Reconstruction of annual solar irradiance over the last three millennia

Resumen Técnico: Reconstrucción de la Irradiancia Solar Anual durante los Últimos Tres Milenios

Planteamiento del Problema
Las mediciones directas de la Irradiancia Solar Total (TSI) se limitan a la era satelital (desde 1978), dejando una brecha significativa en la comprensión de la variabilidad solar en escalas temporales superiores a unas pocas décadas. Aunque los números de manchas solares (SN) proporcionan un registro observacional directo que se remonta cuatro siglos, representan únicamente el componente oscuro del magnetismo de la superficie solar. No ofrecen información directa sobre las características magnéticas brillantes (fáculas y red), que dominan la variabilidad de la irradiancia en escalas temporales del ciclo solar y superiores. En consecuencia, las reconstrucciones de irradiancia basadas únicamente en SN deben inferir indirectamente la evolución del campo magnético total, una limitación que se vuelve crítica durante períodos prolongados de actividad muy baja (mínimos grandiosos) cuando SN se aproxima a cero. Las reconstrucciones anteriores basadas en la física para el Holoceno se restringieron a una resolución decenal debido a la baja relación señal-ruido en los datos de isótopos cosmogénicos.

Metodología
Los autores presentan una reconstrucción basada en la física de la TSI anual durante los últimos tres milenios, extendiendo el modelo SATIRE-T (Reconstrucciones Espectrales y de Irradiancia Total) más allá de la era telescópica. La metodología se basa en los siguientes componentes:

• Marco del Modelo: El estudio utiliza el modelo SATIRE-T, revisado y optimizado en Temaj et al. (2026, "Paper 1"). Este modelo calcula la variabilidad de la irradiancia a partir de la cobertura fraccional del disco de manchas solares, fáculas y regiones de red, derivada de la evolución temporal del campo magnético de la superficie solar. La evolución del flujo magnético está gobernada por ecuaciones diferenciales ordinarias acopladas que tienen en cuenta la emergencia, el transporte y la desintegración del flujo. Crucialmente, el modelo incorpora un modelo de emergencia revisado (Krivova et al. 2021) donde las regiones magnéticas de todos los tamaños emergen según una única distribución de ley de potencias. Esto asegura una emergencia continua de flujo magnético a pequeña escala incluso durante períodos de números de manchas solares cero o cercanos a cero, manteniendo un campo magnético de fondo realista.
• Datos de Entrada: El modelo se impulsa mediante reconstrucciones de números de manchas solares con resolución anual derivadas de registros de isótopos cosmogénicos (específicamente $^{14}$C en anillos de árboles) por Usoskin et al. (2021, 2025, 2026). Estos conjuntos de datos cubren los períodos 971–1899 d.C., 997–1 a.C. y 1–969 d.C.
• Manejo de la Resolución Temporal: Dado que el modelo de evolución del flujo magnético opera con una cadencia diaria, las entradas anuales de SN se convierten en series temporales diarias utilizando una representación de "caja" (box-car), donde el valor anual de SN se asigna uniformemente a todos los días del año correspondiente. Esto preserva exactamente la media anual.
• Manejo de Valores Negativos: Las reconstrucciones de SN basadas en $^{14}$C ocasionalmente producen valores ligeramente negativos durante mínimos grandiosos debido al ruido estadístico. Los autores conservan estos valores ya que reflejan la modulación subyacente de los rayos cósmicos. Para SN < 0, la pendiente dependiente de la actividad de la distribución de emergencia de flujo se extrapola linealmente desde los valores positivos más bajos, una elección considerada tener un impacto negligible en la irradiancia reconstruida dada la emergencia de flujo extremadamente débil en este régimen.
• Validación: La reconstrucción se valida contra el registro de la era telescópica (utilizando ISNv2, GSN y otros conjuntos de datos) y reconstrucciones independientes de índices geomagnéticos (Lockwood & Owens 2024).

Contribuciones Clave

• Primera Reconstrucción Física Anual: Este trabajo proporciona la primera reconstrucción basada en la física y con resolución anual de la TSI para la era pre-telescópica, extendiendo el registro en más de 2.5 milenios.
• Consistencia entre Eras: Al aplicar el mismo modelo físico y parámetros utilizados para la era telescópica a las entradas de SN derivadas de isótopos cosmogénicos, el estudio asegura una extensión físicamente consistente del registro de irradiancia.
• Resolución de Mínimos Grandiosos: El enfoque aborda la limitación de los modelos anteriores basados solo en SN durante mínimos grandiosos al utilizar un modelo de emergencia de flujo que no depende exclusivamente de la presencia de manchas solares para generar un campo magnético de fondo.

Resultados

• Variabilidad de la TSI: Durante todo el intervalo de tres milenios, la TSI reconstruida exhibe una diferencia máxima de $1.04^{+0.14}_{-0.2}$ W m$^{-2}$ entre el máximo y el mínimo de los valores de la media móvil de 50 años. El rango de incertidumbre (0.84–1.18 W m$^{-2}$) refleja la dispersión obtenida al impulsar el modelo con los límites superior e inferior de la reconstrucción de SN basada en $^{14}$C.
• Comparación con Trabajos Anteriores: La amplitud inferida de la variabilidad secular se sitúa en el extremo inferior de las reconstrucciones multimilenarias publicadas anteriormente. Los autores señalan que tales comparaciones están inherentemente limitadas por diferencias en la resolución temporal y que las magnitudes de la variabilidad a largo plazo están efectivamente restringidas por la calibración del modelo a observaciones modernas, más que por la extensión milenaria en sí misma.
• Verificaciones de Consistencia: La reconstrucción de TSI basada en $^{14}$C cae bien dentro del rango de incertidumbres derivadas de conjuntos de datos alternativos de manchas solares telescópicas (por ejemplo, ISNv2 vs. CEA17 GSN) durante el período de superposición (1600–1900). El Flujo Solar Abierto (OSF) reconstruido también es consistente con reconstrucciones geomagnéticas independientes.
• Comportamiento en Baja Actividad: Durante mínimos extendidos, la reconstrucción restringe principalmente el nivel medio de actividad en lugar de resolver ciclos solares específicos. Los autores notan una ligera asimetría donde las excursiones positivas alrededor de SN cero aumentan la TSI más eficazmente de lo que las excursiones negativas la reducen, lo que podría conducir a un ligero sesgo al alza en la TSI promediada en el tiempo durante mínimos grandiosos.

Significado
El artículo afirma proporcionar un registro importante para estudios que requieren forzamiento solar a largo plazo con resolución anual. Al demostrar que la variabilidad de la irradiancia con resolución anual puede reconstruirse de manera físicamente consistente más allá del período de observaciones solares directas, este trabajo cierra la brecha entre las mediciones de la era satelital y el registro climático del Holoceno. Los autores enfatizan que, aunque la reconstrucción es una extensión del modelo SATIRE-T validado, la magnitud de la variabilidad a largo plazo sigue estando restringida por la formulación del modelo y su calibración a datos modernos. El conjunto de datos resultante se pone a disposición de la comunidad para su uso en estudios de relaciones sol-tierra.