周旭等-GRL:二氧化碳排放的增加对赤道等离子体泡发生率的影响。

赤道等离子体泡(Equatorial plasma bubbles,EPBs)是一种通常发生在夜间的一种电离层等离子体的不规则现象。日落后,较低高度的E层消失,较高高度的F层因其复合率较慢而维持,从而有助于瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor)不稳定性的发展,进而促进EPB的产生。EPB的存在会影响无线电传播、产生严重的电离层闪烁、干扰通信和导航系统。因此,对EPB发生率及其时空规律的相关研究吸引了许多研究人员的兴趣,是空间天气领域的研究热点之一。二氧化碳作为中高层大气的主要冷却源之一,其排放量的增加会改变电离层电子分布,影响电离层-热层系统的动力学和电动力学过程。因此我们自然会问,随着人类二氧化碳排放的变化,EPB发生率将会如何变化?考虑到近年来二氧化碳气体排放量的快速增加,以及现代人类生活对无线通信的强烈依赖,这个问题变得愈发重要。

然而,从现有观测数据中检验这种关系相当困难,这主要由于观测资料的局限性:(1)地磁和太阳变化的影响很难消除,(2)连续EPB观测的历史不够长。相反,对瑞利-泰勒不稳定性进行数值化模拟将有助于回答这个问题。广义瑞利-泰勒不稳定性(Sultan,1996)自其提出后已被广泛用于EPB的相关研究。相关研究结果表明广义瑞利-泰勒不稳定性于EPB发生率之间存在高度正相关性,将其作为研究EPB发生的替代方案已被证明是一种有效的研究方法。因此,为了初步阐明二氧化碳排放和EPB发生率之间的关系,中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室乐新安研究员团队使用我所自主研发的热层-电离层耦合模型GCITEM-IGGCAS开展了相关数值实验,以比较不同CO2水平下模拟的广义瑞利-泰勒不稳定性增长率的差异。

模拟结果表明(图1),随着CO2排放的增加,广义瑞利-泰勒不稳定性增长率在低高度电离层(320 km)显著减小;而在之间的区域则表现为午夜前增大、午夜后减小。在峰值高度(约280 km)附近,由于CO2排放增加而增大的广义瑞利-泰勒不稳定性增长率在南美经度扇区最为显著,最大增长率约为每ppmv增大0.1%。逐项分析表明广义瑞利-泰勒不稳定性增长率变化的主要贡献是重力效应的变化,即改变的电离层垂直结构。电场变化效应的变化在低高度也很重要,在高高度则重要性小。而由中性风变化引起的效应相对来说并不重要(图2)。这项工作揭示了温室气体排放引起的气候变化和与现代通信有关的短期空间天气事件之间的可能联系。

周旭等-GRL:二氧化碳排放的增加对赤道等离子体泡发生率的影响。

图1 (顶行)不同经度地方时18-06平均的广义瑞利-泰勒不稳定性增长率随高度的变化,以及Case-2021和Case-1958之间以及Case-2121和Case-2021之间瑞利-泰勒不稳定性增长率的差异。对于240公里、280公里和360公里高度,第二行到第四行分别显示了地方时和经度的变化

周旭等-GRL:二氧化碳排放的增加对赤道等离子体泡发生率的影响。

图2 (顶行)由CO2从417 ppmv增加到667 ppmv引起的不同经度和当地时间的广义瑞利-泰勒不稳定性增长率的变化。第二至四行分别比较了重力效应、电场效应和中性风效应的相对贡献。从左到右分别是240公里、280公里和360公里高度

研究成果发表于国际学术期刊GRL(周旭,乐新安*,任志鹏,刘耘博,蔡毅徽,丁锋,魏勇. Impact of anthropogenic emission changes on the occurrence of equatorial plasma bubbles [J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49: e2021GL097354. DOI:10.1029/2021GL097354)。该成果受到中科院青年团队基础研究项目(YSBR-018)、中科院先导专项(XDB41000000)等资助。

周旭等-GRL:二氧化碳排放的增加对赤道等离子体泡发生率的影响。

美编:陈菲菲

校对:万鹏

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