[論文レビュー] Solar total and spectral irradiance reconstruction over the last 9000 years

Chi‐Ju Wu, N. A. Krivova+2 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Nov 8, 2018

Solar Radiation and Photovoltaics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、太陽活動の代理指標としての宇宙線生成核種14Cおよび10Beを用いて、過去9,000年間における太陽全体およびスペクトル放射照度の初の物理的ベースの再構築を提示する。個々のおよび合成された同位体記録に最新のSATIREモデルを適用することで、約0.11%（1.5 W/m²）のミレニアムスケールのTSI変動が明らかになった。また、マウンダーミニマム以降の直接観測と強い一致を示した。

ABSTRACT

Changes in solar irradiance and in its spectral distribution are among the main natural drivers of the climate on Earth. However, irradiance measurements are only available for less than four decades, while assessment of solar influence on Earth requires much longer records. The aim of this work is to provide the most up-to-date physics-based reconstruction of the solar total and spectral irradiance (TSI/SSI) over the last nine millennia. The concentrations of the cosmogenic isotopes 14C and 10Be in natural archives have been converted to decadally averaged sunspot numbers through a chain of physics-based models. TSI and SSI are reconstructed with an updated SATIRE model. Reconstructions are carried out for each isotope record separately, as well as for their composite. We present the first ever SSI reconstruction over the last 9000 years from the individual 14C and 10Be records as well as from their newest composite. The reconstruction employs physics-based models to describe the involved processes at each step of the procedure. Irradiance reconstructions based on two different cosmogenic isotope records, those of 14C and 10Be, agree well with each other in their long-term trends despite their different geochemical paths in the atmosphere of Earth. Over the last 9000 years, the reconstructed secular variability in TSI is of the order of 0.11%, or 1.5 W/m2. After the Maunder minimum, the reconstruction from the cosmogenic isotopes is consistent with that from the direct sunspot number observation. Furthermore, over the nineteenth century, the agreement of irradiance reconstructions using isotope records with the reconstruction from the sunspot number by Chatzistergos et al. (2017) is better than that with the reconstruction from the WDC-SILSO series (Clette et al. 2014), with a lower chi-square-value.

研究の動機と目的

• 過去9,000年間における太陽全体放射照度（TSI）およびスペクトル放射照度（SSI）の再構築を、宇宙線生成核種のプロキシとして用いる。
• 気候影響評価のための40年間の人工衛星時代を越えた長期放射照度記録の不足を解消する。
• 線形回帰ではなく物理的モデルを用いることで、過去の再構築を改善する。
• 個々の14Cおよび10Be記録から得られるTSI/SSI再構築とその合成版との一貫性と信頼性を評価する。
• ホロセンの太陽力の古気象的モデリングのためのベンチマークデータセットを提供する。

提案手法

• 大気イオン化および沈着の物理的モデルを用いて、陸上記録における10年平均の14Cおよび10Be濃度を黒点数に変換する。
• 更新されたSATIRE-Mモデルを用いて、再構築された黒点数時系列に基づきTSIおよびSSIを再構築する。
• 一時的領域サイクル、 plage および黒点の空間的分布、基準放射照度寄与のためのパラメータを再調整したSATIRE-Tモデルを適用する。
• 独立した入力系列として、最近の期間にはWDC-SILSO黒点数、それ以前の期間には同位体由来の黒点数を用いる。
• 直接衛星測定（1978年以降）および独立したオープン磁場フラックス再構築と照合して再構築を検証する。
• 磁場特性に基づくフレクラ、プラージュおよび黒点の寄与をモデル化することで、UVから遠赤外域までのSSI再構築を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線生成核種記録を用いて、過去9,000年間における太陽TSIおよびSSIはどの程度正確に再構築可能か？
• RQ2 14Cおよび10Be同位体に基づく再構築は、互いにどの程度一致し、直接観測と一致するか？
• RQ3 14C–10Beの合成記録を用いることで、長期的な太陽放射照度再構築の信頼性はどの程度向上するか？
• RQ4 ホロセンにおける恒常的TSI変動の大きさは何か？また、最近の機器測定傾向と比較するとどうか？
• RQ5 自由パラメータなしの物理的モデルは、観測された放射照度変動をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 過去9,000年間における再構築されたミレニアムスケールのTSI変動は、すべての同位体ベースの再構築で約0.11%（1.5 W/m²）であり、一貫している。
• 個々の14Cおよび10Be記録からの再構築は、大気中での地球化学的経路が異なるにもかかわらず、長期的傾向において強い一致を示した。
• マウンダーミニマム以降の宇宙線生成核種からの再構築は、直接の黒点数観測と一致した。
• 19世紀には、同位体ベースの再構築がWDC-SILSOシリーズよりもChatzistergosら（2017）の黒点数再構築とより良く一致しており、χ²値が低かった。
• 本研究は、同位体データからスペクトル放射照度への完全に物理的モデルチェーンを用いたホロセンにおける初のSSI再構築である。
• 合成された14C–10Be記錵（Wuら、2018）は、長期気候モデリング応用のための堅牢で推奨されるデータセットを提供する。