[论文解读] Long-term changes in solar activity and irradiance

Theodosios Chatzistergos, N. A. Krivova+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 5

一句话总结

本文综述了利用改进的代理指标和三维磁流体动力学模拟在重建长期总太阳辐照度（TSI）变化方面的进展。研究确立了自蒙德极小期以来TSI增加的上限为$2 \pm 0.7$ W m⁻²，通过更充分地利用历史Ca ii K观测数据并改进太阳磁场特征的建模，显著降低了长期太阳辐照度重建中的不确定性。

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.

研究动机与目标

• 降低卫星时代之前的长期总太阳辐照度（TSI）重建中的不确定性。
• 通过利用历史Ca ii K观测数据来改进太阳辐照度重建的准确性，这些观测针对太阳磁场特征。
• 利用最先进的三维磁流体动力学模拟，约束长期TSI变化的幅度。
• 解决历史太阳代理记录中的不一致性，并校准长期TSI重建结果。
• 评估 plage 和磁网络结构在驱动长期辐照度变化中的作用。

提出的方法

• 利用三维磁流体动力学模拟来建模太阳表面磁场及其对TSI的辐射影响。
• 应用半经验模型，从1892年以来的历史Ca ii K观测数据中重建TSI，这些观测针对明亮的磁场特征。
• 利用卫星测量数据和磁场代理指标，对多个TSI复合记录进行交叉校准。
• 整合宇宙成因核素数据（如¹⁴C）和 sunspot 记录，将重建结果延伸至全新世。
• 开发并应用改进的太阳黑子数序列（如 MEA20、CEA20）以及 plage 面积复合数据，以提高代理数据的保真度。
• 系统性地处理和数字化超过43份历史Ca ii K档案，以减少虚假趋势并提高数据一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与2019年的太阳最小活动水平相比，自蒙德极小期结束以来，总太阳辐照度（TSI）的增加上限是多少？
• RQ2 历史Ca ii K观测在多大程度上能提高长期TSI重建的准确性？
• RQ3 历史Ca ii K档案中的不一致性在多大程度上会在辐照度重建中引入虚假趋势？
• RQ4 当前模型在使用磁场代理指标时，能多好地再现太阳辐照度的长期变化？
• RQ5 在百年至千年时间尺度上，faculae 和磁网络在驱动TSI长期变化中起什么作用？

主要发现

• 确立了自蒙德极小期末期以来，与2019年最小值相比，总太阳辐照度（TSI）增加的上限为$2 \pm 0.7$ W m⁻²。
• 在数字化和处理历史Ca ii K观测方面取得了显著进展，使得自1892年以来的半经验TSI重建在准确性上得到提升。
• Ca ii K档案中的差异仍是主要挑战，解决这些问题对于避免长期重建中的虚假趋势至关重要。
• 自1996年以来TSI最小值的长期下降趋势在多个复合记录中均有观测到，该趋势得到表面磁场和Ca ii K数据的支持，但其幅度仍不确定。
• 三维磁流体动力学模拟为估算太阳磁场特征的辐射影响提供了物理解释一致的框架，减少了对经验代理的依赖。
• 利用宇宙成因核素将重建延伸至全新世的方法仍为间接且不确定，原因在于时间分辨率较低以及依赖模型假设。