Modélisation de l'irradiance solaire spectrale dans le proche et moyen ultraviolet

Nous présentons un modèle pour l’irradiance solaire spectrale entre 200 et 400 nm. Celui-ci est une extension d’un modèle d’irradiance solaire totale basé sur la simulation de la fragmentation et l’érosion des taches qui utilise, en entrée, les positions et aires des taches observées pour chaque pas de temps d’une journée. L’émergence des taches sur la face du Soleil opposée à la Terre est simulée par une injection stochastique. Le modèle simule ensuite leur désintégration, qui produit des taches plus petites et des facules. Par la suite, l’irradiance est calculée en sommant la contribution des taches, des facules et du Soleil inactif. Les paramètres libres du modèle sont ajustés en comparant les séquences temporelles produites avec les données provenant de divers satellites s’étalant sur trois cycles d’activité. Le modèle d’irradiance spectrale, quant à lui, a été obtenu en modifiant le calcul de la contribution des taches et des facules, ainsi que celle du Soleil inactif, afin de tenir compte de leur dépendance spectrale. Le flux de la photosphère inactive est interpolé sur un spectre synthétique non magnétisé, alors que le contraste des taches est obtenu en calculant le rapport du flux provenant d’un spectre synthétique représentatif des taches et de celui provenant du spectre représentatif du Soleil inactif. Le contraste des facules est quand à lui calculé avec une procédure simple d’inversion de corps noir. Cette dernière nécessite l’utilisation d’un profil de température des facules obtenu à l’aide de modèles d’atmosphère. Les données produites avec le modèle d’irradiance spectrale sont comparées aux observations de SOLSTICE sur UARS. L’accord étant peu satisfaisant, particulièrement concernant le niveau d’irradiance minimal ainsi que l’amplitude des variations, des corrections sont appliquées sur le flux du Soleil inactif, sur le profil de température des facules, ainsi qu’à la dépendance centre-bord du contraste des facules. Enfin, un profil de température des facules est reconstruit empiriquement en maximisant l’accord avec les observations grâce à un algorithme génétique. Il est utilisé afin de reconstruire les séquences temporelles d’irradiance jusqu’en 1874 à des longueurs d’ondes d’intérêt pour la chimie et la dynamique stratosphérique.

Modélisation de l'irradiance solaire totale et spectrale et applications à la chimie stratosphérique terrestre

Cette thèse présente des reconstructions de l'irradiance totale et spectrale durant les 400 dernières années à l'aide des modèles pour l'irradiance totale et l'irradiance spectrale dans l'ultraviolet développés à l'Université de Montréal. Tous deux sont basés sur la simulation de l'émergence, de la fragmentation et de l'érosion des taches solaires, qui permet d'obtenir une distribution de l'aire des taches sombres et des facules brillantes en fonction du temps. Ces deux composantes sont principalement responsables de la variation de l'irradiance sur l'échelle de temps de la décennie, qui peut être calculée en sommant leur émissivité à celle de la photosphère inactive. La version améliorée du modèle d'irradiance solaire spectrale MOCASSIM inclut une extension de son domaine spectral entre 150 et 400 nm ainsi que de son domaine temporel, débutant originalement en 1874 et couvrant maintenant la période débutant en 1610 jusqu'au présent. Cela permet de reconstruire le spectre ultraviolet durant le minimum de Maunder et de le comparer à celui du minimum de 2009. Les conclusions tirées de cette étude spécifient que l'émissivité dans l'ultraviolet était plus élevée en 2009 que durant le minimum de Maunder, que le niveau de base de la photosphère non magnétisée contribuait pour environ les deux tiers de cette différence et que les structures magnétiques restantes étaient responsables pour le tiers restant. Le modèle d'irradiance totale a vu son domaine temporel étendu sur la même période et une composante représentant le réseau magnétique de façon réaliste y a été ajoutée. Il a été démontré que les observations des 30 dernières années ne sont bien reproduites qu'en incluant la composante du Soleil non magnétisé variable à long terme. Le processus d'optimisation des paramètres libres du modèle a été effectué en minimisant le carré de la somme de l'écart journalier entre les résultats des calculs et les données observées. Les trois composites disponibles, soit celui du PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), d'ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) et du IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique), ne sont pas en accord entre eux, en particulier au niveau des minima du cycle d'activité, et le modèle permet seulement de reproduire celui du PMOD avec exactitude lorsque la composante variable à long terme est proportionnelle au flux radio à 10.7 cm. Toutefois, en utilisant des polynômes de Lagrange pour représenter la variation du Soleil inactif, l'accord est amélioré pour les trois composites durant les minima, bien que les relations entre le niveau minimal de l'irradiance et la longueur du cycle précédent varient d'un cas à l'autre. Les résultats obtenus avec le modèle d'irradiance spectrale ont été utilisés dans une étude d'intercomparaison de la réponse de la photochimie stratosphérique à différentes représentations du spectre solaire. Les simulations en mode transitoire d'une durée de 10 jours ont été effectuées avec un spectre solaire constant correspondant soit à une période d'activité minimale ou à une période d'activité maximale. Ceci a permis d'évaluer la réponse de la concentration d'ozone à la variabilité solaire au cours d'un cycle et la différence entre deux minima. En plus de ceux de MOCASSIM, les spectres produits par deux modèles ont été utilisés (NRLSSI et MGNM) ainsi que les données de SIM et SOLSTICE/SORCE. La variabilité spectrale de chacun a été extraite et multipliée à un spectre de base représentant le minimum d'activité afin de simuler le spectre au maximum d'activité. Cela a été effectué dans le but d'isoler l'effet de la variabilité seule et d'exclure celui de la valeur absolue du spectre. La variabilité spectrale d'amplitude relativement élevée des observations de SORCE n'a pas provoqué l'inversion de la réponse de l'ozone à hautes altitudes obtenues par d'autres études, ce qui peut être expliqué par la nature même du modèle utilisé ainsi que par sa limite supérieure en altitude. Finalement, la réponse de l'ozone semble être à peu près proportionnelle à la variabilité de l'intégrale du flux pour lambda<241 nm. La comparaison des concentrations d'ozone obtenues avec les spectres originaux au minimum d'activité démontre que leur différence est du même ordre de grandeur que la variabilité entre le minimum et le maximum d'un cycle typique. Le problème du choix de la reconstruction de l'irradiance à utiliser pour les simulations climatiques dans le passé demeure non résolu.

Stratospheric temperature and radiative forcing response to 11-year solar cycle changes in irradiance and ozone

The 11-yr solar cycle temperature response to spectrally resolved solar irradiance changes and associated ozone changes is calculated using a fixed dynamical heating (FDH) model. Imposed ozone changes are from satellite observations, in contrast to some earlier studies. A maximum of 1.6 K is found in the equatorial upper stratosphere and a secondary maximum of 0.4 K in the equatorial lower stratosphere, forming a double peak in the vertical. The upper maximum is primarily due to the irradiance changes while the lower maximum is due to the imposed ozone changes. The results compare well with analyses using the 40-yr ECMWF Re-Analysis (ERA-40) and NCEP/NCAR datasets. The equatorial lower stratospheric structure is reproduced even though, by definition, the FDH calculations exclude dynamically driven temperature changes, suggesting an important role for an indirect dynamical effect through ozone redistribution. The results also suggest that differences between the Stratospheric Sounding Unit (SSU)/Microwave Sounding Unit (MSU) and ERA-40 estimates of the solar cycle signal can be explained by the poor vertical resolution of the SSU/MSU measurements. The adjusted radiative forcing of climate change is also investigated. The forcing due to irradiance changes was 0.14 W m−2, which is only 78% of the value obtained by employing the standard method of simple scaling of the total solar irradiance (TSI) change. The difference arises because much of the change in TSI is at wavelengths where ozone absorbs strongly. The forcing due to the ozone change was only 0.004 W m−2 owing to strong compensation between negative shortwave and positive longwave forcings.

Recent oppositely directed trends in solar climate forcings and the global mean surface air temperature. II. Different reconstructions of the total solar irradiance variation and dependence on response time scale

We have previously placed the solar contribution to recent global warming in context using observations and without recourse to climate models. It was shown that all solar forcings of climate have declined since 1987. The present paper extends that analysis to include the effects of the various time constants with which the Earth’s climate system might react to solar forcing. The solar input waveform over the past 100 years is defined using observed and inferred galactic cosmic ray fluxes, valid for either a direct effect of cosmic rays on climate or an effect via their known correlation with total solar irradiance (TSI), or for a combination of the two. The implications, and the relative merits, of the various TSI composite data series are discussed and independent tests reveal that the PMOD composite used in our previous paper is the most realistic. Use of the ACRIM composite, which shows a rise in TSI over recent decades, is shown to be inconsistent with most published evidence for solar influences on pre-industrial climate. The conclusions of our previous paper, that solar forcing has declined over the past 20 years while surface air temperatures have continued to rise, are shown to apply for the full range of potential time constants for the climate response to the variations in the solar forcings.

Ultrastructural alterations in mesophyll and bundle sheath chloroplasts of two maize cultivars in response to chilling at high irradiance

Maize (Zea mays L.) seedlings of two cultivars (cv. Bastion adapted to W. Europe, and cv. Batan 8686 adapted to the highlands of Mexico), raised in a glasshouse (19-25 degrees C), were transferred to 4.5 or 9 degrees C at photon flux density (PPFD) of 950 mu mol m(-2) s(-1) with 10-h photoperiod for 58 h and then allowed to recover at 22 degrees C for 16 h (14 h dark and 2 h at PPFD of 180 mu mol m(-2) s(-1)). The ultrastructural responses after 4 h or 26 h at 4.5 degrees C were the disappearance of starch grains in the bundle sheath chloroplasts and the contraction of intrathylakoid spaces in stromal thylakoids of the mesophyll chloroplasts. At this time, bundle sheath chloroplasts of cv. Batan 8686 formed peripheral reticulum. Prolonged stress at 4.5 degrees C (50 h) caused plastid swelling and the dilation of intrathylakoid spaces, mainly in mesophyll chloroplasts. Bundle sheath chloroplasts of cv. Batan 8686 seedlings appeared well preserved in shape and structure. Batan 8686 had also higher net photosynthetic rates during chilling and recovery than Bastion. Extended leaf photobleaching developed during the recovery period after chilling at 4.5 degrees C. This was associated with collapsed chloroplast envelopes, disintegrated chloroplasts and very poor staining.

UV irradiance as a major influence on growth, development and secondary products of commercial importance in Lollo Rosso lettuce 'Revolution' grown under polyethylene films

The growth and production of anthocyanin, flavonoid and phenolic compounds were evaluated in Lollo Rosso lettuce 'Revolution' grown continuously under films varying in their ability to transmit LTV radiation (completely transparent to IN, transparent above 320, 350, 370 and 3 80 nm and completely opaque to LTV radiation). Plants were grown from seed under UV transparent and UV blocking films and destructively harvested 3-4 weeks after transplanting. Plants under a complete UV blocking film (UV400) produced up to 2.2 times more total above ground dry weight than plants under the UV transparent film. In contrast, anthocyanin content in plants under the UV blocking film was approximately eight times lower than in plants under a UV transparent film. Furthermore, there was a curvilinear relationship between the anthocyanin content and LTV wavelength cutoff such that above 370 run there was no further reduction in anthocyanin content. Fluorescence measurements indicated that photosynthetic performance index was 15% higher under the presence of UVB and UVA (UV280) than under the presence of UVA (UV320) and 53% higher than in the absence of UV radiation suggesting protection of the photosynthetic apparatus possibly by phenolic compounds. These findings are of particular importance as the potential of UV transmitting films to increase secondary compounds may offer the opportunity to produce plants commercially with increased health benefits compared to those grown under conventional films.

Was UV spectral solar irradiance lower during the recent low sunspot minimum?

A detailed analysis is presented of solar UV spectral irradiance for the period between May 2003 and August 2005, when data are available from both the Solar Ultraviolet pectral Irradiance Monitor (SUSIM) instrument (on board the pper Atmosphere Research Satellite (UARS) spacecraft) and the Solar Stellar Irradiance Comparison Experiment (SOLSTICE) instrument (on board the Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE) satellite). The ultimate aim is to develop a data composite that can be used to accurately determine any differences between the “exceptional” solar minimum at the end of solar cycle 23 and the previous minimum at the end of solar cycle 22 without having to rely on proxy data to set the long‐term change. SUSIM data are studied because they are the only data available in the “SOLSTICE gap” between the end of available UARS SOLSTICE data and the start of the SORCE data. At any one wavelength the two data sets are considered too dissimilar to be combined into a meaningful composite if any one of three correlations does not exceed a threshold of 0.8. This criterion removes all wavelengths except those in a small range between 156 nm and 208 nm, the longer wavelengths of which influence ozone production and heating in the lower stratosphere. Eight different methods are employed to intercalibrate the two data sequences. All methods give smaller changes between the minima than are seen when the data are not adjusted; however, correcting the SUSIM data to allow for an exponentially decaying offset drift gives a composite that is largely consistent with the unadjusted data from the SOLSTICE instruments on both UARS and SORCE and in which the recent minimum is consistently lower in the wave band studied.

Experimental and modeled UV erthemal irradiance under overcast conditions: the role of cloud optical depth

This paper evaluates the relationship between the cloud modification factor (CMF) in the ultraviolet erythe- mal range and the cloud optical depth (COD) retrieved from the Aerosol Robotic Network (AERONET) "cloud mode" algorithm under overcast cloudy conditions (confirmed with sky images) at Granada, Spain, mainly for non-precipitating, overcast and relatively homogenous water clouds. Empirical CMF showed a clear exponential dependence on experimental COD values, decreasing approximately from 0.7 for COD=10 to 0.25 for COD=50. In addition, these COD measurements were used as input in the LibRadtran radia tive transfer code allowing the simulation of CMF values for the selected overcast cases. The modeled CMF exhibited a dependence on COD similar to the empirical CMF, but modeled values present a strong underestimation with respect to the empirical factors (mean bias of 22 %). To explain this high bias, an exhaustive comparison between modeled and experimental UV erythemal irradiance (UVER) data was performed. The comparison revealed that the radiative transfer simulations were 8 % higher than the observations for clear-sky conditions. The rest of the bias (~14 %) may be attributed to the substantial underestimation of modeled UVER with respect to experimental UVER under overcast conditions, although the correlation between both dataset was high (R2 ~ 0.93). A sensitive test showed that the main reason responsible for that underestimation is the experimental AERONET COD used as input in the simulations, which has been retrieved from zenith radiances in the visible range. In this sense, effective COD in the erythemal interval were derived from an iteration procedure based on searching the best match between modeled and experimental UVER values for each selected overcast case. These effective COD values were smaller than AERONET COD data in about 80 % of the overcast cases with a mean relative difference of 22 %.

An evaluation of the correlation between open solar flux and total solar irradiance

The correlation between the coronal source flux F_{S} and the total solar irradiance I_{TS} is re-evaluated in the light of an additional 5 years' data from the rising phase of solar cycle 23 and also by using cosmic ray fluxes detected at Earth. Tests on monthly averages show that the correlation with F_{S} deduced from the interplanetary magnetic field (correlation coefficient, r = 0.62) is highly significant (99.999%), but that there is insufficient data for the higher correlation with annual means (r = 0.80) to be considered significant. Anti-correlations between I_{TS} and cosmic ray fluxes are found in monthly data for all stations and geomagnetic rigidity cut-offs (r ranging from −0.63 to −0.74) and these have significance levels between 85% and 98%. In all cases, the t is poorest for the earliest data (i.e., prior to 1982). Excluding these data improves the anticorrelation with cosmic rays to r = −0:93 for one-year running means. Both the interplanetary magnetic field data and the cosmic ray fluxes indicate that the total solar irradiance lags behind the open solar flux with a delay that is estimated to have an optimum value of 2.8 months (and is within the uncertainty range 0.8-8.0 months at the 90% level).

Long-term drift of the coronal source magnetic flux and the total solar irradiance

We test the method of Lockwood et al. [1999] for deriving the coronal source flux from the geomagnetic aa index and show it to be accurate to within 12% for annual means and 4.5% for averages over a sunspot cycle. Using data from four solar constant monitors during 1981-1995, we find a linear relationship between this magnetic flux and the total solar irradiance. From this correlation, we show that the 131% rise in the mean coronal source field over the interval 1901-1995 corresponds to a rise in the average total solar irradiance of {\Delta}I = 1.65 +/- 0.23 Wm^{-2}.