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科研進展

地質地球所研究揭示二氧化碳排放的增加對赤道等離子體泡發生率的影響

來源:地質與地球物理研究所發布時間:2022-02-11

  赤道等離子體泡(Equatorial plasma bubblesEPBs)是一種通常發生在夜間的一種電離層等離子體的不規則現象。日落后,較低高度的E層消失,較高高度的F層因其復合率較慢而維持,從而有助于瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor)不穩定性的發展,進而促進EPB的產生。EPB的存在會影響無線電傳播、產生嚴重的電離層閃爍、干擾通信和導航系統。因此,對EPB發生率及其時空規律的相關研究吸引了許多研究人員的興趣,是空間天氣領域的研究熱點之一。二氧化碳作為中高層大氣的主要冷卻源之一,其排放量的增加會改變電離層電子分布,影響電離層-熱層系統的動力學和電動力學過程。因此我們自然會問,隨著人類二氧化碳排放的變化,EPB發生率將會如何變化?考慮到近年來二氧化碳氣體排放量的快速增加,以及現代人類生活對無線通信的強烈依賴,這個問題變得愈發重要。 

  然而,從現有觀測數據中檢驗這種關系相當困難,這主要由于觀測資料的局限性:(1)地磁和太陽變化的影響很難消除,(2)連續EPB觀測的歷史不夠長。相反,對瑞利-泰勒不穩定性進行數值化模擬將有助于回答這個問題。廣義瑞利-泰勒不穩定性(Sultan1996)自其提出后已被廣泛用于EPB的相關研究。相關研究結果表明廣義瑞利-泰勒不穩定性于EPB發生率之間存在高度正相關性,將其作為研究EPB發生的替代方案已被證明是一種有效的研究方法。因此,為了初步闡明二氧化碳排放和EPB發生率之間的關系,中國科學院地質與地球物理研究所研究員團隊使用我所自主研發的熱層-電離層耦合模型GCITEM-IGGCAS開展了相關數值實驗,以比較不同CO2水平下模擬的廣義瑞利-泰勒不穩定性增長率的差異。 

  模擬結果表明(圖1),隨著CO2排放的增加,廣義瑞利-泰勒不穩定性增長率在低高度電離層(<260 km)顯著增大,而在高高度電離層(>320 km)顯著減小;而在之間的區域則表現為午夜前增大、午夜后減小。在峰值高度(約280 km)附近,由于CO2排放增加而增大的廣義瑞利-泰勒不穩定性增長率在南美經度扇區最為顯著,最大增長率約為每ppmv增大0.1%。逐項分析表明廣義瑞利-泰勒不穩定性增長率變化的主要貢獻是重力效應的變化,即改變的電離層垂直結構。電場變化效應的變化在低高度也很重要,在高高度則重要性小。而由中性風變化引起的效應相對來說并不重要(圖2)。這項工作揭示了溫室氣體排放引起的氣候變化和與現代通信有關的短期空間天氣事件之間的可能聯系。 

1 (頂行)不同經度地方時18-06平均的廣義瑞利-泰勒不穩定性增長率隨高度的變化,以及Case-2021Case-1958之間以及Case-2121Case-2021之間瑞利-泰勒不穩定性增長率的差異。對于240公里、280公里和360公里高度,第二行到第四行分別顯示了地方時和經度的變化

2 (頂行)由CO2417 ppmv增加到667 ppmv引起的不同經度和當地時間的廣義瑞利-泰勒不穩定性增長率的變化。第二至四行分別比較了重力效應、電場效應和中性風效應的相對貢獻。從左到右分別是240公里、280公里和360公里高度

  研究成果發表于國際學術期刊GRL周旭,*,,劉耘博,蔡毅徽,,. Impact of anthropogenic emission changes on the occurrence of equatorial plasma bubbles [J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49: e2021GL097354. DOI:)。該成果受到中科院青年團隊基礎研究項目(YSBR-018)、中科院先導專項(XDB41000000)等資助。


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