УДК 551.551.1+551.581
PACS 92.60.Vb, 92.70.Qr
РОЛЬ РАДИАЦИОННОГО ФАКТОРА В ГЛОБАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ СОБЫТИЯХ ПОЗДНЕГО ГОЛОЦЕНА
© 2021 г. В.М. Федоров1*, Д.М. Фролов1, В.М.Н. Веласко Эррера2, В.В.-Х. Сун3, 4, Р.Г. Сионко5
1 Московский
государственный
университет
имени М.В. Ломоносова,
географический
факультет,
г. Москва, Россия
2 Институт
геофизики,
Национальный
автономный
университет
Мексики,
г. Мехико,
Мексика
3 Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, отдел солнечно-звездной физики, г. Кембридж, США
4 Институт физики Земли и космических наук, г. Шопрон, Венгрия
5 Национальный технологический университет, группа экологических исследований, г. Буэнос-Айрес, Аргентина
*e-mail: fedorov.msu@mail.ru
Поступила
в редакцию
24.04.2021 г.; после
доработки
24.06.2021 г.
Принята
к публикации
29.06.2021 г.
Аннотация. На основе выполненных с учетом изменения активности Солнца расчетов инсоляции и инсоляционных характеристик определены обстоятельства глобальных климатических событий в Северном полушарии в позднем голоцене. Основные причины малого ледникового периода – продолжительный и глубокий минимум летней инсоляции и инсоляционной сезонности. Значения минимумов фиксируются в диапазоне приблизительно 1400–1750 гг. Глубина минимумов в Северном полушарии за последние 5000 лет с учетом изменения активности Солнца составляет около 8 Вт/м2 для летней инсоляции и около 13.3 Вт/м2 для инсоляционной сезонности. Средневековый климатический оптимум совпадает с зимним максимумом инсоляционной контрастности, отражающим усиление меридионального переноса тепла в зимнее полугодие из экваториальной области в полярные районы, а также с максимумом межполушарного теплообмена. Увеличение зимней инсоляционной контрастности в максимуме (1118 г.) относительно 3000 г. до н.э. составляет 28.4 Вт/м2. Разность межполушарного радиационного теплообмена в максимумах (881, 940 и 976 годы) увеличивалась на 5 Вт/м2 относительно 3000 г. до н.э. Глобальные события позднего голоцена, таким образом, связаны с экстремумами характеристик инсоляции (приходящей радиации, инсоляционной контрастности, инсоляционной сезонности Земли), но временна́я структура самих экстремумов определяется вариациями солнечной активности.
Из сказанного следует, что при реконструкции и прогнозировании глобальных климатических событий важно учитывать не только вариации приходящей радиации, но и связанные с ними изменения характеристик инсоляции (инсоляционная контрастность и инсоляционная сезонность Земли), отражающих механизмы теплообмена. Инсоляционная контрастность регулирует меридиональный перенос радиационного тепла; ее причина – изменение наклона оси и прецессия. Инсоляционная сезонность Земли определяет интенсивность межполушарного теплообмена. Отмеченные характеристики инсоляции, отражающие не только вариации в приходе солнечной радиации, но и вариации в механизмах теплообмена, не учитываются в общей астрономической теории климата. Учет этих показателей будет способствовать получению более полной информации об изменениях климата прошлых эпох и позволит более точно прогнозировать климат будущего.
Ключевые слова: инсоляция, характеристики инсоляции, теплообмен, солнечная активность, поздний голоцен, малый ледниковый период, средневековый климатический оптимум.
DOI: https://doi.org/10.21455/GPB2021.3-1
Цитирование: Федоров В.М., Фролов Д.М., Веласко Эррера В.М.Н., Сун В.В.-Х., Сионко Р.Г. Роль радиационного фактора в глобальных климатических событиях позднего голоцена // Геофизические процессы и биосфера. 2021. Т. 20, № 3. С. 5–19. https://doi.org/10.21455/GPB2021.3-1
Финансирование
Работа выполнена в рамках госбюджетных тем географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова «Палеогеографические реконструкции природных геосистем и прогнозирование их изменений» и «Опасность и риск природных процессов и явлений».
Литература
Борисенков Е.П., Пасецкий В.М. Тысячелетняя летопись необычайных явлений природы. М.: Мысль, 1988. 524 с.
Изменение климата / Ред. Дж. Гриббин. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 360 с.
Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. М.; Л.: ГОНТИ, 1939. 208 с.
Монин А.С., Шишков Ю.А. Климат как проблема физики // Успехи физ. наук. 2000. Т. 170, № 4. С. 419–445.
Сидоренков Н.С. Атмосферные процессы и вращение Земли. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 200 с.
Сун В., Яскелл С. Минимум Маундера и переменные солнечно-земные связи. М.; Ижевск: Ин-т комп. исслед., 2008. 336 с.
Федоров В.М. Межгодовые вариации продолжительности тропического года // Докл. РАН. 2013. Т. 451, № 1. С. 95–97. https://doi.org/10.7868/S086956521319016X
Федоров В.М. Проблема меридионального переноса тепла в астрономической теории климата // Геофизические процессы и биосфера. 2019а. Т. 18, № 3. С. 117–128. https://doi.org/10.21455/GPB2019.3-8
Федоров В.М. Анализ составляющих различной физической природы в межгодовой изменчивости полного потока солнечного излучения // Астрон. вестн. 2019б. Т. 53, № 5. С. 394–400. https://doi.org/10.1134/S0320930X19040029
Федоров В.М., Фролов Д.М. Пространственная и временная изменчивость приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации // Косм. исслед. 2019. Т. 57, № 3. С. 177–184. https://doi.org/10.1134/S0010952519030043
Федоров В.М., Костин А.А., Фролов Д.М. Влияние формы Земли на характеристики ее облучения // Геофизические процессы и биосфера. 2020. Т. 19, № 3. С. 119–130. https://doi.org/10.21455/GPB2020.3-7
Шараф Ш.Г., Будникова Н.А. Колебания солнечного облучения Земли, вызванные вековыми изменениями элементов земной орбиты // Докл. АН СССР. 1968. Т. 182, № 2. С. 291–293.
Berger A. Long-term variations of daily insolation and quaternary climatic changes // J. Atmosph. Sci. 1978. V. 35 (12). P. 2362–2367.
Bertrand C., Loutre M.F., Berger A. High frequency variations of the Earth’s orbital parameters and climate change // Geophys. Res. Let. 2002. V. 29, N 18. P. 40-1–40-3. https://doi.org/10.1029/2002GL015622
Borisenkov Ye.Р., Tsvetkov A.V., Agaponov S.V. On some characteristics of insolation changes in the past and the future // Climatic Change. 1983. N 5. P. 237–244.
Brouwer D., Van Woerkom A.J.J. The secular variation of the orbital elements of the principal planets // Astron. Papers. 1950. V. 13. P. 81–107.
Büntgen U., Hellmann L. The Little Ice Age in scientific perspective: Cold spells and caveats // J. Interdisciplinary History. 2014. V. 44, is. 3. P. 353–368. https://doi.org/10.1162/JINH_a_00575
Cionco R.G., Soon W.W.-H. Short-term orbital forcing: A quasi-review and a reappraisal of realistic boundary conditions for climate modeling // Earth-Sci. Rev. 2017. V. 166. P. 206–222.
Cionco R.G., Valentini J.E., Quaranta N.E., Soon W.W.-H. Lunar fingerprints in the modulated incoming solar radiation: In situ insolation and latitudinal insolation gradients as two important interpretative metrics for paleoclimatic data records and theoretical climate modeling // New Astron. 2018. V. 58. P. 96–106.
Cionco R.G., Soon W.W.-H., Quaranta N.E. On the calculation of latitudinal insolation gradients throughout the Holocene // Adv. in Space Res. 2020. V. 66. P. 720–742. https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.04.030
Degroot D. The frigid golden age: Climate change, the Little Ice Age, and the Dutch Republic. N.Y.: Camb. Univ. Press, 2018. P. 1560–1720.
Davis B.A.S., Brewer S. Orbital forcing and role of the latitudinal insolation/temperature gradient // Clim. Dyn. 2009. V. 32. P. 143–165.
Fedorov V.M., Kostin A.A. The calculation of the Earth’s insolation for the period 3000 BC–AD 2999 processes in GeoMedia // Springer Geology. 2020. V. 1. P. 181–192. https://doi.org/10.1007/978-3-030-38177-6_20
Grove J.M. The Little Ice Age. London; N.Y.: Methuen, 1988. 498 p.
Hodell D.A., Brenner M., Curtis J.H., Medina-González R., Ildefonso-Chan Can E., Albornaz-Pat A., Guilderson T.P. Climate change on the Yucatan Peninsula during the Little Ice Age // Quater. Res. 2005. V. 63 (2). P. 109–121.
Kopp G., Lean J. A new lower value of total solar Irradiance: Evidence and climate significance // Geophys. Res. Let. 2011. V. 37. L01706. https://doi.org/10.1029/2010GL045777
Ladurie E.R. Times of feast, times of famine: A history of climate since the year 1000 / Trans. from the French by Barbara Bray. Garden City; N.Y.: Doubleday, 1971. 426 p.
Lamb H.H. The early medieval warm epoch and its sequel // Palaeogeogr. Palaeoclim. Palaeoecol. 1965. V. 1. P. 13–37.
Lamb H.H. The cold Little Ice Age climate of about 1550 to 1800. Climate: Present, past and future. London: Methuen, 1972. 107 p.
Laskar J., Joutel F., Boudin F. Orbital, precessional and insolation quantities for the Earth from –20 Myr to +10 Myr // Astron. and Astrophys. 1993. V. 287. P. 522–533.
Lean J. Evolution of the Sun’s spectral irradiance since the Maunder minimum // Geophys. Res. Let. 2000. V. 27, N 16. P. 2425–2428.
Lean J., Beer J., Bradley R. Reconstruction of solar irradiance since 1610: Implications for climate change // Geophys. Res. Let. 1995. V. 22. P. 3195–3198.
Lean J., Rottman G., Harder J., Kopp G. Source contributions to new understanding of global change and solar variability // Solar Physics. 2005. V. 230. P. 27–53.
Liu Z., Zhu J., Rosenthal Y., Zhang X., Otto-Bliesner B.L., Timmermann A., Smith R.S., Lohmann G., Zheng W., Timm O.E. The Holocene temperature conundrum // Proc. of the Nat. Acad. of Sci. 2014. V. 111. E3501-E3505.
Loutre M.F., Berger A., Bretagnon E., Blanc P.-L. Astronomical frequencies for climate research at the decadal to century time scale // Climate Dynamics. 1992. V. 7. P. 181–194.
Mann M. Little Ice Age // Encyclopedia of global environmental change. V. 1. The Earth system: Physical and chemical dimensions of global environmental change / Eds M.C. MacCracken, J.S. Perry. N.Y.: John Wiley & Sons, 2003. P. 504–509.
Matthews J.A., Briffa K.R. The Little Ice Age: Re-evaluation of an evolving concept // Geografiska Annaler. Ser. A. Physical Geography. 2005. V. 87. P. 17–36. https://doi.org/10.1111/j.0435-3676.2005.00242.x
Miller G.H., Áslaug G., Yafang Z., Darren L.J., Bette O.-B.L., Marika H.M., David B.A., Kurt R.A., Scott L.J., John S.R., Chance A., Helgi B., Thorvaldur T. Abrupt onset of the Little Ice Age triggered by volcanism and sustained by sea-ice/ocean feedbacks // Geophys. Res. Let. 2012. V. 39 (2). https://doi.org/10.1029/2011GL050168
Nesje A., Dahl S.O. The «Little Ice Age» – only temperature? // The Holocene. 2003. V. 13, N 1. P. 139–145.
Ogilvie A.E.J., Jónsson T. Little Ice Age. Research: A perspective from Iceland // Climatic Change. 2001. V. 48. P. 9–52. https://doi.org/10.1023/A:1005625729889.7
Oliva M., Ruiz-Fernandez J., Barriendos M., Benito G., Guadrat J.M., Dominguez-Castro F., Garcia-Ruiz J.M., Giralt S., Gomez-Ortiz A., Hernandez A., Lopez-Costas O., Lopez-Moreno J.I., Lopez-Saez J.A., Martinez-Cortizas A., Moreno F., Prohom M., Saz M.A., Serrano E., Tejedor E., Trigo R., Valero-Garces B., Vicente-Serrano S.M. The Little Ice Age in Iberian mountains // Earth-Sci. Rev. 2017. V. 177. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2017.11.010
Owens M.J., Lockwood M., Hawkins E., Usoskin I., Jones G.S., Barnard L., Schurer A., Fasullo J. The Maunder minimum and the Little Ice Age: An update from recent reconstructions and climate simulations // J. Space Weather and Space Climate. 2017. V. 7. A3.
Soon W., Legates D.R. Solar Irradiance modulation of Equator-to-Pole (Arctic) temperature gradients: Empirical evidence for climate variation on multi-decadal timescales // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2013. V. 93. P. 45–56.
Soon W., Velasco Herrera V.M., Selvaraj K., Traversi R., Usoskin I., Chen C.-T.A., Jiann-Yuh Lou J-Y., Kao S-J., Carter R.M., Pipin V., Severi M., Becagli D. A review of Holocene solar-linked climatic variation on centennial to millennial timescales: Physical processes, interpretative frameworks and a new multiple cross-wavelet transform algorithm // Earth-Sci. Rev. 2014. V. 134. P. 1–15. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2014.03.003
Usoskin I.G., Alanko-Huotari K., Kovaltsov G.A., Mursula K. Heliospheric modulation of cosmic rays: Monthly reconstruction for 1951–2004 // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. A12108. https://doi.org/10.1029/2005JA011250
Usoskin I.G., Solanki S.K., Kovaltsov G.A. Grand minima of solar activity during the last millennia // Inter. Astron. Union. 2012. https://doi.org/10.1017/S174392131200511X
Velasco Herrera V., Mendoza B., Velasco Herrera G. Reconstruction and prediction of the total solar irradiance: From the Medieval warm period to the 21st century // New Astron. 2015. V. 34. P. 221–233.
Vernekar A. Long-period global variations of incoming solar radiation. Amer. Meteorol. Soc., 1972. 128 p. (Ser. Meteorol. Monographs. V. 12, N 34).
Сведения об авторах
ФЕДОРОВ Валерий Михайлович – Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет. Россия, 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1. E-mail: fedorov.msu@mail.ru
ФРОЛОВ Денис Максимович – Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет. Россия, 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1. E-mail: denisfrolovm@mail.ru
ВЕЛАСКО ЭРРЕРА Виктор Мануэль Наумович – Институт геофизики, Национальный автономный университет Мексики. Мексика, 04510, г. Мехико, Университетский городок. E-mail: vmv@igeofisica.unam.mx
СУН Вилли Вей-Хок – Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, отдел солнечно-звездной физики. США, 02138, штат Массачусетс, г. Кембридж, Гарден стрит, д. 60; Институт физики Земли и космических наук. Венгрия, 9400, г. Шопрон. E-mail: wsoon@cfa.harvard.edu
СИОНКО Рудольфо Густаво – Национальный технологический университет, группа экологических исследований. Аргентина, 2900, г. Буэнос-Айрес, район Сан-Николас. E-mail: gcionco@frsn.utn.edu.ar