[논문 리뷰] Solar total and spectral irradiance reconstruction over the last 9000 years

Chi‐Ju Wu, N. A. Krivova외 2명|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|2018. 11. 08.

Solar Radiation and Photovoltaics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 태양 활동의 지표로 사용되는 우주선 생성 동위원소 14C와 10Be를 활용하여 지난 9,000년 동안의 태양 총일광 및 스펙트럼일광을 물리기반으로 복원한 최초의 연구이다. 개별 및 복합 동위원소 기록에 최신 SATIRE 모델을 적용함으로써, 약 0.11% (1.5 W/m²)의 천년 단위 TSI 변동성을 규명하였으며, Maunder Minimum 이후의 직접 관측과도 높은 일치를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지난 9,000년 동안의 태양 총일광 및 스펙트럼일광(TSI/SSI)을 우주선 생성 동위원소를 지표로 하여 복원하기 위해.
• 기후 영향 평가를 위한 40년 간의 위성 시대를 초월한 장기 일광 기록의 부족을 보완하기 위해.
• 선형 회귀가 아닌 물리기반 모델을 사용하여 이전 복원 방식을 개선하기 위해.
• 개별 14C 및 10Be 기록에서 유도된 TSI/SSI 복원의 일관성과 신뢰성을 평가하기 위해.
• 홀로세 기간 동안 태양 강제력의 고대기후 모델링을 위한 기준 데이터셋을 제공하기 위해.

제안 방법

• 대기 이온화 및 침착 과정의 물리기반 모델을 활용하여 지구 기록물의 10년 평균 14C 및 10Be 농도를 태양 spots 수로 변환하였다.
• 업데이트된 SATIRE-M 모델을 사용하여 복원된 태양 spots 수 시계열 기반으로 TSI 및 SSI를 복원하였다.
• 일시적 지역 주기, 플라쿠아 및 태양 spots의 공간 분포, 기준 일광 기여도를 고려한 수정된 파rameter를 사용하여 SATIRE-T 모델을 적용하였다.
• 독립적인 입력 시리즈로 최근 기간에는 WDC-SILSO 태양 spots 수를, 이전 기간에는 동위원소 기반 태양 spots 수를 사용하였다.
• 위성 측정값(1978년 이후) 및 독립적인 개방 자기장 플럭스 복원 결과와의 비교를 통해 복원 결과를 검증하였다.
• 플라쿠아, 플라즈마 및 태양 spots의 자기장 특성 기반 기여도를 모델링하여 UV에서 적외선까지의 SSI 복원을 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선 생성 동위원소 기록을 활용하여 지난 9,000년 동안 태양 TSI 및 SSI를 얼마나 정확하게 복원할 수 있는가?
• RQ2 14C 및 10Be 동위원소 기반 복원 결과는 상호 간에 얼마나 일치하는가? 또한 직접 관측 결과와는 어떠한 일치를 보이는가?
• RQ3 14C–10Be 복합 기록을 사용할 경우 장기 태양 일광 복원의 신뢰성은 어떻게 향상되는가?
• RQ4 홀로세 기간 동안의 장기적 TSI 변동성의 크기는 얼마이며, 최근의 기록적 추세와 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 자유 매개변수 없이 물리기반 모델이 관측된 일광 변동성을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 지난 9,000년 동안의 복원된 천년 단위 TSI 변동성은 약 0.11% (1.5 W/m²)로, 모든 동위원소 기반 복원 결과에서 일관되게 나타났다.
• 개별 14C 및 10Be 기록에서 유도된 복원 결과는 대기 화학적 경로가 다름에도 불구하고 장기 추세에서 높은 일치를 보였다.
• Maunder Minimum 이후의 우주선 동위원소 기반 복원 결과는 직접 태양 spots 수 관측 결과와 일치하였다.
• 19세기 기간 동안, 동위원소 기반 복원 결과는 WDC-SILSO 시리즈보다 Chatzistergos 등(2017)의 태양 spots 수 복원 결과와 더 높은 일치를 보였으며, χ² 값이 낮았다.
• 이 연구는 우주선 동위원소 데이터에서 스펙트럼일광까지의 완전한 물리기반 모델 체인을 사용한 최초의 홀로세 SSI 복원이다.
• Wu 등(2018)이 제시한 복합 14C–10Be 기록은 장기 기후 모델링 응용을 위한 강력하고 권장되는 데이터셋을 제공한다.