二氧化碳浓度上升引发空间风暴超强爆发的意外机制

地磁暴由太阳表面爆发的大量带电粒子冲击地球大气层引起，对我们这个依赖技术的社会构成日益严峻的挑战。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、高度及在轨寿命。

这项新研究采用先进计算机模型发现，未来发生同等强度的地磁暴时，高层大气密度将低于当前水平。这是由于基准密度将降低，且未来风暴引发的密度增幅无法达到当前风暴的水平。

然而，未来风暴造成的密度相对增幅——即多日风暴期间从基准值到峰值的上升程度——将会更大。

"太阳能量影响大气层的方式将在未来发生变化，因为大气背景密度不同会产生不同的响应，"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。"对卫星行业而言，由于需要根据特定大气条件设计卫星，这尤为重要。"

这项与日本九州大学合作的研究发表于《地球物理研究快报》。

更寒冷稀薄的空气

近几十年来，随着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，高层大气会变得更冷。这与二氧化碳的不同影响有关：在空气稀薄的高海拔区域，二氧化碳不再像地表附近相对稠密的大气中那样吸收热量并向邻近分子再辐射，而是将热量再辐射到太空。

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、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，当时一系列被称为日冕物质抛射的强大太阳扰动冲击了地球大气层。他们分析了大气层若在2016年及三个未来太阳活动极小期年份（2040年、2061年和2084年）遭遇同等风暴将如何响应。

为进行分析，他们采用基于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-WACCMX）。该系统可模拟从地表到500-700公里（约310-435英里）高空的热层顶端的整个大气层，使科学家能确定低层大气变化（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：假设二氧化碳浓度显著升高，本世纪末发生与去年强度相当的风暴时，高层大气不同区域的峰值密度将降低20-50%。但相对于风暴前后的密度基准值，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大气的比例影响更大。

佩达泰拉指出需更多研究来深入理解空间天气的变化，包括分析不同类型的地磁暴及其在11年太阳周期内大气密度变化的不同阶段可能产生的差异。

"我们现在有能力通过模型探索低层与高层大气间极其复杂的相互关联，"他表示，"了解这些变化如何发生至关重要，因其对我们的大气环境具有深远影响。"

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、大学大气研究联盟管理的重要设施。本材料所表达的任何观点、发现、结论或建议均不一定反映美国国家科学基金会的观点。