二氧化碳浓度上升增强空间风暴的惊人方式

地磁暴是由太阳表面爆发的大量带电粒子冲击地球大气层引起的，对我们这个依赖技术的社会构成日益严峻的挑战。此类风暴会暂时增加高层大气的密度，从而增加卫星受到的阻力，影响其运行速度、轨道高度及在轨工作寿命。

这项新研究采用先进的计算机模型确定：与同等强度的当代地磁暴相比，未来地磁暴期间高层大气的密度将会降低。这是因为基准密度将下降，且未来风暴不会将密度提升至当前风暴所达到的水平。

然而，密度增加的相对幅度——即多日风暴期间从基准值升至峰值的增幅——在未来风暴中将会更大。

论文主要作者、美国国家科学基金会国家大气研究中心（NSF NCAR）科学家尼古拉斯·佩达泰拉表示："来自太阳的能量影响大气层的方式未来将发生变化，因为大气背景密度不同会产生不同的响应。对卫星行业而言，鉴于需要根据特定大气条件设计卫星，这是尤为关键的问题。"

这项与日本九州大学的合作研究发表于《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）。

更冷更稀薄的空气

近几十年来，由于社会对先进导航系统、在线数据传输、国家安全应用及其他依赖卫星运行技术的依赖，地球高层大气的重要性日益凸显。

与因二氧化碳排放而变暖的低层大气不同，高层大气会变冷。这与二氧化碳的多重效应有关：在空气极其稀薄的高海拔区域，二氧化碳不再像地表附近相对稠密的大气中那样吸收并向邻近分子再辐射热量，而是将热量重新辐射到太空。

先前研究已估算出二氧化碳及其他温室气体浓度上升将导致高层大气中性密度（即氧和氮等非电离粒子的浓度）下降的程度。但佩达泰拉及其团队提出了一个不同的问题：未来强地磁暴期间的大气密度将如何变化？

研究人员聚焦于2024年5月10-11日发生的超级地磁暴，当时一系列被称为日冕物质抛射的强烈太阳扰动冲击了地球大气层。他们分析了大气层对同等级风暴在2016年及三个未来年份（分别位于11年太阳活动周期低谷附近：2040年、2061年和2084年）可能产生的响应。

为完成分析，他们采用基于NSF NCAR的建模系统——包含热层-电离层延伸模块的社区地球系统模型全大气社区气候模型（CESM2-WACCMX）。该系统能模拟从地表至500-700公里（约310-435英里）高空热层顶端的整层大气，使科学家得以确定低层大气变化（如温室气体浓度升高）如何影响高空遥远区域的大气。

相关模拟在NSF NCAR-怀俄明超级计算中心的Derecho超级计算机上运行。

研究发现：假设二氧化碳浓度显著升高，本世纪末遭遇与去年强度相当的风暴时，高层大气各区域的峰值密度将降低20%-50%。然而，与风暴前后的密度基准相比，密度的相对变化幅度将更大。当前此类风暴会使峰值密度增加一倍以上，而未来可能增至近三倍。这是因为同等风暴对更稀薄的大气将产生比例上更大的影响。

佩达泰拉指出，需进一步研究以更好理解空间天气的变化规律，包括分析不同类型的地磁暴，以及在11年太阳活动周期内大气密度变化的不同阶段，其影响是否会存在差异。

"我们现在的模型具备探索低层与高层大气间复杂关联的能力，"他表示，"了解这些变化的发生机制至关重要，因其将对大气环境产生深远影响。"

本材料基于美国国家科学基金会国家大气研究中心（NSF NCAR）支持的研究工作。NSF NCAR是由美国国家科学基金会资助、并由大学大气研究联盟管理的重要设施。本材料表达的任何观点、发现、结论或建议均不一定反映美国国家科学基金会的立场。