空间中心科研人员在能量粒子沉降影响地球极区中间层臭氧方面取得进展

地球极区环境的变化会通过冰冻圈与大气的强耦合过程影响大尺度环流异常，进而对区域气候和环境产生较大影响，是全球气候变化的敏感区。作为极区环境的重要要素之一，极区中间层臭氧会不断受到来自太空的能量粒子影响。沉降在极区的能量粒子能够电离大气分子产生奇氢（HO_x）和奇氮（NO_x），进而加剧臭氧的催化损耗过程。极区能量粒子沉降分两种情况，一种来自太阳质子事件（SPE），主要的沉降范围为极盖区；另一种是来自辐射带的能量电子沉降事件（EEP），影响范围为（亚）极光椭圆带。目前，关于这两类极区能量粒子沉降对中间层臭氧影响的对比分析还不够深入，缺乏更量化的臭氧损耗水平以及更精细的分布特性的全面了解。

中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室王赤研究员团队的李晖研究员与博士生王玉婷利用Aura卫星搭载的微波临边探测器（MLS）获得的臭氧观测数据，统计了2004-2019年间的13次强SPE事件和19次强EEP事件期间极区中间层臭氧的变化情况，发现：1）在SPE事件期间，臭氧损耗量随地磁纬度而增加；而在EEP事件期间，臭氧损耗在60-70°纬度带最为明显（图1），且与能量粒子沉降强度的纬度范围一致。2）臭氧的损耗程度随质子通量而增加，两者呈显著的正相关关系；而与电子计数率无明显关系（图2）。3）HO_x在SPE和EEP期间会明显增强，其变化规律以及分布特性均与臭氧损耗相类似，并与能量粒子沉降相一致（图3）。综合来看，在所研究的事件期间，太阳质子带给大气臭氧的影响比辐射带电子更为强烈。

该项研究直观地展示了臭氧损耗与能量粒子沉降的对应关系，进一步验证了太阳活动和中性大气之间的物理联系，加深了我们关于太阳活动影响地球气候的理解。相关成果发表在JGR：Space Physics上。

文章链接：Wang, Y., Li, H.*, & Wang, C. (2024). Impact pattern of energetic particle precipitation on polar mesospheric ozone. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129, e2024JA032877. https://doi.org/10.1029/2024JA032877

图1 SPE（a-h）和 EEP（i-p）期间臭氧相对变化的时序叠加分析

图2 （a-h）SPE期间每日臭氧损耗量和 >10 MeV 质子通量、（i-p）EEP 期间每日臭氧损耗量和电子计数率的散点图

图3 （a-d）一次SPE事件期间OH的变化，（e-l）SPE和EEP期间OH相对变化的时序叠加分析

（供稿：天气室）