二氧化碳浓度上升加剧空间风暴的意想不到的方式

地磁暴由太阳表面喷发的大量带电粒子冲击地球大气层引发，对我们这个依赖技术的社会构成了日益严峻的挑战。这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、轨道高度及服役寿命。

新研究采用先进的计算机模型发现：与同等强度的当代地磁暴相比，未来地磁暴期间的高层大气密度将会降低。这是因为大气基准密度将下降，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，未来风暴造成的密度增幅相对量值——即在持续多日的风暴中从基准值升至峰值的变化幅度——将会更大。

研究报告第一作者、美国国家科学基金会大气研究中心（NSF NCAR）科学家尼古拉斯·佩达泰拉指出："太阳能量影响大气层的方式未来将发生变化，因为大气背景密度改变会引发不同响应。这对卫星产业尤为重要，设计卫星时需要针对特定的大气条件。"

这项与日本九州大学的合作研究成果发表于《地球物理研究通讯》。

更寒冷稀薄的空气

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的技术日益依赖，地球高层大气的重要性与日俱增。

与因二氧化碳排放而变暖的低层大气不同，高层大气正逐渐变冷。这与二氧化碳的不同影响机制有关：在空气稀薄的高海拔区域，二氧化碳不再像在地表附近相对稠密的大气层中那样吸收热量并向邻近分子重新辐射热量，而是将热量重新辐射到太空。

先前研究已估算了二氧化碳及其他温室气体浓度上升导致高层大气中性密度（即氧、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日的地磁超级风暴，当时被称为日冕物质抛射的一系列强烈太阳扰动冲击了地球大气层。他们分析了同等强度的风暴在2016年以及未来三个太阳活动极小期年份（2040年、2061年和2084年）可能引发的大气响应。

为完成分析，团队采用了NSF NCAR的建模系统——包含热层-电离层扩展模块的社区地球系统模型全大气社区气候模型（CESM2-WACCM-X）。该系统可模拟从地表至高热层（地表上方500-700公里，约310-435英里）的整个大气层，使科学家能够确定低层大气变化（如温室气体浓度升高）如何影响高空遥远区域。

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：假定二氧化碳浓度显著升高，本世纪后期在强度与去年风暴相当的磁暴高峰期，高层大气不同区域的密度将降低20-50%。然而，与风暴前后的基准密度相比，密度的相对变化幅度将会更大。当前此类风暴高峰期密度会增至两倍以上，而未来可能增至近三倍。这是因为同等强度的风暴对更稀薄大气产生的比例效应更大。

佩达泰拉表示需要更多研究来深入理解空间天气的变化，包括探究不同类型的地磁暴及其在11年太阳周期不同阶段（此时大气密度发生变化）的影响差异。

"我们现在的模型有能力探索低层与高层大气间极其复杂的关联，"他强调，"了解这些变化至关重要，因为它们将对我们的大气环境产生深远影响。"

本材料基于美国国家科学基金会大气研究中心（NSF NCAR）支持的工作。NSF NCAR是美国国家科学基金会资助的重大设施，由大学大气研究联盟管理。本材料表达的任何观点、发现、结论或建议不一定反映美国国家科学基金会的立场。