[논문 리뷰] Long-term changes in solar activity and irradiance

Theodosios Chatzistergos, N. A. Krivova외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 06.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 개선된 프록시와 3차원 자기유체역학적 시뮬레이션을 사용하여 장기적인 총태양복사량(TSI) 변동성 복원에 대한 최근 발전을 검토한다. 논문은 마운더 최소기 이후 TSI 증가에 대해 $2 \pm 0.7$ W m⁻²의 상한선을 설정하며, 역사적 Ca ii K 관측 데이터의 향상된 활용과 태양 자기장 구조의 정교한 모델링을 통해 장기적인 태양복사량 복원의 불확실성을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

The Sun is the main energy source to Earth, and understanding its variability is of direct relevance to climate studies. Measurements of total solar irradiance exist since 1978, but this is too short compared to climate-relevant time scales. Coming from a number of different instruments, these measurements require a cross-calibration, which is not straightforward, and thus several composite records have been created. All of them suggest a marginally decreasing trend since 1996. Most composites also feature a weak decrease over the entire period of observations, which is also seen in observations of the solar surface magnetic field and is further supported by Ca II K data. Some inconsistencies, however, remain and overall the magnitude and even the presence of the long-term trend remain uncertain. Different models have been developed, which are used to understand the irradiance variability over the satellite period and to extend the records of solar irradiance back in time. Differing in their methodologies, all models require proxies of solar magnetic activity as input. The most widely used proxies are sunspot records and cosmogenic isotope data on centennial and millennial time scale, respectively. None of this, however, offers a sufficiently good, independent description of the long-term evolution of faculae and network responsible for solar brightening. This leads to uncertainty in the amplitude of the long-term changes in solar irradiance. Here we review recent efforts to improve irradiance reconstructions on time scales longer than the solar cycle and to reduce the existing uncertainty in the magnitude of the long-term variability. In particular, we highlight the potential of using 3D magnetohydrodynamical simulations of the solar atmosphere as input to more physical irradiance models and of historical full-disc Ca II K observations encrypting direct facular information back to 1892.

연구 동기 및 목표

• 위성 시대 이후의 장기적인 총태양복사량(TSI) 복원에 있어 불확실성을 줄이기 위해.
• 역사적 Ca ii K 관측 데이터를 활용하여 태양복사량 복원의 정확도를 향상시키기 위해.
• 최신 3차원 자기유체역학적 시뮬레이션을 활용하여 장기적인 TSI 변동성의 크기를 제약하기 위해.
• 역사적 태양 프록시 기록 간의 모순을 해결하고 장기적인 TSI 복원을 校정하기 위해.
• 필라와 네트워크 구조가 백년에서 천년 단위의 시간 척도에서 장기적인 복사량 변화를 이끄는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 태양 표면 자기장과 그들이 TSI에 미치는 복사적 영향을 모델링하기 위해 3차원 자기유체역학적 시뮬레이션을 활용한다.
• 1892년 이후 밝은 자기장 구조의 역사적 Ca ii K 관측 데이터를 기반으로 반경험적 모델을 적용하여 TSI를 복원한다.
• 위성 측정값과 자기 프록시를 사용하여 다수의 TSI 복합 기록 간 교정을 수행한다.
• 코즈모겐릭 이소토프 데이터(예: ¹⁴C)와 sunspot 기록을 통합하여 복원 범위를 홀로세까지 연장한다.
• 개선된 sunspot 수 시리즈(예: MEA20, CEA20)와 플라즈마 면적 복합 데이터를 개발하고 적용하여 프록시의 정확도를 향상시킨다.
• 43개 이상의 역사적 Ca ii K 기록을 체계적으로 처리하고 디지털화하여 임의의 추세를 줄이고 데이터 일관성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마운더 최소기 이후 2019년 태양 최소기 수준에 비해 총태양복사량(TSI) 증가에 대한 상한선은 무엇인가?
• RQ2 역사적 Ca ii K 관측 데이터는 장기적인 TSI 복원 정확도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 역사적 Ca ii K 기록 간의 모순은 복원된 복사량에 어떤 정도의 임의의 추세를 유발하는가?
• RQ4 현재의 모델은 자기 프록시를 활용하여 장기적인 태양복사량 변동성을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 필라와 자기장 네트워크는 백년에서 천년 단위의 시간 척도에서 TSI의 장기적 변화를 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 마운더 최소기 종료 이후 2019년 최소 수준에 비해 총태양복사량(TSI) 증가에 대해 $2 \pm 0.7$ W m⁻²의 상한선이 확립되었다.
• 역사적 Ca ii K 관측 데이터의 디지털화 및 처리에 있어 상당한 진전이 있었으며, 이로 인해 1892년까지 정확도가 향상된 반경험적 TSI 복원이 가능해졌다.
• Ca ii K 기록 간의 격차는 여전히 주요 과제이며, 장기적 복원에서 임의의 추세를 피하기 위해 이를 해결하는 것이 필수적이다.
• 1996년 이후 TSI 최소치의 장기적 감소는 여러 복합 기록에서 관측되었으며, 표면 자기장 데이터와 Ca ii K 데이터로도 지지되지만 그 크기는 아직 불확실하다.
• 3차원 자기유체역학적 시뮬레이션은 태양 자기장 구조의 복사적 영향을 물리적으로 일관된 프레임워크로 추정하는 데 기여하여 경험적 프록시에 대한 의존도를 감소시킨다.
• 코즈모겐릭 이소토프를 활용한 홀로세까지의 복원은 여전히 간접적이며 불확실하며, 낮은 시간 해상도와 모델에 의존하는 가정으로 인해 제한된다.