[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究首次基于物理模型，利用宇宙成因核素14C和10Be作为太阳活动的代理指标，重建了过去9,000年太阳总辐照度（TSI）和光谱辐照度（SSI）。通过将更新的SATIRE模型应用于个体和复合的核素记录，研究揭示了约0.11%（1.5 W/m²）的千年尺度TSI变异性，且核素重建结果与蒙德极小期后的直接观测结果高度一致。

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.

研究动机与目标

• 利用宇宙成因核素代理指标，重建过去9,000年太阳总辐照度（TSI）与光谱辐照度（SSI）。
• 解决在40年卫星时代之外缺乏长期辐照度记录的问题，以支持气候影响评估。
• 通过使用基于物理的模型而非线性回归，改进以往的重建方法。
• 评估基于单独14C和10Be记录与复合记录的TSI/SSI重建结果之间的一致性与可靠性。
• 为全新世太阳强迫的古气候建模提供基准数据集。

提出的方法

• 利用大气电离与沉积的物理模型，将陆地档案中逐十年平均的14C和10Be浓度转换为黑子数。
• 采用更新的SATIRE-M模型，基于重建的黑子数时间序列重建TSI与SSI。
• 使用参数更新的SATIRE-T模型，对瞬态区域周期、白光斑与黑子的空间分布，以及参考辐照度贡献进行建模。
• 使用独立输入序列：近期时期采用WDC-SILSO黑子数，早期时期采用核素推导的黑子数。
• 通过与1978年至今的直接卫星测量结果及独立的开放磁通量重建结果进行验证。
• 通过建模白光斑、斑马和黑子的磁特性贡献，生成从紫外到远红外波段的SSI重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用宇宙成因核素记录，能否准确重建过去9,000年太阳TSI与SSI？
• RQ2 基于14C和10Be核素的重建结果在多大程度上相互一致，并与直接观测结果一致？
• RQ3 使用14C–10Be复合记录在多大程度上提高了长期太阳辐照度重建的可靠性？
• RQ4 全新世期间长期TSI变异性幅度如何？与近期仪器观测趋势相比有何差异？
• RQ5 基于物理的模型在不使用自由参数的情况下，能否良好再现观测到的辐照度变异性？

主要发现

• 过去9,000年重建的千年尺度TSI变异性约为0.11%（1.5 W/m²），所有基于核素的重建结果均一致。
• 基于单独14C和10Be记录的重建结果在长期趋势上表现出高度一致性，尽管其大气地球化学路径不同。
• 蒙德极小期之后的核素重建结果与直接黑子数观测结果一致。
• 在19世纪，核素重建结果与Chatzistergos等人（2017）的黑子数重建结果相比，与WDC-SILSO系列的χ²值更低，表明一致性更好。
• 这是首次基于从核素数据到光谱辐照度的完整物理模型链，实现全新世的SSI重建。
• 复合14C–10Be记录（Wu et al., 2018）为长期气候建模应用提供了稳健且推荐使用的数据集。