NASA的新数据为气候模型提供了启示

你是否曾在阳光明媚的日子里穿一件深色的T恤,在阳光的照射下感觉它很温暖?我们大多数人都知道深色吸收阳光,浅色反射阳光——但你知道在太阳的不可见波长中,这并不是同样的工作方式吗?

太阳是地球的能量来源,它以可见光、紫外线(短波长)和近红外辐射(我们称之为热量)的形式释放能量。可见光会被雪和冰等浅色表面反射,而森林或海洋等深色表面会吸收可见光。这种反射率,称为反照率,是地球调节温度的一个关键方式——如果地球吸收的能量多于反射的能量,则地球变暖;如果地球反射的能量大于吸收的能量,则地球变凉。

当科学家们将其他波长纳入其中时,情况就变得更加复杂了。在光谱的近红外部分,像冰和雪这样的表面是不反射的——事实上,它们吸收近红外光线的方式与深色T恤吸收可见光的方式非常相似。

“人们认为雪是反光的。它是如此闪亮,”位于纽约市的美国宇航局戈达德空间研究所主任、美国宇航局代理高级气候顾问加文·施密特(Gavin Schmidt)说。“但事实证明,在光谱的近红外部分,它几乎是黑色的。”

显然,对于气候科学家来说,要全面了解太阳能是如何进入和退出地球系统,他们需要包括可见光之外的其他波长。
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地球的能量预算是对从太阳接收到的能量与辐射回太空的能量之间微妙平衡的隐喻。对地球能量收支精确细节的研究对于理解地球气候可能如何变化以及太阳能输出的变化至关重要。
图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

这就是NASA的总光谱太阳辐照度传感器(TSIS-1)的用途。从它在国际空间站上的有利位置,TSIS-1不仅测量到达地球大气层的总太阳辐照度(能量),还测量每个波长有多少能量进入。这种测量被称为光谱太阳辐照度,简称SSI。TSIS-1的光谱辐照度监测仪(SIM)由科罗拉多大学博尔德分校的大气和空间物理实验室开发,测量SSI的精度优于0.2%,或在真实SSI值的99.8%以内。

“有了TSIS-1,我们对可见光和近红外光的测量更有信心,”密歇根大学气候与空间科学与工程学系教授黄向磊(Xianglei Huang)博士说。“你如何划分每个波长的能量量对平均气候有影响。”

落在地球上的光的组成对理解地球的能量预算很重要。NASA的总光谱太阳辐照度传感器(TSIS-1)测量1000种不同波长的太阳能量,包括可见光、紫外线和红外线,统称为太阳光谱辐照度。
视频来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

黄和他在密歇根大学、NASA戈达德太空飞行中心(位于马里兰州格林贝尔特)和科罗拉多大学博尔德分校的同事们最近首次在全球气候模型中使用了TSIS-1 SSI数据。“过去的几项研究使用了多种SSI输入来分析气候模型的敏感性——然而,这项研究是第一个调查新数据如何改变地球极地太阳能反射和吸收模型的研究。”戈达德的TSIS-1项目科学家吴董(Dong Wu)说。

他们发现,当他们使用新的数据时,与使用旧的太阳数据相比,该模型在冰和水吸收和反映的能量方面显示出统计上的显著差异。该团队运行了名为社区地球系统模型(CESM2)的模型两次:一次是使用18个月期间平均的TSIS-1新数据,另一次是使用基于NASA退役的太阳辐射和气候实验(SORCE)数据的旧的、重建的平均值。

研究小组发现,与SORCE重建的旧模型相比,TSIS-1的数据在可见光波长中存在更多的能量,而在近红外波长中的能量较少。这些差异意味着,在TSIS-1运行中,海冰吸收的能量更少,反射的能量更多,因此极地温度降低了0.5到1.3华氏度,夏季海冰的覆盖面积增加了约2.5%。

“我们想知道新的观测数据与以前的模型研究中使用的观测数据如何比较,以及这如何影响我们对气候的看法,”主要作者敬宪文(Xianwen Jing)博士说,他作为密歇根大学气候与空间科学和工程系的博士后学者进行了这项研究。“如果可见波段的能量较多,近红外波段的能量较少,这将影响表面吸收的能量的多少。这可以影响海冰的增减,以及高纬度地区的寒冷程度。”

黄说,这告诉我们,除了监测太阳总辐照度之外,我们还需要密切关注光谱。虽然更准确的SSI信息不会改变气候变化的大局,但它可能帮助建模者更好地模拟不同波长的能量如何影响气候过程,如冰的行为和大气化学。

这组作者警告说,即使新的数据使极地气候看起来有所不同,但在科学家能够利用它来预测未来的气候变化之前,仍有更多的步骤要做。该团队的下一步工作包括调查TSIS数据如何影响低纬度的模型,以及在未来继续观测,以了解SSI在整个太阳周期中的变化。

了解更多关于太阳能如何与地球表面和系统相互作用的信息——在所有波长——将为科学家提供更多和更好的信息,以模拟现在和未来的气候。在TSIS-1和它的继任者TSIS-2的帮助下(将于2023年发射升空),NASA正在揭示地球的能量平衡及其变化方式。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/new-nasa-data-sheds-sun-light-on-climate-models

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