли, проявляется во всех широтных зонах. Отмеченная периодичность, вероятно, связана с соизмеримостью в средних движениях Земли с ближайшими планетами Марсом и Венерой [170, 259].

Известно (глава 1), что в параметрах движений планет и их спутников выдерживается ряд интересных соотношений, вследствие наличия соизмеримостей и резонансов [12, 39, 138]. Условия резонанса определяются равенством частот вынужденных (под действием внешней силы) и собственных колебаний. Рассмотрим это подробнее. Сидерическим, или звездным, периодом обращения планеты называется промежуток времени, в течение которого планета совершает один полный оборот вокруг Солнца по своей орбите. Сидерический период Венеры составляет 224,701 суток (0,61521 тропического года), Марса – 686,980 суток (1,88089 тропического года), Земли (звездный год) – 365,526 суток (1,00004 тропического года). Частоты обращения планет (ω = 2π/Т) составляют для Венеры 0,0279624 суток–1, для Марса – 0,0091460 суток–1, для Земли – 0,0171894 суток–1. Отсюда следует 2ωМарса (0,0182920 суток–1) – ωЗемли (0,0171894 суток–1) = 0,0011026 суток–1 и 3ωВенеры (0,0838872 суток–1) – 5ωЗемли (0,085947 суток–1) = – 0,0020598. Это свидетельствует о том, что в орбитальных движениях Земли с ближайшими планетами Марсом и Венерой существует соизмеримость (форма связи орбитальных объектов). При этом резонанс Земли с Марсом равен 2/1, Земли с Венерой – 5/3. [12, 39, 138].

Таким образом, через каждые 2 года взаимные положения Земли с Марсом и через 3 года Земли с Венерой относительно Солнца повторяются. С этими повторениями связаны периодические резонансные возмущения орбитального движения Земли и, следовательно, вариации поступающей к Земле за тропический год энергии. В соотношении 2-х и 3-х летних циклов в рядах межгодовой изменчивости инсоляции, вероятно, отражается и соотношение возмущающего действия этих планет. Около 70% циклов исследуемого временного ряда образованы 3-х летними циклами, которые определяются возмущениями орбитального движения Земли со стороны Венеры – 3-х летняя периодичность. Остальная часть временного ряда – около 30% – представлена 2-х летними циклами, которые определяются более слабым возмущением орбитального движения Земли Марсом [161, 163]. Из-за отмеченных соотношений 2-х и 3-х летних циклов при спектральном анализе максимум спектральной плотности приходится на колебания с периодом 2,7 года [166, 170]. Этот пик также отмечается всеми нашими предшественниками [151, 231, 234, 322].

Вариации с периодом около 19 лет в межгодовой изменчивости инсоляции более характерны для полярных областей (здесь знак изменчивости определяется фазой 19-ти летнего цикла). В широтной области, расположенной между северным и южным полярными кругами, 2-х и 3-х летняя периодичность образует 8-ми (2+3+3) и 11-ти (2+3+3+3) летние сочетания, синхронизированные с 8-ми и 11-ти летними фазами 19-ти летнего цикла. Средние значения амплитуды 8-ми и 11-ти летних вариаций, являющихся результатом синхронизации и наложения (суперпозиции) 19-летней, 2-х и 3-х летней периодичностей, составляют 0,0018% от приходящей в среднем за тропический год лучистой энергии. Средняя амплитуда 8-ми и 11-ти летней периодичности в экваториальной области (5° с.ш. – 5° ю.ш.) увеличивается до 0,0020%. Таким образом, причины найденной периодичности в межгодовой изменчивости инсоляции могут объясняться резонансными возмущениями, связанными с соизмеримостью в орбитальных движениях Земли с Венерой и Марсом, а также явлением нутации, связанным с периодом обращения лунных узлов и, возможно, циклом Метона. Отмечаемые нашими предшественниками периодичности, близкие по продолжительности к 8-ми и 11-ти годам сопоставляются периодичностью в движениях Венеры и Юпитера [231, 233, 234, 322].

Также нами исследовались особенности межгодовой изменчивости приходящей к Земле (без учета атмосферы) солнечной энергии за летнее и зимнее полугодие в интервале с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. (рис. 3.14, 3.15).

$C:\Users\Scorpio\Documents\НИГМАТУЛИН\РИСУНКИ\R10_c.jpg$

Рис. 3.14. Широтное распределение средней амплитуды
межгодовой изменчивости инсоляции Земли в зимнее (1) и летнее (2)
для северного полушария полугодие

$C:\Users\Scorpio\Documents\НИГМАТУЛИН\РИСУНКИ\R11_c.jpg$

Рис. 3.15. Широтное распределение средней амплитуды межгодовой изменчивости инсоляции Земли в зимнее (1) и летнее (2) для северного полушария полугодие (в процентах от среднего значения солнечной энергии, поступающей в соответствующую широтную зону)

В летнее (для северного полушария) полугодие средняя амплитуда межгодовой изменчивости инсоляции в южном полушарии составляет 0,0031%, (по отношению к среднему значению приходящей за полугодие к Земле лучистой энергии), в северном полушарии 0,0018%. В 2-х и 3-х летних циклах средняя амплитуда межгодовой изменчивости возрастает до 0,0040% в южном полушарии и до 0,0020% – в северном. В 8-ми, 11-ти и 19-ти летних циклах средняя амплитуда межгодовой изменчивости достигает максимальных величин – 0,0049% в южном полушарии и 0,0024% – в северном полушарии. В южной полярной области (85°–90° ю.ш.) средняя величина межгодовой изменчивости составляет 0,0434% от средней за полугодие величины приходящей от Солнца энергии в эту зону (рис. 3.15). В 2-х и 3-х летних колебаниях средняя амплитуда межгодовой изменчивости инсоляции в южной полярной области характеризуется значением 0,0538%, в 8-ми и 11-ти летних – 0,0678% от соответствующих средних за полугодие величин приходящей лучистой энергии. В северной полярной области (85°–90° с.ш.) в летнее полугодие среднее значение межгодовой изменчивости составляет 0,0021%. Здесь в межгодовой изменчивости проявляется только 19-ти летний цикл, средняя амплитуда которого составляет 0,0037% от среднего за полугодие значения приходящей от Солнца энергии в эту зону.

Изображение пространственной и временной межгодовой изменчивости инсоляции Земли приведено на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Пространственно – временное распределение разности солнечной радиации (Дж/м2), поступающей в 2012 и 2013 гг. без учета атмосферы для соответствующих географических широтных зон и астрономических сезонов

В зимнее (для северного полушария) полугодие относительные значения межгодовой изменчивости инсоляции Земли в экваториальной области существенно меньше, чем в летнее полугодие. Это может объясняться положением Земли в это время вблизи перигелия орбиты (и, соответственно, уменьшением возмущающего действия Луны и планет). В южном полушарии среднее значение межгодовой изменчивости составляет 0,0006% (в 19-ти летнем цикле – 0,0017%) от средней за полугодие приходящей в полушарие лучистой энергии. В северном полушарии средняя амплитуда межгодовой изменчивости несколько больше – 0,0012%. Межгодовая изменчивость в южной полярной области в это время характеризуется средней амплитудой, составляющей 0,0021% (в 19-ти летнем цикле – 0,0038) от приходящей за полугодие в эту область солнечной энергии. Средняя величина межгодовой изменчивости в северной полярной области (85°–90° с.ш.) составляет 0,0429%, в 2-х и 3-х летних циклах – 0,0536%, в 8-ми и 11-ти летних циклах – 0,0678% от соответствующих средних значений приходящей от Солнца энергии. Максимальные относительные значения средней амплитуды межгодовой изменчивости отмечаются в полярных областях в зимние для них полугодия, что связано с минимальными значениями самой инсоляции.

Таким образом, определены малые и регулярные вариации инсоляции, связанные с периодическими возмущениями орбитального движения Земли. Отмеченные вариации могут усиливаться резонансным откликом климатической системы Земли на кратные году (собственному периоду климатической системы) возмущения. Кроме того, возможен эффект стохастического резонанса – отклика бистабильной или метастабильной нелинейной системы на слабый периодический сигнал при шумовом воздействии определенной мощности [7, 8, 221, 222, 224, 331–334]. Отмеченные колебания инсоляции можно считать слабыми периодическими сигналами для климатической системы Земли при шумовом воздействии.

Подведем некоторые итоги:

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 сокращение инсоляции в летние для полушарий полугодия и увеличение – в зимние полугодия, то есть проявляется тенденция сглаживания сезонных различий в приходящей к Земле солнечной энергии.
На фоне отмеченных вековых тенденций (низкочастотных колебаний) изменения инсоляции отмечаются малые высокочастотные вариации, связанные с периодическими возмущениями орбитального движения Земли и наклона оси ее вращения. Выделяются межгодовые, 2-х, 3-х летние, 8-ми, 11-ти и 19-ти летние вариации в приходящей лучистой энергии.
Отмечается синхронизация межгодовой изменчивости приходящей от Солнца энергии с 2-х и 3-х летней периодичностью и 8-ми и 11-ти летними фазами 19-ти летнего цикла. Так, 2-х и 3-х летние циклы образуют 8-ми (2+3+3) и 11-ти (2+3+3+3) летние серии, соответствующие фазам 19-ти летнего цикла.

В приложении представлены географические карты, отражающие пространственные и временные вариации инсоляции Земли.

3.4. Анализ составляющих различной физической природы в межгодовых изменениях инсоляции

Как уже отмечалось, основной характеристикой приходящей к Земле солнечной радиации (солярного климата Земли) является TSI (Total solar irradiance) – полное количество солнечной энергии по всему спектру, падающее за единицу времени на единицу площади, перпендикулярной солнечным лучам, на среднем расстоянии Земли от Солнца за пределами земной атмосферы (или на верхней границе атмосферы – ВГА). Среднее многолетнее значение TSI принимается за величину солнечной постоянной [185, 186, 258, 263, 269, 307, 308].

Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорционально квадрату расстояния (глава 1), то среднее значение TSI (солнечная постоянная) в течение года меняется и имеет правильный годовой ход. Отклонение интенсивности приходящей на ВГА солнечной радиации от величины солнечной постоянной составляет около 3,5% [3, 4, 46, 203] (рис. 3.17). Годовой ход солнечной постоянной определяется небесно-механическим процессом – движением Земли по эллиптической орбите. Им задается главное колебание в климатической системе Земли.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ЗАЩИТА_КАЗАНЬ\KDU-КЛИМАТ\Рисунки_2\Ris_7_с.jpg$

Рис. 3.17. Годовой ход солнечной постоянной в процентах по отношению
к ее значению при среднем расстоянии Земли от Солнца
(аппроксимация – полином 6-й степени)

Однако, значения TSI изменяются от года к году. Межгодовая изменчивость приходящей к Земле солнечной радиации, определяется двумя основными причинами, имеющими различную физическую природу. Одна из них определяется изменением физической активности Солнца, связанной с происходящими на Солнце процессами: пятнообразованием, факельными вспышками и др. [295]. Другая причина связана с небесно-механическими процессами (изменением расстояния Солнце – Земля) в результате возмущающего действия ближайших небесных тел на орбитальное движение Земли [234, 258, 259]. Далее, используются принятые нами обозначения составляющих межгодовой изменчивости TSI. Вариации солнечной радиации, связанные с небесно механическими процессами, обозначаются TSICMP (celestial mechanical process). Вариации TSI, связанные с изменением активности Солнца (solar activity), обозначаются как TSISA.

Исследование вариаций TSI, связанных с солнечной активностью, получили широкое развитие [1, 266, 269, 272, 295, 307, 319]. В тоже время, многолетние и межгодовые вариации TSI, связанные с изменением расстояния Солнце – Земля исследованы недостаточно. Исследование соотношений вариаций различной природы в межгодовой изменчивости TSI может оказаться полезным для определения степени (веса) отдельного влияния межгодовых вариаций TSICMP и TSISA на природные процессы (гидрометеорологические, геофизические, биологические и др.).

Для определения вариаций расстояния между Землей и Солнцем по данным астрономических эфемерид (DE–406) определялись средние расстояния между Землей и Солнцем для календарных суток в интервале с 1740 по 2050 гг. [288]. Точность эфемерид по расстоянию составляет 10–9 а.е., или 0,1496 км. Известно, что, если – среднее расстояние между Землей и Солнцем, равное большой полуоси эллипса земной орбиты (1 а.е.), то на расстоянии

(3.1) $I_{l} = I_{0} {(\frac{a}{l})}^{2}$

Величина солнечной постоянной при расстоянии между Землей и Солнцем равном 1 а.е. принималась равной I0 = 1361,0 Вт/м2 [308]. По формуле (3.1) рассчитывались средние значения составляющей TSI, связанной с небесно-механическими процессами (TSICMP), для календарных суток в интервале с 1740 по 2050 гг. По этим данным осреднением были получены месячные и годовые (рис. 3.18) значения этого компонента TSI (ненормированные относительно расстояния Земля – Солнце). Последовательным вычитанием годовых и месячных значений (из значений предыдущего года вычитались соответствующие значения последующего года) были получены ряды значений межгодовой изменчивости TSICMP с годовым и месячным разрешением. В результате анализа рассчитанных рядов были получены амплитудные характеристики межгодовой изменчивости TSICMP, связанной с возмущенным орбитальным движением Земли. Под амплитудой нами понимается среднее по модулю значение межгодовой изменчивости TSI, TSICMP и TSISA. Вариации, связанные с изменение активности Солнца, в этих расчетах не учитывались.

Спутниковые радиометрические измерения TSI проводятся с 1978 года. Известны реконструкции TSI, выполненные на основе обработанных радиометрических данных (по числу солнечных пятен и факельным вспышкам). С 1610 года получены данные с годовым, а с 1882 года – с месячным разрешением [308, 318]. При анализе межгодовой изменчивости солнечной радиации с годовым разрешением в качестве исходных данных нами использовались эти значения TSI с 1740 по 2012 гг. (рис. 3.18), рекомендованные для использования в физико-математических моделях климата [244, 287, 308, 318]. При анализе данных с месячным разрешением использовался ряд (TSI 11-yr cycle), опубликованный на [287].

Многолетняя изменчивость TSI определяется в основном вариациями, связанными с изменением активности Солнца (TSISA). Среднее по модулю значение аномалии TSI в реконструированном [308] ряде значений (рис. 3.18) составляет 0,3242 Вт/м2. Средняя по модулю аномалия TSICMP в рассчитанном нами ряде значений равняется 0,0158 Вт/м2. Таким образом, вариации TSISA на данном интервале составляют около 95% многолетней изменчивости TSI. Около 5% приходится на вариации TSICMP.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ЗАЩИТА_КАЗАНЬ\KDU-КЛИМАТ\Рисунки_2\Ris_8_с.jpg$

Рис. 3.18. Многолетняя изменчивость 1 – TSI [244], 2 – TSICMP

Детально анализировалось соотношение вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI с годовым разрешением в диапазоне с 1740 по 2012 гг. [244]. Среднее многолетнее значение TSI (солнечной постоянной) для этого массива составляет 1361,0 Вт/м2 [308], поэтому при расчете вариаций, связанных с небесно-механическими процессами (по формуле 3.1), значение солнечной постоянной (I0) принималось равным 1361,0 Вт/м2. В результате выполненных расчетов появилась возможность выделить в межгодовой изменчивости TSI значения составляющих разной физической природы (TSICMP и TSISA).

Амплитуда TSICMP и TSI. В годовом ходе амплитуда солнечной постоянной составляет около 3,5% (рис. 3.17), в межгодовой изменчивости с годовым разрешением (т.е. анализировались годовые значения TSI) амплитуда изменчивости TSI значительно меньше – 0,014% (от величины солнечной постоянной – 1361 Вт/м2). Однако эти малые вариации важны в связи с тем, что ВГА является поверхностью, характеризующей начальные условия расчета радиационного баланса Земли, ее поверхности и атмосферы. Точностью определения начальных условий определяются возможности тех или иных модельных энергетических расчетов.

Рассчитанные нами амплитуды межгодовой изменчивости TSICMP (рис. 3.19), определяемые небесно-механическими процессами составляют 0,02 Вт/м2, или 10,5% от средней амплитуды вариаций общего потока (TSI) в интервале с 1978 по 2012 гг. (0,19 Вт/м2). Максимальное значение амплитуды TSICMP составляет на этом интервале 0,05 Вт/м2, или 26,3% (от средней амплитуды TSI). В интервале с 1740 по 2012 гг. амплитуда межгодовой изменчивости TSICMP также составляет 0,02 Вт/м2, или 13,5% (от 0,15 Вт/м2 – средней амплитуды межгодовой изменчивости TSI на этом интервале). Максимальное значение амплитуды TSICMP на этом временном интервале составляет 42,8,1% от средней амплитуды всего потока (TSI).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ЗАЩИТА_КАЗАНЬ\KDU-КЛИМАТ\Рисунки_2\Ris_3_c.jpg$

Рис. 3.19. Амплитуда межгодовых вариаций TSI (1) и TSICMP (2)
при анализе с годовым разрешением

Соотношение TSICMP и TSISA. Соотношение вариаций различной физической природы (TSICMP и TSISA) в изменчивости TSI находилось следующим образом. Величины межгодовых вариаций, связанных с изменением активности Солнца (TSISA), находились вычитанием рассчитанных нами значений амплитуды межгодовой изменчивости, определяемой небесно-механическими процессами (TSICMP), из значений межгодовой изменчивости TSI (TSISA = TSI – TSICMP). Затем определялись модули полученных значений для TSISA и TSICMP. Сумма модулей для каждого года принималась равной единице. Из полученной пропорции рассчитывались соотношения (веса) вариаций разной физической природы в межгодовой изменчивости TSI. Умножением на 100 рассчитывалось соотношение в процентах. В результате определено, что на интервале с 1978 по 2012 гг. (рис. 3.20) соотношение межгодовых вариаций в TSI в среднем составляет 80,6% (TSISA) и 19,6% (TSICMP). На интервале с 1740 по 2012 гг. (рис. 3.21) это соотношение характеризуется значениями 78,7% и 21,3% соответственно. Таким образом, при годовом разрешении вариации TSICMP составляют приблизительно 1/5 часть (около 20%) межгодовой изменчивости TSI.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ЗАЩИТА_КАЗАНЬ\KDU-КЛИМАТ\Рисунки_2\Ris_2bp_с.jpg$

Рис. 3.20. Соотношение вариаций TSISA и TSICMP (показаны красным)
в межгодовой изменчивости TSI в % в диапазоне с 1978 по 2012 гг.
с годовым разрешением

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ЗАЩИТА_КАЗАНЬ\KDU-КЛИМАТ\Рисунки_2\Ris_1bp_с.jpg$

Рис. 3.21. Соотношение вариаций TSISA и TSICMP (показаны красным фоном)
в межгодовой изменчивости TSI в % в диапазоне с 1740 по 2012 гг.
с годовым разрешением

Также анализировалось соотношение вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI с месячным разрешением (т.е. анализировались месячные значения TSI). Для анализа соотношений в этом случае использовался массив данных с 1882 по 2008 гг. [287]. Средняя величина TSI для этого массива составляет 1365,9 Вт/м2, поэтому при расчетах межгодовой изменчивости приходящей радиации, связанной с небесно-механическими процессами (TSICMP), значение солнечной постоянной принималось равным 1366.0 Вт/м2 [166].

Амплитуды TSI и TSICMP. Амплитуда межгодовой изменчивости TSI при месячном разрешении (рис. 3.21) составляет от 0,016% до 0,020% от величины солнечной постоянной (1366 Вт/м2). При анализе амплитуды межгодовой изменчивости TSI и TSICMP с месячным разрешением соотношения их весов кардинально меняются. В интервале с 1882 по 2008 гг. в среднем за месяц амплитуда TSICMP составляет 0,20 Вт/м2, амплитуда TSI – 0,22 Вт/м2 т.е. в среднем амплитуда TSICMP составляет 90,9% от амплитуды межгодовой изменчивости TSI. В интервале с 1978 по 2008 гг. амплитуда TSICMP равна 0,21 Вт/м2, амплитуда TSI – 0,27 Вт/м2. На этом интервале амплитуда межгодовой изменчивости TSICMP составляет 77,8% от амплитуды TSI. В отдельные месяцы года (март – май и сентябрь – ноябрь) амплитуда межгодовой изменчивости TSICMP превосходит амплитуду TSI. В остальные месяцы уступает ей (рис. 3.22).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ЗАЩИТА_КАЗАНЬ\KDU-КЛИМАТ\Рисунки_2\Ris_4_с.jpg$

Рис. 3.22. Амплитуда межгодовых вариаций TSI (1) и TSICMP (2)
на интервале с 1882 по 2008 гг. при анализе с месячным разрешением

Соотношение TSICMP и TSISA. Соотношение вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI для каждого месяца находилось так же, как и для годового разрешения. Средние значения соотношения в межгодовой изменчивости TSI по всему массиву (с 1882 по 2008 гг.) получились равными 45,19% (TSISA) и 54,81% (TSICMP). Годовой ход соотношения вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI представлен на рис. 3.23.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ЗАЩИТА_КАЗАНЬ\KDU-КЛИМАТ\Рисунки_2\Ris_5_с.jpg$

Рис. 3.23. Соотношение вариаций TSISA и TSICMP (показаны красным фоном)
в межгодовой изменчивости TSI в % на интервале с 1882 по 2008 гг.
с месячным разрешением

Разность значений составляющих межгодовой изменчивости TSI, связанной с небесно-механическими процессами (TSICMP) и определяемой изменением активности Солнца (TSISA), имеет определенный характер годового хода (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Годовой ход разности значений межгодовой изменчивости
TSICMP и TSISA (в %) на интервале 1882–2008 гг.
(аппроксимация – полином шестой степени)

Из полученного распределения видно, что при месячном разрешении межгодовые вариации, связанные с активностью Солнца (TSISA), превышают веса межгодовых вариаций, определяемых небесно-механическими процессами (TSICMP) на протяжении 4 месяцев (1/3 года): июнь, июль, декабрь, январь. Временные интервалы доминирования вариации TSISA хронологически локализуются в окрестностях точек летнего и зимнего солнцестояния. На протяжении остальных 8 месяцев (2/3 года) в межгодовой изменчивости TSI преобладает вариация, определяемая небесно-механическими процессами (TSICMP). Максимальные значения преобладания вариаций (TSICMP) приходятся на интервалы вблизи равноденственных точек. Для периода спутниковых радиометрических наблюдений с 1978 по 2008 гг. среднее соотношение характеризуется весовыми значениями 45,71% (TSISA) и 54,29% (TSICMP).

Таким образом, соотношение вариаций различной физической природы в межгодовой изменчивости TSI изменяется в связи с временным разрешением. При годовом разрешении межгодовые вариации, связанные с небесно-механическими процессами (TSICMP), составляют около 1/5 величины межгодовой изменчивости общего TSI. При месячном разрешении их вес в межгодовой изменчивости TSI в среднем составляет более 1/2.

Сезонное изменение межгодовых вариаций TSI в значительной степени определяется TSICMP. Годовой ход TSI также определяется небесно-механическими процессами – движением Земли по эллиптической орбите. Вариации межгодовой изменчивости в распределении TSI в пространстве (по широтам) также связаны с небесно-механическими процессами – изменением наклона оси вращения Земли в результате прецессии и нутации [114, 166, 324]. Также следует отметить, что для TSICMP характерна строгая периодичность [166, 170, 173, 177]. В ней выделяются регулярные колебания с периодами 2, 3, 8, 11 и 19 лет, определяемые возмущающим действием ближайших небесных тел на орбитальное движение Земли. Это создает возможности для усиления проявления этих внешних сигналов в результате резонанса с годовым периодом в климатической системе Земли. Полученные результаты могут способствовать уточнению оценок влияния TSICMP и TSISA на климатические процессы при разных временных разрешениях.

Выполненный анализ позволяет уточнить изменения начальных условий для определенного года (на ВГА) при расчетах и прогнозе изменения радиационного баланса Земли. Известно, что в нелинейных системах малые различия в начальных условиях приводят к быстрому появлению неопределенности или большому расхождению рассчитанных значений с реальными. В связи с этим учет малых значений межгодовой изменчивости TSI (в том числе пространственных) при моделировании TSI и климата представляется важным. Полученные результаты также представляются перспективными для выполнения реконструкции и прогноза TSI с месячным разрешением по рассчитанным значениям TSICMP, поскольку при этом временном разрешении межгодовая вариация TSICMP является преобладающей.

Таким образом, многолетняя изменчивость годовых значений TSI приблизительно на 95% определяется вариациями, связанными с изменением активности Солнца. Межгодовая изменчивость TSI по физической природе представляет собой дуплекс с переменными соотношение которых зависит от временного разрешения. При годовом разрешении (межгодовая изменчивость годовых значений TSI) преобладающей является составляющая, определяемая активностью Солнца (около 80%). При месячном разрешении (межгодовая изменчивость месячных значений TSI) ведущей составляющей дуплекса является вариация, определяемая небесно-механическими процессами (около 55%). Межгодовые вариации TSICMP, таким образом, являются ведущими в изменчивости TSI в диапазоне изменения по сезонам года. Полученные результаты указывают на необходимость дифференцированного использования значений межгодовой изменчивости солнечной радиации разной природы (TSICMP и TSISA) в климатических моделях в связи с зависимостью их весовых соотношений от временного разрешения.

3.5. Изменение переноса лучистой энергии на ВГА

Напомним, что 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 [114, 120, 203, 204]. В результате расчетов инсоляции Земли [177] нами получено среднее годовое распределение инсоляции по 5-ти градусным широтным зонам (рис. 3.25).

R01_r14_с.jpg

Рис. 3.25. Средняя годовая инсоляция
в широтных зонах Земли на ВГА

В связи с неравномерностью в распределении на ВГА (или поверхности Земли, аппроксимированной в наших расчетах эллипсоидом, без учета атмосферы) были рассчитаны характеристики переноса лучистой энергии и получены оценки многолетней изменчивости в ее годовом и сезонном переносе. Лучистая энергия переносится от экваториальной области (0°–45° широты), куда ее поступает больше в полярные районы (45°–90° широты), где инсоляция (из-за эллипсоидальной формы Земли) меньше. В качестве характеристики переноса лучистой энергии использовался межширотный градиент инсоляции. Традиционно, для океана и атмосферы рассчитывается перенос энергии к северу [96, 126]. Межширотный градиент инсоляции рассчитывался последовательным вычитанием значений годовой (или полугодовой) инсоляции полученных для 5-ти градусных широтных зон. При этом из значений инсоляции южных зон вычитались значения соседних зон, расположенных севернее. Такие расчеты проведены для первого в массиве столетия (2999–2900 г. до н.э.) и последнего (2900–2999 г. н.э.). По этим значениям определись средние (для первого и последнего в массиве столетия) значения межширотного градиента для 5-ти градусных широтных зон (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Средний (за период с 2999 года до н.э. по 2999 года н.э.)
годовой перенос лучистой энергии на ВГА к северу

Вычитанием из модулей значений межширотного градиента инсоляции, полученных для последнего в массиве столетия (2900–2999 гг.) соответствующих (для широтных зон) модулей значений градиента, рассчитанных для первого столетия (2900 г. до н. э. – 2999 г. до н.э.) получено изменения годового переноса лучистой энергии на ВГА в широтных зонах за 5998 лет. Делением полученных значений (в Дж) на среднюю продолжительность тропического года (с) получены значения переноса энергии в Вт (рис. 3.27). Модули определялись для того, чтобы изменение в переносе энергии на ВГА было однозначно представлено в полушариях (в традиционном представлении в северном полушарии перенос энергии имеет положительные значения, в южном полушарии отрицательные). Напомним, что фактически энергия переносится из области низких широт (в южном и северном направлении) в районы, расположенные в более высоких широтах.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС\ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ_ ГРАДИЕНТ\РИСУНКИ\R6_c.jpg$

Рис. 3.27. Изменение годового переноса энергии на ВГА

Делением полученных для широтных зон значений изменения переноса на средние по модулю значения межширотного градиента инсоляции (для соответствующих зон) определялись показатели изменения годового переноса энергии на ВГА в процентах (рис. 3.28).

Рис. 3.28. Изменение годового переноса энергии по модулю на ВГА за 5998 лет
за 5998 лет (аппроксимация – полином 4-й степени)

Отмечается постепенное увеличение переноса лучистой энергии (тепла) от экватора к полярным кругам в каждом полушарии. Физический процесс переноса лучистой энергии – излучение. Напомним, что в физике известны три механизма теплообмена: конвекция, теплопроводность и излучение. Максимумы увеличения локализованы вблизи 65-й параллели в каждом полушарии (вблизи полярных кругов). В заполярных областях отмечается постепенное уменьшение переноса лучистой энергии от полярных кругов к полюсам. Таким образом, в каждом полушарии выделяются области увеличения (от экватора до полярного круга) и области уменьшения (от полярного круга до полюса) переноса лучистой энергии. Максимальное увеличение (на 2,61Е+15 Вт или 1,25%) отмечается вблизи полярных кругов (около 65 градусов) в каждом полушарии (годовые «зоны турбулентности»). Максимальное уменьшение переноса по модулю (на 3,3Е+15 Вт или 2,56%) отмечается вблизи географических полюсов. Отмеченные «зоны турбулентности» совпадают с районами (60°–70° широты) максимального развития внетропических циклонов (циклогенеза) в полушариях [63, 130] или субполярными зонами низкого давления в полушариях [30, 31, 96, 126, 189, 203].

Аналогичным образом рассчитывалось изменение переноса энергии для зимнего и летнего (для северном полушария) полугодия (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Средний перенос лучистой энергии на ВГА
в зимнее (1) и летнее (2) полугодие для северного полушария
(аппроксимация – полиномы 4-й степени)

В зимнее (для северного полушария) полугодие максимумы переноса лучистой энергии относительно годового распределения смещаются к югу и локализуются вблизи 55-й параллели в южном полушарии и вблизи 35-й параллели в северном полушарии. В летнее для северного полушария полугодие максимумы переноса лучистой энергии смешаются к северу, относительно годового и зимнего распределения, и локализуются вблизи 35-й параллели в южном полушарии и 55-й параллели в северном полушарии. Смещение по широте максимумов среднего переноса лучистой энергии от полугодия к полугодию составляет, таким образом, около 20 градусов (рис. 3.29).

Изменение в переносе энергии по полугодиям находилось как разность значений градиентов инсоляции в полугодие между средними за последнее (2900–2999 гг.) и первое (2900 г. до н. э. – 2999 г. до н.э.) столетие, значениями (по модулю) для соответствующих широтных зон (рис. 3.30, 3.31).

Рис. 3.30. Изменение переноса лучистой энергии на ВГА
в зимнее (1) и летнее (2) для северного полушария полугодие за 5998 лет
(аппроксимация – полиномы 4-й степени)

В зимнее (для северного полушария) полугодие за 5998 лет отмечается уменьшение абсолютных значений градиента энергии на ВГА в области от 65° ю.ш. (от южного полярного круга) до 30° с.ш. Максимальное уменьшение (–1,87Е+15 Вт) отмечается в широтной зоне от 5° ю.ш. до 15° ю.ш. Увеличение градиента в это полугодие характерно для южной полярной области (за южным полярным кругом) с максимумом в районе географического южного полюса (3,35Е+15 Вт) и в северном полушарии севернее 30° с.ш. с максимумом вблизи 65° с.ш. (2,41Е+15 Вт).

В летнее (для северного полушария) полугодие увеличение переноса лучистой энергии отмечается в области от 30° ю.ш. до 65° с.ш. с максимумами (1,87Е+15 Вт) в области от 5° с.ш. до 10° с.ш. Уменьшение отмечается в северной полярной области с минимумом в районе географического северного полюса (–3,35Е+15 Вт) и в южном полушарии южнее 30° ю.ш. с минимумом вблизи 65° ю.ш. (–2,41Е+15 Вт).

В относительных единицах изменение в переносе лучистой энергии максимально увеличивается в зимнее (для северного полушария полугодие) вблизи 15° ю.ш. (11,8%) и максимально сокращается (17,8%) вблизи 10° ю.ш. В летнее (для северного полушария) полугодие максимальное увеличение (11,8%) в переносе лучистой энергии отмечается вблизи 15° с.ш., а максимальное сокращение (17,8%) вблизи 10° с.ш. Таким образом, выделяются сезонные «зоны турбулентности» расположенные вблизи 10°–15° градусов широты в каждом полушарии. Здесь в соседних зонах отмечаются максимальные расхождения в тенденциях изменения переноса лучистой энергии (вблизи 15° широты отмечается максимальное увеличение, вблизи 10° широты – максимальное сокращение).

Рис. 3.31. Изменение переноса лучистой энергии на ВГА
в зимнее (1) и летнее (2) полугодие для северного полушария
за 5998 лет в процентах от среднего для широтной зоны значения

Известно, что подавляющее большинство тропических циклонов формируется в пределах экваториального пояса между 10° и 30° широты в обоих полушариях (рис. 3.32).

Рис. 3.32. Карта повторяемости тропических циклонов [285]

Приблизительно 87% тропических циклонов формируются в районах, расположенных не выше 20° широты [285]. Таким образом, область генерации тропических циклонов, наносящих огромный ущерб природе и человечеству (например, ущерб от урагана «Катрина» в 2005 г. составил более 100 млрд. долларов США, ущерб от ураганов «Харви» и «Ирма» в 2017 г. оценивается в 290 млрд. долларов), совпадают с сезонными «зонами турбулентности» в переносе энергии на ВГА [294].

Отмеченные нами области вблизи 65° и 10°–15° широты характеризуют разные стадии развития циклонических вихрей. Если с сезонными «зонами турбулентности» связано зарождение тропических циклонов (вблизи 10°–15° широты в каждом полушарии), то с годовыми «зонами турбулентности» (вблизи 65° в каждом полушарии) связана стадия максимального развития внетропических циклонов (Погосян, 1976). Главным образом, с вихревым переносом энергии связана работа «тепловой машины первого рода», механизма межширотного теплообмена в атмосфере. Вихри (циклоны) переносят энергию в атмосфере из области источника тепла (из низких широт) в области его стока (в высокие широты). При этом известно, что общее количество энергии, которая выделяется в тропическом циклоне среднего размера, составляет около 1015Вт в сутки. Это, по данным Национального управления по океаническим и атмосферным исследованиям США, приблизительно в 70 раз больше потребления (за тоже время) всех видов энергии человечеством и в 200 раз больше мирового производства электроэнергии [294].

Полученное среднее распределение годового переноса энергии на ВГА (рис. 3.26) сравнивалось с распределением среднего годового переноса энергии к северу в системе океан – атмосфера приведенным в работе Э. Пальмена и Ч. Ньютона [126]. Коэффициент корреляции между значениями годового переноса энергии на ВГА и в системе океан – атмосфера составил 0,98. При этом значения численные значения переноса энергии в системе океан – атмосфера приблизительно на два порядка уступают (из-за отражения и рассеяния) значениям переноса энергии на ВГА (рис. 3.33).

Рис. 3.33. Средний годовой перенос энергии
в системе океан – атмосфера [126]

Сходный с полученным для ВГА годовым переносом отмечается и характер среднего годового переноса в атмосфере в работе Э. Лоренца [96].

Таким образом, в изменении годового переноса энергии на ВГА отмечается область увеличения переноса лучистой энергии, расположенная приблизительно между полярными кругами с максимумами (годовые «зоны турбулентности») вблизи полярных кругов (около 65 в каждом полушарии) и области уменьшения переноса лучистой энергии, расположенные за полярными кругами. Максимумы увеличения годового переноса энергии соответствуют областям максимального развития внетропических вихрей – циклонов в обоих полушариях.

В летние для полушарий полугодия в областях 10–15 широты отмечается максимальная дивергенция в тенденциях изменения переноса лучистой энергии (сезонные «зоны турбулентности»). С этими зонами связывается образование тропических циклонов в полушариях.

Поскольку средний годовой перенос энергии в системе океан – атмосфера определяется средним годовым переносом на ВГА, то и полученные для этого переноса изменения на интервале в 5998 лет (от 2999 г. до н.э. до 2999 г. н.э.), могут проявляться и в системе океан – атмосфера. Тогда из полученных результатов следует, что в связи с отмеченными особенностями в изменении переноса лучистой энергии на ВГА будет возрастать и интенсивность вихревого переноса энергии в атмосфере (тропические и внетропические циклоны). То есть будет происходить усиление работы «тепловой машины первого рода» – усиление межширотного теплообмена в атмосфере. Таким образом, перенос тепла вихревыми образованиями в меридиональном направлении может определяться изменением переноса энергии (излучения) на ВГА.

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 [31, 128] используемой при численных экспериментах в физико-математических моделях климата. Используемые в моделях общей циркуляции атмосферы (МОЦА) и океана (МОЦО) уравнения гидротермодинамики описывают статическую атмосферу и океан, которые таковыми в реальности не являются.

Тенденции и причины изменений глобального климата земли В современную эпоху

Глава 3. Солярный климат Земли. Пространственные и временные изменения инсоляции