電離層空洞是由平流層突然變暖引起？

此前薩斯喀徹溫大學的研究人員林賽·古德溫開發了一種新的方法來測量太陽活動對電離層的影響，這種影響可以通過北極光和地磁風暴來表示，電離層是大氣層的上部。科學家們可以利用她建立的近300個電場模擬的新資料庫，更有效、更準確地預測北極光的出現和地磁風暴的影響。古德溫說：我的研究可以幫助確保我們日常生活中依賴的所有通信服務都能正常工作。她的新方法將幫助科學家預測並可能防止太空天氣對國際空間站和通訊系統的負面影響，例如飛越極地地區的飛機所使用的通訊系統。如果受損，維持銀行交易、電視信號和互聯網的全球定位系統和通信衛星網路可能會嚴重中斷。

博科園-科學科普：古德溫是第一個精確測定電場對電離層影響的人，電離層的主要成分是一種類似流體的等離子體，它對太陽活動引起的電場和磁場的變化非常敏感。這項工作具有挑戰性，因為電離層受洋流、風和海浪的影響。哥倫比亞大學物理學教授讓-皮埃爾·聖-莫里斯說：我們試圖提前確定如何進行觀測，但大自然經常會做出一些意想不到的事情，這非常像解決謎題。古德溫在上世紀90年代的模擬基礎上創建了她的資料庫。她用今天的計算機重新運行了它，由於更好的現代處理能力，得到了更準確的結果。她還開發了最先進的軟體，可以正確地解釋來自研究電離層的強大雷達的數據。

Jean Pierre St.-Maurice和Lindsay Goodwin教授就職於美國「超級darn」雷達基地，這是全球40個收集太陽活動影響數據的雷達之一。圖片：David Stobbe for the U of S

找到了一些特別的方法來進行測量，這些方法可以很容易地預測電離層的某個區域是否存在大量的電活動，這有助於測量太陽活動對該地區的影響。加拿大研究講座計劃、加拿大創新基金會、聯邦機構NSERC、加拿大航天局、歐洲航天局和美國國家科學基金會對她的項目進行了投資。古德溫一直痴迷於對深空和星系的了解，直到她意識到對於地球附近的空間還有許多未解之謎。當我有那麼多關於自己星球的知識要學習時，為什麼要把注意力放在這麼遠的物理問題上呢？預測太空天氣比普通氣象學更具挑戰性，電離層(大氣層上層含有太陽輻射帶電粒子)影響著當今許多重要的導航和通信系統

包括GPS地圖應用程序和飛機導航工具。能夠預測電離層中帶電電子的活動對於保證基於衛星的技術的完整性是很重要的。地球空間研究早已證實，大氣中的某些變化是由太陽輻射引起的，其機制包括太陽風、地磁風暴和太陽耀斑。耦合效應——或者一個大氣層中影響其他層的變化——更具爭議。爭論包括層之間的連接程度，以及這種耦合影響擴展到什麼程度，以及與這些影響相關的流程的細節。在科學上比較有趣的大型大氣事件之一被稱為平流層突然變暖(SSW)，在這個過程中，對流層中的巨大波浪向上傳播到平流層。這些行星波是由在大山脈等地質構造上移動的空氣產生的；一旦進入平流層，它們就與極地射流相互作用。

研究人員發現夜間電離層(地球大氣層中出現極光的部分)的電子密度在連續幾天的平流層突然變暖的影響下顯著降低:形成了一個顯著的空洞，從緯度55度到45度N橫跨半球。圖片：NASA/JPL

在一次主要的SSW期間，平流層的溫度在幾天內急劇上升。ssw引起的電離層變化一度被認為是白天的事件。麻省理工學院(MIT)草堆天文台(Haystack Observatory)的拉里薩?岡查倫科(Larisa Goncharenko)最近領導了一項研究，該研究對2013年1月以來的一場大型SSW及其對夜間電離層的影響進行了研究。該研究發表在《地球物理研究:空間物理學》(Journal of Geophysical Research: Space Physics)上。麻省理工學院磨石山地球空間設施(MIT Millstone Hill geospace facility)數十年的數據；波多黎各的阿雷西博天文台，全球導航衛星系統(GNSS)被用來測量電離層的各種參數，並將SSW的影響與其他已知的影響區分開來。

研究發現夜間電離層的電子密度在幾天的時間裡，由於SSW的影響而顯著降低：形成了一個顯著的空洞，從緯度55度到45度n橫跨半球。還測量到在SSW之後，等離子體強烈的向下運動和離子溫度的下降。萊布尼茨大氣物理研究所雷達遙感部主任Jorge L. Chau說：Goncharenko等人清楚地表明與稱為SSW的大型氣象事件有關的低層大氣作用力也會影響中低緯度電離層。鑒於各區域之間的密切聯繫，這種聯繫在某種程度上是預料之中；然而由於其他相互競爭的因素，缺乏適當的數據，更重要的是缺乏尋找這種夜間聯繫的毅力，以前的研究沒有顯示出這種聯繫，至少不那麼清楚。這項新發現為進一步了解電離層中較低的大氣壓力帶來了新的挑戰和機遇。

位於馬薩諸塞州韋斯特福德的麻省理工學院草垛天文台的磨石山非相干散射雷達設備在最近的研究中得到了應用。圖片：MIT Haystack Observatory

這些來自Goncharenko及其同事的重要研究結果也成為EOS中AGU研究的重點。了解遠在大氣層和其他大氣層層的事件如何影響電離層是空間天氣預報的一個重要組成部分；還需要更多的工作來確定SSWs影響夜間電離層和其他耦合效應的精確機制。美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)高空觀測站(High Altitude Observatory)的科學家尼克?佩達泰拉(Nick Pedatella)表示：這項研究顯示，夜間電離層的大量耗竭，對於近地太空天氣可能非常重要，因為它們可能影響高空大氣對地磁風暴的反應，並影響電離層不規則現象的發生。夜間電離層觀測到的耗竭現象，為測試SSWs對電離層影響的模型模擬的保真度提供了另一個參考點。

博科園-科學科普｜研究/來自：薩斯喀徹溫大學，麻省理工學院

參考期刊文獻 :《地球物理學研究》

DOI: 10.1029/2018JA025541

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