Diminuzione della totale irradiazione solare che conduce ad uno sbilanciato termico della Terra e alla piccola era glaciale

Habibullo I. Abdussamatov
Pulkovo Observatory della RAS
Pulkovskoye shosse 65, San Pietroburgo, 196140, Russia
Email: [email protected]

 Abstract

I cambiamenti temporali nella potenza/energia della radiazione ad onde lunghe del sistema Terra – Atmosfera emessa verso lo spazio, sono sempre in ritardo rispetto ai cambiamenti nell’energia della radiazione solare assorbita, dovuti al lento cambiamento della sua entalpia. Questo è il motivo per cui le parti in debito e credito del bilancio energetico medio annuo del globo terrestre, con l’aria e le acque, sono praticamente sempre in uno stato che non è in equilibrio. Il bilancio medio annuale del sistema termico Terra – Atmosfera, nel lungo periodo di tempo, determina, in modo affidabile sia il corso, che il valore dell’eccesso di energia accumulata dalla Terra oppure il deficit energetico nel bilancio termico che, in considerazione dei dati della TSI, può definire e prevedere con largo anticipo la direzione e l’ampiezza dei cambiamenti climatici futuri. Dai primi anni ’90 si osservata un bicentenario decremento sia della TSI che della parte dell’energia assorbita dalla Terra. La Terra come pianeta d’ora in poi avrà un saldo negativo nel bilancio energetico, che comporta la diminuzione della temperatura circa dal 2014. A causa del aumento dell’effetto albedo e la diminuzione della concentrazione atmosferica dei gas serra la parte dell’energia solare assorbita e l’influenza dell’effetto serra diminuirà. L’influenza della catena consecutiva di effetti di retroazione può portare ad ulteriore caduta di temperatura che supererà l’influenza della diminuzione della TSI. L’inizio del profondo minimo bicentenario della TSI è previsto per il 2042 ± 11, che è la diciannovesima piccola era glaciale  negli ultimi 7500 anni – circa 2055 ± 11.

 

 Parole chiave: Diminuzione TSI, Piccola Era Glaciale

1. Introduzione

 William Herschel (1801) fu il primo a segnalare la correlazione fra il livello dell’attività delle macchie solari e il clima, dopo la sua scoperta della correlazione inversa tra il prezzo del grano e il livello delle variazioni cicliche dell’attività solare prima e durante minimo Dalton. Quando la superficie del Sole era coperta di macchie solari, i prezzi del grano andavano giù. Quando il numero di macchie solari cadeva i prezzi salivano. Egli suppose che le variazioni dei prezzi del grano sono la conseguenza dei cambiamenti climatici corrispondenti. Tuttavia, egli non poteva spiegare la natura fisica di questo fenomeno. Più tardi Eddy (1976) scoprì l’interconnessione tra i periodi, ben individuati, fra le variazioni significative del livello di attività delle macchie solari durante l’ultimo millennio e i corrispondenti profondi cambiamenti climatici sia in fase che ampiezza. Durante ciascuno dei diciotto profondi minimi dell’attività solare (tipo il Maunder), con un ciclo bicentenario trovato nei precedente 7,5 millenni, un profondo raffreddamento è stato osservato, mentre durante i periodi d’alta attività solare si osserva un riscaldamento globale (Borisenkov, 1988). Recenti studi (Bal, et al 2011;.. McPhaden, et al 2011) confermano i nostri risultati (Abdussamatov, 2009a, b) relativi ad un’azione comune delle variazioni cicliche di undici anni e la bicentenaria irradiazione solare totale (TSI) (con qualche intervallo) sul cambiamento di stato della superficie e gli strati del sottosuolo (con la profondità di decine e centinaia di metri) nella parte tropicale dell’Oceano Pacifico, accompagnato da comparsa di acqua calda o fredda (i cicli della Niña e del  Nino), che interessa il cambiamento climatico. Caratteristiche osservate nel El Niño nel corso degli ultimi 31 anni, sono state cambiate in direzione opposta per quanto riguarda le previsioni dei modelli climatici, assumendo l’influenza preponderante dei gas serra.

 

2. Variazione della TSI ed effetti secondari di retroazione

Le variazioni cicliche undecennali della TSI e l’attività solare sono sincronizzate e inter-correlate sia in fase che ampiezza (Figura n°1) (Abdussamatov, 2004, 2005, 2007a, b).

Figura n°1
Figura n°1

Questo permette di utilizzare e di estrapolare una relativamente breve (dal 1978) serie di misure precise della TSI (Fröhlich, 2011)), confrontandole con l’attuale lunga serie dei dati dell’attività solare (Shapiro et al., 2011). Quindi, tutti i significativi periodi di cambiamenti climatici rinvenuti nel corso degli ultimi 7.500 anni sono stati causati dalle quasi periodiche, bi-centenarie variazioni della TSI. Tuttavia, l’influenza diretta della fluttuazione bicentenaria della TSI è relativamente piccola (secondo recenti dati ricostruiti (Shapiro et al, 2011). Dell’ordine dello 0,5% ≈ 6,8 W/m2mè insufficiente a spiegare le corrispondenti bicentenarie cicliche variazioni della temperatura sulla Terra, dal riscaldamento globale alle Piccole ere glaciali. Abbiamo bisogno di una sorta di amplificatore di influenza sulle dirette variazioni della TSI sui cambiamenti climatici osservati. Il ruolo di amplificatore che può svolgere la TSI e quello d’influenza secondaria supplementare, in una forma di effetti di retroazione: il cambiamento naturale della Terra,il globale albedo, il legame dell’albedo, e la concentrazione atmosferica di gas a effetto serra (primo fra tutti, il vapore acqueo e l’anidride carbonica oppure il metano altri gas). Il legame dell’albedo è determinato da tre parametri globali ottici del globo nelle fasce di aria e acqua, lungo la linea verticale dell’intera superficie – atmosfera: dai valori sia dell’albedo atmosferico che l’albedo della superficie terrestre, nonché il valore della trasmissione atmosferica nello spettro solare. Così, l’albedo è uno dei principali parametri fisici nel bilancio energetico della Terra come pianeta. I cambiamenti significativi del albedo potrebbero essere potenziali forti variazioni climatiche del motore. Il valore di albedo della terra sta aumentando ad un elevato livello massimo, durante un raffreddamento profondo e scende ad un livello minimo nel processo di riscaldamento globale, mentre variazioni della concentrazione dei gas serra atmosferica avvengono in una direzione opposta dalla loro abbondanza e questo è principalmente determinato dalla temperatura degli oceani. Variazioni delle caratteristiche, sia della superficie della Terra che della sua atmosfera, causate da variazioni bicentenarie della TSI possono dare vita ad una successiva catena di ulteriori cambiamenti di temperatura aggiuntivi, causati dalla ripetizione multipla di questo causa-effetto ciclo di effetti di retroazione secondari, anche se la TSI rimane costante per un certo periodo di tempo. L’influenza della consecutiva catena di tali modifiche, causate dalla retroazione degli effetti secondari, può provocare un’ulteriore amplificazione dei cambiamenti climatici, in una misura che può supera l’influenza delle variazioni bicentenario TSI. Un quadro simile è stato osservato alla fine del XX secolo.

 

3. Bilancio energetico del sistema Terra – atmosfera

Cambiamenti temporali del potere della lunghezza d’onda della radiazione del sistema Terra – Atmosfera emessa verso lo spazio sono sempre in ritardo rispetto l’energia della radiazione solare assorbita, dovuta al rallentamento del cambiamento della sua entalpia. La termodinamica temperatura planetaria determina l’equilibrio termico integrale dei cambiamenti del pianeta in un significativo lasso di tempo per quanto riguarda il processo di cambiamenti nella potenza assorbita dalle radiazioni solari secondo l’inerzia termica del sistema Terra-atmosfera. Ciò equivale ad un eccesso o deficit del bilancio di potenza assorbita ed emessa. Qualsiasi variazione nel lungo termine dell’energia solare assorbita dalla Terra a causa della variazione bicentenaria della TSI, motivo delle variazioni lente nel entalpia del sistema Terra-atmosfera nel corso di un periodo di tempo determinato dalla inerzia termica rimangono non compensate con l’emissione della intrinseca radiazione ad onda lunga nello spazio. Questo processo viene descritto con l’incremento della temperatura termodinamica planetaria che cambia lentamente con il tempo. Questo è il motivo per cui un saldo medio annuo del bilancio energetico della Terra come pianeta è praticamente sempre in uno stato squilibrato e oscilla intorno ad un stato di equilibrio assorbendo ed emettendo diverse quantità di energia a causa della variazione bicentenario della TSI. Di conseguenza, il pianeta otterrà un riscaldamento o un raffreddamento verso il basso. La differenza fra la media annuale, tra l’energia della radiazione solare entrante negli strati esterni dell’atmosfera terrestre entrambi una frazione di questa energia riflessa allo spazio e l’energia della della lunghezza d’onda della radiazione, determina il bilanciamento del bilancio termico del sistema Terra – Atmosfera. Potenza specifica della variazione di entalpia per il sistema Terra – Atmosfera – E una differenza tra la radiazione in ingresso e in uscita ed è descritto dall’equazione:

dove So è la TSI,  ΔSo  – l’incremento della TSI, А – albedo globale della Terra (Bond albedo), DA – Bond albedo incremento, ε – emissività del sistema Terra-atmosfera, s – Costante di Stefan-Boltzmann;

Тр – temperatura termodinamica del pianeta, Еpotenza specifica della variazione di entalpia per lo strato attivo dell’atmosfera e dell’oceano (W/m2 ), С – specifica capacità termica superficiale dello strato attivo, l’atmosfera e l’oceano, per quanto riguarda la superficie totale del pianeta (J/м2К),t – Tempo. 1/4 nella parte destra dell’equazione riflette il fatto che il flusso di radiazione solare è proiettata (sul cerchio) e riflessa dal cerchio, mentre la terra emette dalla superficie totale della sfera (che è quattro volte più grande) .

Potenza specifica della variazione di entalpia della Terra, E, indica il deficit o eccesso di energia termica che può essere considerata come l’equilibrio energetico del budget annuo medio del debito e di credito della potenza termica del pianeta.

Al tempo stesso l’incremento della temperatura effettiva della Terra determinando l’equilibrio radiativo avviene immediatamente con il cambiamento della potenza assorbita in contrasto con la temperatura termodinamica planetaria, determinando l’equilibrio termico. Relative influenze delle variazioni del albedo e la TSI sulla variazione della temperatura reale della Terra possono essere determinate sulla base del bilancio radiativo della Terra come pianeta:

dove, Тe – è la temperatura effettiva della Terra. Cerchiamo di introdurre un efficace incremento della temperatura terrestre ΔТe = Тe – Тeо, dove Тe è il valore corrente della temperatura effettiva, Тeо – il suo valore iniziale.  Riteniamo che questo incremento sia causato dagli incrementi di TSI, ΔSo, e albedo, D A. In questo caso:

Da (3) si può ottenere un’espressione per l’incremento della temperatura della Terra efficace causato dagli incrementi della TSI e albedo:

Per un costante TSI = 0 otteniamo dalla (4):

Tenuto conto dei valori noti della temperatura della Terra efficace il cui valore corrente è Тe = 254,8 К e TSI – So = 1.366 W/m2, e mettendo ΔSo = 0 possiamo ricavare da (5):

Per legame costante albedo ΔА = 0 otteniamo dalla (4):

Usando un valore noto di albedo globale della Terra che, secondo dati recenti è А = 0,30 (Trenberth et al, 2009.) e ΔА = 0 si ottiene dalla (7):

La valutazione del contributo relativo degli incrementi ΔSo  e ΔА al incremento ΔТe può essere fatto prendendo

Dalla (9) si può ottenere il rapporto del contributo degli incrementi ΔSo e ΔA del incremento ΔТe

o

l’aumento della albedo ΔA = 0,003 (1,0%) comporterà una riduzione della temperatura effettiva ΔТ ≈ – 0,27 К, che è praticamente equivalente al bicentenario decremento della TSI  = -5,88 W/m2 (0,435%).Pertanto, il cambiamento nel lungo termine del albedo è una forza potente per le variazioni del clima terrestre. La diminuzione della TSI dello 0,5% D S ¤ = – 6,83 W/m2 con un albedo costante, D А = 0, porta secondo (8) ad una diminuzione della temperatura effettiva di tutta la terra in aria e acqua di ΔТe = – 0,32 К ( la differenza tra i cambiamenti della temperatura dell’aria della superficie terrestre con il tempo e le radiazioni è insignificante). La diminuzione della temperatura effettiva della Terra ΔТe = – 0,32 К, secondo la (6), può causare l’aumento globale del albedo della Terra di D А = 0,0035 ossia 1,16%. Con tale aumento di albedo (+1,16%) la temperatura effettiva della Terra sarà inoltre minore di 0,3 ~ К, che si traduce in una catena di questi cicli. Tuttavia, l’effettiva temperatura (radiativa) del sistema Terra – Atmosfera descrive la libera inerzia senza processo di scambio di calore radiante in regime di equilibrio termico. Dovuto a questo istantaneo bilancio equilibrio radiativo realizzato con relativo avanzamento al totale bilancio energetico (o calore) del pianeta – formula (1) che tiene conto delle variazioni lente dell’entalpia del sistema Terra – Atmosfera.

La temperatura reale è una temperatura radiativa del pianeta e non riflette le variazioni temporali della temperatura planetaria, ma indica la tendenza, la direzione del cambiamento climatico del pianeta. Pertanto, la variazione del valore dell’albedo influenza significativamente i cambiamenti dell’effettiva (radiativa) temperatura della Terra essendo uno dei fattori più importanti che determinano i prossimi cambiamenti climatici. Tuttavia, i cambiamenti della temperatura termodinamica della Terra a causa delle variazioni dell’ albedo e della TSI non si verificano immediatamente, ma con un significativo lasso di tempo, determinato dall’inerzia termica del pianeta (Abdussamatov et al., 2010).

dove l – è la profondità dello strato attivo dell’Oceano. Se la profondità del suo strato attivo è di circa 200-500 м, l’inerzia termica è:

A causa della capacità termica molto grande dell’Oceano, la temperatura termodinamica del pianeta cambia piuttosto lentamente. Quindi le parti in debito e credito del bilancio energetico medio annuo del globo terrestre con la sua aria e l’acqua sono praticamente sempre in uno stato sbilanciato (Е ≠ 0), con saldo positivo o negativo. Tale squilibrio di bilancio medio termico annuo è uno stato di base del sistema climatico della Terra-atmosfera. Durante il declino nel lungo termine della TSI, la variazione media annua dell’entalpia nel sistema Terra-atmosfera risulta essere negativo (E <0), mentre nel lungo termine un aumento del TSI risulta positivo (E> 0). Allo stesso tempo, le variazioni della TSI e l’albedo giocano il ruolo più importante nel cambiamento sia del bilancio energetico del sistema Terra-atmosfera che la sua temperatura termodinamica. Il bilancio medio annuale termico del sistema Terra-atmosfera, nel lungo periodo di tempo, ci permette in modo affidabile di determinare il corso e il valore sia l’eccesso di energia accumulata dalla Terra sia il deficit energetico nel bilancio termico e, in considerazione per i dati della previsione della TSI, è possibile definire con certezza e prevedere con largo anticipo, la direzione (ΔЕ> 0 porta a riscaldamento, ΔЕ <0 – per il raffreddamento) e l’ampiezza delle variazioni future nel clima globale.

 

4. La diminuzione bicentenaria della TSI conduce alla Piccola era Glaciale

Dagli anni 90’, entrambi i valori dei componenti del ciclo undecennale e le componenti bicentenarie delle variazioni della TSI stanno attualmente diminuendo più rapidamente (vedi Figura n° 2), quindi una frazione della TSI assorbita dalla Terra è in calo praticamente alla stessa velocità (vedi ad esempio, Fröhlich, 2011; Abdussamatov, 2007b, 2009a, b). Il valore medio della TSI nel ciclo di 23 era di 0,17 W/m2 in meno rispetto al ciclo 22. Il valore della TSI lisciato nel minimo fra i cicli 23/24 (1365,24 ± 0,02 W/m2) è stato di 0,26 W/m2 e dello 0,33 W/m2 in meno rispetto al minimo tra i cicli 22/23 e 21/22, rispettivamente. Tuttavia, il deficit della TSI che si è formato nel lungo termine, dai primi anni 1990 (vedi Figura n°2) non è stata compensato dalla diminuzione della emissione dell’energia termica intrinseca della Terra nello spazio, ma rimane praticamente allo stesso livello alto per 14 ± 6 anni, a causa della termica inerzia degli oceani del mondo.

Figura n°2
Figura n°2

Poiché il Sole sta ora entrando in una lungo fase bicentenaria di bassa luminosità (ad esempio, Abdussamatov, 2004, 2005, 2007b, Livingston e Penn, 2010; American-astronomico-society, 2011) tale squilibrio energetico del sistema (E < 0 ) continuerà ulteriormente per alcuni dei prossimi cicli solari di 11 anni. Come risultato, la Terra d’ora in poi avrà un saldo negativo (E <0) nel bilancio energetico. Questo consumo graduale di energia solare accumulata dagli oceani del mondo nel corso di tutto il XX secolo comporterà una riduzione della temperatura globale dopo i 14 ± 6 anni, a causa di un saldo negativo nel bilancio energetico della Terra. Ciò, a sua volta, porterà alla nascita dell’albedo sulla Terra, il calo della concentrazione atmosferica dei gas serra più importanti – il vapore acqueo, nonché di biossido di carbonio e altri gas. Notiamo che il vapore acqueo assorbe ~ 68% della potenza intrinseca integrale della lunga onda di emissione della Terra, mentre l’anidride carbonica – solo ~ 12%. Di conseguenza, una porzione della radiazione solare assorbita dalla Terra gradualmente scenderà insieme con le manifestazioni dell’effetto serra causati dagli effetti di retroazione secondari. L’influenza della consecutiva catena crescente di tali modifiche causerà un ulteriore diminuzione della temperatura globale che supererà l’effetto di una diminuzione bicentenaria della TSI. Poiché il Sole si sta ora avvicinando alla fase di una diminuzione di luminosità bicentenaria, sulla base della accelerazione alla diminuzione osservata in entrambe le componenti di 11 anni e bicentenari della TSI dai primi anni ’90, siamo in grado di prevedere il suo ulteriore calo simile ad un minimo di Maunder cosiddetto fino a 1363,4 ± 0,8 W/m2, 1361,0 ± 1,6 W/m2 e fino ad un livello profondo minimo 1359,5 ± 2,4 W/m2 nei minimi tra i cicli di 24/25, 25/26 e 26/27, rispettivamente (vedi Figura n°3) .

Figura n°3
Figura n°3

Ipotizzando un aumento previsto della durata dei cicli di undici anni durante la fase di declino di un ciclo bicentenario (Abdussamatov, 2006, 2009a, b), ci si può aspettare il momento approssimativo di minima fra i cicli 24/25, 25/26 e 26/27 ± 0,6 2020,3, 2031,6 e 2042,9 ± 1,2 ± 1,8, rispettivamente. In queste circostanze per dei cicli di 13 mesi, il livello medio del massimo del numero di macchie solari nei cicli 24, 25 e 26 potrà raggiungere 65 ± 15, 45 e 30 ± 20 ± 20, rispettivamente (Abdussamatov, 2007b, 2009a, b). Quindi, possiamo aspettarci l’inizio 

di un profondo minimo bicentenario della TSI in circa 2042 ± 11 e 19° minimo profondo della temperatura globale negli ultimi 7500 anni – nel 2055 ± 11 (vedi Figura n°4).

Figura n°4
Figura n°4

Nel prossimo futuro si osserverà un periodo di transizione (tra riscaldamento globale e il raffreddamento globale), di cambiamenti climatici instabili con la temperatura globale fluttuante attorno al suo valore massimo raggiunto nel periodo 1998-2005. Dopo il massimo del ciclo solare 24, da circa il 2014 ci si può aspettare l’inizio del prossimo ciclo bicentenario di raffreddamento profondo con una piccola era glaciale nel 2055 ± 11. Così, nel lungo termine le variazioni della TSI (con una stima per la loro diretta e secondaria influenza, basata su effetti di retroazione) sono la principale causa fondamentale dei cambiamenti climatici in quanto la variazioni del clima terrestre è determinata principalmente da un lungo periodo di squilibrio tra l’energia della radiazione solare che entra negli strati superiori dell’atmosfera terrestre e l’energia totale emessa dalla Terra verso lo spazio.

 

Fonte : http://icecap.us/images/uploads/abduss_APR.pdf

 

Michele

 

 

 

 

Riferimenti :

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