極區(qū)太陽能量粒子沉降對高緯臭氧含量影響 研究進(jìn)展

黃聰張效信曹冬杰王維和黃富祥肖子牛林冠宇劉丹丹

（1 國家衛(wèi)星氣象中心空間天氣室，北京 100081；2 中國科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026；3 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；4 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130000）

極區(qū)太陽能量粒子沉降對高緯臭氧含量影響 研究進(jìn)展

黃聰1,2張效信1曹冬杰1王維和1黃富祥1肖子牛3林冠宇4劉丹丹1

（1 國家衛(wèi)星氣象中心空間天氣室，北京 100081；2 中國科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026；3 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；4 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130000）

在極區(qū)，太陽能量粒子沉降對于臭氧的影響一直是國際空間科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。介紹了太陽能量粒子沿地球磁場磁力線進(jìn)入極區(qū)后造成高緯地區(qū)臭氧含量損耗的機(jī)制，典型太陽能量粒子沉降事件造成臭氧損耗的觀測研究以及國際上對于沉降粒子與臭氧損耗的模式模擬。討論了目前應(yīng)用大氣化學(xué)耦合模式在分析太陽能量粒子沉降造成的臭氧損耗為氣候變化帶來的影響方面的工作，及一些極端空間天氣事件的模擬結(jié)果。

太陽能量粒子，臭氧，大氣化學(xué)，空間天氣

1 引言

在諸多太陽活動影響地球氣候的理論中，作為通過地球磁力線開放區(qū)域——極區(qū)而進(jìn)入到地球大氣的太陽能量粒子沉降（Solar Energetic Particle Precipitation，SEPP），可以直接作用于大氣，改變其中的成分從而調(diào)制大氣中臭氧含量的驅(qū)動機(jī)制，成為了近年來國際上的一個研究熱點(diǎn)。

在劇烈的空間天氣事件期間，大量高能粒子從地球磁力線開放區(qū)域進(jìn)入到極蓋區(qū)大氣。隨著能量的增加，這些粒子甚至可以達(dá)到20km的高度[1]。粒子的電離作用會產(chǎn)生大量的奇氮（NOx）物質(zhì)，這些物質(zhì)是大氣中臭氧的消耗源，而這樣的事件一般會持續(xù)幾小時到幾天。高能粒子沉降對高空大氣臭氧含量影響較大，對40km以下大氣中的臭氧含量影響則較小。但在劇烈的磁暴活動中，隨著進(jìn)入大氣的高能粒子能量的增加，40km以下大氣中的臭氧含量也會有明顯的消耗（10%～20%），且持續(xù)時間較長（1～2個月）。作為平流層主要熱源的臭氧含量的改變，勢必影響到平

流層的熱平衡和大氣環(huán)流，這種改變再通過某種大氣波動機(jī)制傳導(dǎo)到對流層大氣從而影響到地球的天氣氣候。但太陽能量粒子沉降對臭氧含量的具體調(diào)制程度和量化驅(qū)動機(jī)制，還需要大量的數(shù)據(jù)去驗(yàn)證和統(tǒng)計(jì)分析。

自20世紀(jì)80年代以來，國際上對極區(qū)高能粒子沉降特別是在劇烈空間天氣事件期間的太陽能量粒子沉降事件對高緯地區(qū)臭氧含量的調(diào)制作用開展了大量的理論和模擬研究。近年，我國國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）也支持了相關(guān)的研究工作，探討關(guān)鍵的天文因子對地球氣候的影響。本文從觀測事例、作用機(jī)制、模式模擬3個方面概述了極區(qū)太陽能量粒子沉降對高緯臭氧含量的影響研究，最后對目前研究的成果做了總結(jié)與討論。

2 觀測事例

自Weeks等[2]在1969年11月2日太陽質(zhì)子事件（Solar Proton Event，SPE）后通過火箭的探測資料，首次發(fā)現(xiàn)52km高度的臭氧含量的損耗與SPE有明顯相關(guān)以來，學(xué)者們利用“云雨”系列衛(wèi)星的觀測資料陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了SPE發(fā)生后高緯地區(qū)臭氧含量的明顯減少[3-5]。Jackman等[6-9]對第21，22，23太陽活動周的SPE和大氣臭氧含量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這些SPE對50km以上的臭氧有明顯的消耗并且與太陽天頂角有強(qiáng)相關(guān)。Sepp?l?等[10-12]對2003—2004年間北極地區(qū)的觀測資料進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，兩次較大的能量粒子沉降（Energetic Particle Precipitation，EPP）事件（“萬圣節(jié)風(fēng)暴”期間的EPP增強(qiáng)）使40km高度的臭氧損耗30%和17%，他們還利用GOMOS衛(wèi)星2002—2006年間的觀測資料發(fā)現(xiàn)了由EPP產(chǎn)生的奇氮物質(zhì)在南北極區(qū)夜間上層大氣中的儲運(yùn)過程。Verronen等[13]利用POES系列衛(wèi)星搭載的粒子探測器和微波輻射計(jì)資料，首次發(fā)現(xiàn)了在中間層大氣中由外輻射帶高能電子沉降生成的奇氫物質(zhì)。

國內(nèi)學(xué)者在高能粒子沉降調(diào)制臭氧含量方面的工作基本集中于對太陽質(zhì)子事件與臭氧含量變化的相關(guān)分析方面，葉宗海等[14]統(tǒng)計(jì)分析了1960—1982年間1級以上的太陽質(zhì)子事件與4個不同地理緯度大氣臭氧含量的相互關(guān)系，結(jié)果表明，只有3、4級的大事件才對臭氧含量產(chǎn)生擾動且有明顯的緯度效應(yīng)；在極區(qū)1級以上質(zhì)子事件對臭氧含量有影響，且隨質(zhì)子事件級別的增高其臭氧含量的擾動也加大，通常，太陽質(zhì)子事件的當(dāng)天，臭氧含量開始下降，擾動持續(xù)數(shù)天；冬天太陽質(zhì)子事件對臭氧的擾動大于夏天的擾動。言穆弘等[15]對太陽活動、平流層臭氧和溫度進(jìn)行了相關(guān)分析，認(rèn)為這種相關(guān)關(guān)系在年時間尺度和日時間尺度上均存在，在高緯地區(qū)明顯。

對于典型空間天氣事件造成太陽能量粒子沉降及對高緯地區(qū)臭氧損耗的后效的觀測基本依靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這方面的文章還有很多。本文列出3個典型的空間天氣事件，來分析粒子沉降對于臭氧含量的影響，其中在2012年的事件分析中加入了國家衛(wèi)星氣象中心的研究團(tuán)組（以下稱：我們）應(yīng)用我國風(fēng)云三號衛(wèi)星（FY-3）觀測資料所做的分析工作。

2.1 “萬圣節(jié)風(fēng)暴”

“萬圣節(jié)風(fēng)暴”是第23太陽活動周中最強(qiáng)的一次太陽活動事件，發(fā)生于2003年10月19日—11月21日期間，是有觀測數(shù)據(jù)以來擁有最大的黑子面積、最快的CME激波、最強(qiáng)的太陽質(zhì)子事件和GLE（Groud Level Event，地面宇宙線增強(qiáng)）、最大的射電突變、最高的南向太陽風(fēng)速度和特強(qiáng)的地磁場擾動的一次空間天氣事件。從10月19日開始太陽活動區(qū)連續(xù)爆發(fā)143個耀斑，其中11月4日爆發(fā)X28級耀斑，伴隨著耀斑共有80次CME噴發(fā)，其中最快的激波速度為2459km·s－1，這些CME中造成激波速度＞2000km·s－1的有7次，最強(qiáng)的激波能量為1.2×1033erg。由于CME造成的強(qiáng)激波對太陽風(fēng)陽離子和電子進(jìn)行加速，形成了5個大的太陽質(zhì)子事件，其中最大的太陽質(zhì)子事件發(fā)生在10月28日，大于10MeV的質(zhì)子流量峰值達(dá)到33600pfu（proton flux unit，質(zhì)子流量單位）。萬圣節(jié)風(fēng)暴期間，伴隨著耀斑、CME和激波等太陽擾動，共造成了3次大磁暴。強(qiáng)磁暴期間，出現(xiàn)白日極光現(xiàn)象，極光增強(qiáng)6倍，北極區(qū)熱層底部和上平流層臭氧損耗50%～70%，時間持續(xù)兩周，南極情況類似、但損耗較小。圖1為NOAA-16衛(wèi)星SBUV儀器探測的0.5hPa高度處臭氧受太陽質(zhì)子事件的損耗過程。

2.2 “中國龍”事件及3月事件

“中國龍”事件是發(fā)生于2012年1月下旬的一次強(qiáng)空間天氣事件，由于這次事件正值中國農(nóng)歷“龍年”，因此被稱為“中國龍”事件。這次事件中所發(fā)生的太陽質(zhì)子事件（1月23日）流量峰值達(dá)到了6310pfu，是有觀測以來第13大質(zhì)子事件?！爸袊埵录逼陂g分別在1月23日和27日發(fā)生兩次太陽質(zhì)子事件，其中27日的太陽質(zhì)子事件流量雖然不及前次，但能譜較“硬”（能量大于100MeV的質(zhì)子比23日的事件流量高），因此在較低高度上的臭氧觀測中兩次事件有不同的表現(xiàn)。3月事件是2012年3月發(fā)生的強(qiáng)空間天氣事件，這次事件期間也有兩次太陽質(zhì)子事件發(fā)生，其中3月7日發(fā)生的太陽質(zhì)子事件峰值流量達(dá)到了6530pfu，是有觀測以來第12大質(zhì)子事件，能量超過

100MeV的質(zhì)子流量達(dá)到70pfu，會對較低高度大氣中的臭氧產(chǎn)生明顯影響。

圖2是風(fēng)云三號B星空間環(huán)境監(jiān)測器探測到的極區(qū)質(zhì)子事件。圖3是我們應(yīng)用風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星搭載的臭氧總量探測器（TOU）探測的2012年1—3月的臭氧總量，其中南北極的臭氧在2月份都出現(xiàn)了大約4%的損耗，但因?yàn)槌粞鹾烤哂屑竟?jié)變化的特點(diǎn)，而且2012年1月北半球的平流層出現(xiàn)增溫現(xiàn)象，而質(zhì)子事件是發(fā)生在增溫現(xiàn)象結(jié)束后，這時中間層生成的大量NOx物質(zhì)與質(zhì)子事件的效應(yīng)混淆在一起，使得損耗事件的分析變得復(fù)雜。圖4是在質(zhì)子事件期間，我們應(yīng)用風(fēng)云三號衛(wèi)星搭載的臭氧垂直探測儀（SBUS）探測的30km高度處分層臭氧厚度的觀測結(jié)果，采用30km高度的數(shù)據(jù)是因?yàn)閮纱慰臻g天氣事件中都有100MeV以上質(zhì)子的流量增強(qiáng)，但增強(qiáng)的幅度不同，100MeV以上能量的質(zhì)子可以直接到達(dá)30km以下的大氣并產(chǎn)生短時效應(yīng)，這樣可以和臭氧季節(jié)變化中一些長期效應(yīng)區(qū)分開，此外還可以觀測100MeV以上能量質(zhì)子流量變化對30km處臭氧含量的不同影響。圖4a是“中國龍”事件中產(chǎn)生兩次質(zhì)子事件對30km處臭氧含量的影響觀測圖，可以看出23日的質(zhì)子事件并沒有對30km處臭氧含量帶來明顯影響，而27日的質(zhì)子事件則有一個較明顯的影響，這是因?yàn)?7日的質(zhì)子事件中，能譜較“硬”，大于100MeV能量質(zhì)子流量要比23日的質(zhì)子事件高；圖4b是3月事件中兩次質(zhì)子事件對30km高度處臭氧含量的影響觀測，可以看出由于7日爆發(fā)的質(zhì)子事件能譜很“硬”，對30km高度處臭氧的含量產(chǎn)生了明顯的影響，臭氧分布也有改變，而13日的事件雖然臭氧的含量也有一定損耗，但由于大于100MeV質(zhì)子流量不如7日的事件，因此對30km的臭氧影響就不如7日的事件明顯。

圖1 “萬圣節(jié)風(fēng)暴”中太陽質(zhì)子事件對南極區(qū)臭氧損耗過程。2003年10月28日的強(qiáng)太陽質(zhì)子事件后，南極區(qū)0.5hPa處的臭氧迅速損耗并形成明顯的臭氧洞，圖中白圈表征地磁緯度60°S。圖片引自 Jackman等[16]

圖2 2012年1月15—31日FY-3B高能粒子監(jiān)測數(shù)據(jù)，在中國春節(jié)期間的太陽爆發(fā)造成地球極區(qū)10MeV能量以上質(zhì)子流量超過6000pfu

圖3 FY-3A TOU觀測的2012年1—3月的南北極區(qū)臭氧總量數(shù)據(jù)，圖中臭氧總量數(shù)據(jù)單位為DU。在2月南北極區(qū)的臭氧總量大致有一個4%的損耗，損耗的原因包含了北半球的平流層突然增溫、南半球平流層頂持續(xù)降溫和太陽質(zhì)子事件的影響

圖5是我們應(yīng)用SBUS的觀測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的臭氧在南北極區(qū)（60°—90°N，60°—90°S）內(nèi)分層臭氧含量距平時序變化圖，從圖5上可以看出北半球由于1月的平流層突然增溫事件，在2月中平流層的位置由于中間層的富NOx物質(zhì)的沉淀導(dǎo)致了一個較長時間損耗，在1月23日的事件發(fā)生后在中上平流層都出現(xiàn)了

一個大約－10%的距平變化，而在3月事件發(fā)生后，中上平流層不僅出現(xiàn)了短時的損耗，并且在事件后還有一個持續(xù)到3月底的向下傳播的損耗影響。由于混雜了其他事件的影響，質(zhì)子事件的長期效應(yīng)不易單獨(dú)分離出來；在南半球的距平圖上因?yàn)槠搅鲗禹數(shù)某掷m(xù)降溫事件，使“中國龍”事件的影響難于分辨，但在3月事件發(fā)生后，上平流層臭氧出現(xiàn)了持續(xù)2～3天的損耗變化?？傮w上看，北半球高緯地區(qū)平流層臭氧損耗對于這兩次事件的響應(yīng)要比南半球顯著一些。

圖4 風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星臭氧垂直探測儀器探測的兩次事件中30km高度處、南北極區(qū)（緯度60°以上地區(qū)）臭氧含量的變化

3 作用機(jī)制

在太陽能量粒子沉降影響臭氧含量的驅(qū)動機(jī)制研究中，極區(qū)的能量粒子沉降會在中層大氣中引起離子化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生奇氮、奇氫物質(zhì)，再通過光化學(xué)反應(yīng)，消耗高緯地區(qū)平流層和中間層大氣中的臭氧。以下從粒子成分、光化學(xué)損耗機(jī)制和儲運(yùn)過程3個方面介紹太陽能量粒子沉降對臭氧的損耗機(jī)制。

圖5 應(yīng)用風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星臭氧垂直探測數(shù)據(jù)得到的南北半球高緯地區(qū)臭氧含量的距平變化，黑豎線表明兩次事件的發(fā)生時間位置

3.1 粒子成分

太陽能量粒子（Solar Energetic Particle，SEP）的成分包括質(zhì)子和電子。太陽高能質(zhì)子主要由太陽耀斑或者CME（Coronal Mass Ejection，日冕物質(zhì)拋射）激波產(chǎn)生，能量由幾MeV到500MeV，一般來說10MeV質(zhì)子就可以到達(dá)65km的高度[17]，30MeV質(zhì)子可以達(dá)到50km的高度，100MeV以上的質(zhì)子可以達(dá)到30km以下的平流層大氣。太陽高能質(zhì)子事件的發(fā)生頻率與太陽活動呈正相關(guān)。

太陽能量粒子中的電子隨能量的不同分為低能電子（1～30keV）和中—高能電子（30keV到幾MeV）。低能電子主要由地球磁層的等離子片內(nèi)產(chǎn)生[18]，存在于極光電子沉降帶中，所能達(dá)到的大氣高度為90km以上的區(qū)域，受地磁擾動影響明顯，它的流量峰值時間區(qū)間存在于太陽活動周的下降時段[19-20]。中—高能電子主要來源于地球的外輻射帶，它是由太陽風(fēng)高速流（High-Speed Solar Wind Stream，HSSWS）或者CME帶來的，存在于亞極光緯度帶內(nèi)，它可以到達(dá)的大氣區(qū)域從90km（30Kev）高度直到50km（2MeV）以下。中—高能電子事件的發(fā)生頻率比較復(fù)雜，它是由CME和HSSWS共同驅(qū)動的，CME的發(fā)生頻次與太陽活動正相關(guān)，一般認(rèn)為HSSWS的發(fā)生頻次峰值是在太陽活動周的下降時段[21]。在最近的研究中，有些學(xué)者認(rèn)為中—高能電子事件在氣候變化中的作用要超過SPE，原因在于SPE的發(fā)生頻率和流量比中—高能電子事件要低很多。

3.2 損耗機(jī)制

因此，SEP進(jìn)入極區(qū)大氣后通過這些離子化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致了這一區(qū)域內(nèi)臭氧的損耗。但由于SEP成分和能量的不同，所能進(jìn)入的大氣的深度也不同，而且奇氮、奇氫物質(zhì)的存在壽命也不一樣，受大氣環(huán)流的影響，這些“損耗源”的輸運(yùn)和存儲過程就比較復(fù)雜。

3.3 儲運(yùn)過程

奇氫、奇氮物質(zhì)的儲運(yùn)過程取決于這些物質(zhì)的光化學(xué)壽命與大氣環(huán)流運(yùn)動的典型時間尺度。其中奇氫物質(zhì)由于存在時間短，在中間層的壽命大概只有幾個小時，在平流層更是以分鐘計(jì)算，因此奇氫物質(zhì)造成的影響是短暫的。而奇氮物質(zhì)由于存在的壽命長，在平流層高度奇氮物質(zhì)的壽命可以長達(dá)幾十天甚至年的量級，因此由太陽能量粒子沉降造成的奇氮物質(zhì)在大氣環(huán)流的輸運(yùn)下，可以擴(kuò)散到更廣大的區(qū)域，產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。表1列出了奇氫、奇氮物質(zhì)壽命和環(huán)流運(yùn)動的典型時間尺度，當(dāng)兩者的時間尺度可比擬或者光化學(xué)壽命超過運(yùn)動的典型時間尺度時，物質(zhì)的輸運(yùn)過程才是有效的。此外，由于奇氮物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)鏈中需要氧原子的參與，由于地球大氣背陽面缺乏日光，奇氮物質(zhì)在反應(yīng)中轉(zhuǎn)變成NO2分子后，由于氧原子的耗盡無法進(jìn)行下一步反應(yīng)，則太陽能量粒子對臭氧的損耗影響以“NO2”的形式存儲起來，待到有日光照射大氣生成氧原子后再繼續(xù)對臭氧的損耗反應(yīng)。奇氮物質(zhì)的這一“黑夜存儲”特點(diǎn)，在奇氮物質(zhì)的輸運(yùn)過程中是很重要的特點(diǎn)，它使奇氮物質(zhì)在環(huán)流搬運(yùn)的作用下在遠(yuǎn)離產(chǎn)生地點(diǎn)的位置繼續(xù)對臭氧產(chǎn)生破

壞作用。奇氮物質(zhì)的向低緯的水平運(yùn)輸要靠Brewer-Dobson環(huán)流來完成，向下的擴(kuò)散過程則是通過極渦的大氣向下運(yùn)動。

表1 氧、奇氮和奇氫物質(zhì)光化學(xué)壽命與大氣環(huán)流運(yùn)動的典型時間尺度對比

4 模式模擬

近些年，已有不少研究[22-24]關(guān)注了“萬圣節(jié)風(fēng)暴”事件中的太陽質(zhì)子事件對高緯地區(qū)臭氧含量的影響。劇烈的空間天氣事件中，帶電粒子流主要沿磁力線進(jìn)入地球極蓋區(qū)大氣層，對極區(qū)中性大氣及電離層有重要的影響，如持續(xù)數(shù)小時甚至數(shù)日，大幅增加中間層及平流層頂 HOx（H，OH，HO2）和 NOx（N，NO，NO2）等成分的密度（中間層和上平流層中的臭氧主要損耗源為HOx，中平流層以下的臭氧損耗源為NOx[25]），進(jìn)而會減小臭氧密度并有調(diào)制大氣動力結(jié)構(gòu)的跡象，導(dǎo)致低中間層的環(huán)流和氣溫變化[24,26-27]。很多學(xué)者以SPE、臭氧的觀測數(shù)據(jù)和光化學(xué)反應(yīng)的理論，建立模型去模擬大型SPE對臭氧含量的影響，例如1989年10月和2003年的“萬圣節(jié)風(fēng)暴”等劇烈的空間天氣事件[28-36]。

在極端空間天氣事件模擬研究中，Thomas等[37]的模擬結(jié)果顯示，1859年“卡林頓（Carrington）”事件中EPP對極區(qū)臭氧造成的影響是1989年10月SPE對臭氧的損耗量的3.5倍；Rodger等[38]的模擬研究表明在類似“卡林頓”事件級別的空間天氣事件中，由于能量大于30MeV質(zhì)子流量的大幅增加，上對流層臭氧損耗可達(dá)40%。國際早期的研究集中于SPE與臭氧的相關(guān)關(guān)系，近年來，隨著近地衛(wèi)星對地球極區(qū)輻射帶的探測資料和全球臭氧觀測資料的豐富，國際上學(xué)者的研究更多地去分析能量粒子沉降（Energetic Particle Precipitation，EPP）對臭氧含量的影響，從高能粒子的流量、分布及能譜出發(fā)可以更好地了解能量粒子沉降調(diào)制臭氧含量的驅(qū)動機(jī)制，模擬空間天氣事件中EPP帶來的高緯地區(qū)臭氧含量變化及極蓋氣溫的改變。Brasseur等[18]認(rèn)為帶電高能粒子在大氣中會產(chǎn)生奇氮物質(zhì)（NOx），這種物質(zhì)對臭氧損耗起到催化的作用。Rozanov等[39]利用NOAA TIROS衛(wèi)星的高能電子沉降（Energetic Electron Precipitation，EEP）探測結(jié)果模擬了NOx的產(chǎn)生率并把它加到他們的化學(xué)—?dú)夂蚰Ｐ椭?，得到了極蓋區(qū)氣溫會因此改變2K的結(jié)果，他們認(rèn)為EPP在這一區(qū)域的作用有可能超過了太陽活動周內(nèi)紫外輻射波動對臭氧含量的影響。Randall等[40-41]認(rèn)為高能粒子沉降給極區(qū)平流層上層大氣中的臭氧含量帶來了明顯損耗，并且奇氫物質(zhì)造成的臭氧損耗和恢復(fù)時間很短，但奇氮物質(zhì)造成的臭氧損耗時間卻可長達(dá)幾月甚至一年的量級，他們還利用1992—2005年間衛(wèi)星觀測資料對南半球平流層中EPP-NOx效應(yīng)結(jié)合太陽活動周作了年變化分析，指出EPP-NOx效應(yīng)的年變化并不和太陽活動周一一對應(yīng)，在2002年（太陽活動峰年）極區(qū)出現(xiàn)的氣旋異常反而有可能是這一年EPP流量較低引起的。Rozanov等[39]認(rèn)為EPP通過對平流層臭氧含量的調(diào)制，可以影響到平流層的熱輻射平衡從而導(dǎo)致氣候變化。在較長的時間尺度上，Sinnhuber等[42]發(fā)現(xiàn)極區(qū)臭氧含量損耗了20%，并且這與太陽活動造成的EPP流量的年代際變化有關(guān)。但對于EPP在年代際尺度上對極區(qū)臭氧含量的調(diào)制效果以及對氣溫的影響，學(xué)者們還是有爭議的[43-45]。目前，歐洲的氣象研究機(jī)構(gòu)（ECMWF）正在對由磁暴引起的EPP對臭氧含量的影響導(dǎo)致的極區(qū)氣溫改變的模擬結(jié)果[39]進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)上的分析和驗(yàn)證[46]。以下，我們通過3個研究事例去介紹太陽能量粒子沉降對臭氧損耗和氣候變化影響的數(shù)值模擬工作。

4.1 臭氧損耗模擬

由于有大量的觀測研究證實(shí)太陽能量粒子沉降的確會對高緯地區(qū)的臭氧含量產(chǎn)生損耗影響，并且粒子沉降產(chǎn)生的奇氮物質(zhì)由于存在壽命長和“黑夜存儲”特性可以受到環(huán)流的輸運(yùn)，從而在更廣闊的區(qū)域來調(diào)制臭氧的含量，那么根據(jù)觀測數(shù)據(jù)和大氣光化學(xué)理論對粒子沉降和臭氧損耗之間的關(guān)系進(jìn)行量化模擬，則順理成章。太陽能量粒子沉降對于臭氧損耗的數(shù)值模擬主要是結(jié)合能量粒子進(jìn)入大氣后產(chǎn)生的離子對所生成的奇氫、奇氮物質(zhì)（損耗源）的生成量和離子化學(xué)反應(yīng)方程式來計(jì)算臭氧的損耗，再加上損耗源物質(zhì)的傳輸過程的動力過程，建立大氣化學(xué)—傳輸模型。其中，奇氫、奇氮物質(zhì)的生成量取決于進(jìn)入大氣的太陽能量粒子的流量和能譜（即注入的總能量和到達(dá)的高度），一般來說35eV可以產(chǎn)生一個離子對[47]，而每個離子對所能生成的奇氫、奇氮物質(zhì)是有一個函數(shù)關(guān)系的，其中奇氫物質(zhì)的生成量取決于高度，而奇氮物質(zhì)取決于反應(yīng)生成的激發(fā)態(tài)氮原子N(2D)和基態(tài)氮原子N(4S)的分支比，目前一般認(rèn)為每個離子對可以生成1.25個奇氮分子，即N(2D)與N(4S)的分支比為

0.55/0.45[47]。損耗源物質(zhì)的傳輸過程則是根據(jù)奇氫、奇氮物質(zhì)的光化學(xué)壽命和“黑夜存儲”的特點(diǎn)，考慮大氣擴(kuò)散、環(huán)流和季節(jié)因素來計(jì)算臭氧損耗的水平與垂直傳輸過程。

國際上對于粒子沉降造成的化學(xué)影響的建模工作已開展了20多年，取得了很多進(jìn)展。其中，F(xiàn)unke等[48]、Jackman等[30,49]做了大量工作，他們針對近幾個太陽活動周中重要的太陽質(zhì)子事件結(jié)合他們建立的多維光化學(xué)—傳輸模型進(jìn)行了大量的觀測試驗(yàn)與數(shù)值模擬，得到了一些重要結(jié)果，比如：粒子沉降中產(chǎn)生激發(fā)態(tài)和基態(tài)的氮原子的分支比，即每個離子對生成的氮分子數(shù)在1.5個以下；質(zhì)子事件中，奇氮物質(zhì)的光化學(xué)壽命長，有足夠長的存在時間沉淀到平流層作為平流層臭氧的消耗源，奇氫物質(zhì)與之相反；超強(qiáng)的太陽質(zhì)子事件在大氣中產(chǎn)生的影響會持續(xù)幾個月甚至年的時間量級等。這方面的一些最新進(jìn)展可以參考Jackman 等[49]、Reddmann等[50]、Egorova等[51]的工作。圖6是Jackman等[16]對“萬圣節(jié)風(fēng)暴”中超強(qiáng)SPE的模擬結(jié)果，可以看到超強(qiáng)SPE造成的奇氮物質(zhì)在北半球大氣中所持續(xù)存在的時間長達(dá)2年，這個模擬結(jié)果是與觀測相印證的。

4.2 極端事件模擬

由于高度量化的太陽活動觀測始于衛(wèi)星時代，故目前積累的空間天氣事件觀測事例也只有50多年的數(shù)據(jù)。而在衛(wèi)星時代之前，也曾發(fā)生過極端的空間天氣事件，其劇烈程度可能超過有觀測以來任何一次事件。那么這些極端事件對臭氧的影響究竟如何，需要研究者們來建模模擬極端事件的效應(yīng)。但對于衛(wèi)星時代之前的極端事件的模擬，困難之處在于缺乏全面和精密量化的觀測數(shù)據(jù)，對于極端事件的程度估算只能依靠當(dāng)時一些文獻(xiàn)的記載。近些年，國際上有些學(xué)者對于發(fā)生在1859年的一次非常劇烈的空間天氣事件開展了分析，這次事件史稱“卡林頓”事件，事件的名稱來源于卡林頓和Hodgson觀測到了這一事件并在1860年的文獻(xiàn)中記載了下來[52-53]?！翱诸D”事件始于1859年9月1日的一次長達(dá)5分鐘的太陽耀斑，17小時后高速的CME達(dá)到近地空間導(dǎo)致了長達(dá)2小時的劇烈地磁暴。這次地磁暴如此劇烈，據(jù)文獻(xiàn)中記載，中緯度地區(qū)的人們可以看到極光現(xiàn)象，美國和歐洲的電報系統(tǒng)由于地磁感應(yīng)電流的影響而起火燃燒。Thomas等[37]采用沉淀在格陵蘭島冰雪中的氮化物含量，估算了“卡林頓”事件中太陽能量粒子的流量，這次事件中大于30MeV的質(zhì)子流量是1989年造成加拿大魁北克省大停電的“魁北克事件”的6.5倍左右。Thomas等[37]采用“卡林頓”事件中估算的質(zhì)子流量結(jié)合大氣化學(xué)—傳輸模型計(jì)算了“卡林頓”事件對大氣中的臭氧帶來的損耗影響。圖7是他們的模擬結(jié)果，可以看到，“卡林頓”事件這種級別的極端事件會造成長達(dá)4年的臭氧損耗影響，影響的區(qū)域可以從高緯區(qū)擴(kuò)展到30°的低緯度區(qū)。

4.3 氣候變化模擬

圖6 Jackman等[16]對“萬圣節(jié)風(fēng)暴”中的SPE效應(yīng)的模擬。由于“萬圣節(jié)風(fēng)暴”發(fā)生在2003年10月底，北半球正值冬季，日光照射偏少，由于奇氮物質(zhì)的“黑夜存儲”效應(yīng)使得SPE對北半球大氣臭氧的影響持續(xù)時間要比南半球長得多

前文提到過，臭氧作為平流層的主要熱源，它的含量的改變會影響到平流層的熱平衡，改變環(huán)流狀態(tài)，這樣的擾動會調(diào)制極渦的動力學(xué)狀態(tài)并對地面氣溫產(chǎn)生影響。那么如何量化這種影響，太陽能量粒子沉降究竟會對地球氣候變化帶來怎樣的效應(yīng)，這是目前學(xué)界熱烈探討的問題。在這方面，已經(jīng)有很多學(xué)者結(jié)合大氣化學(xué)—傳輸模式和氣候耦合模式（統(tǒng)稱化學(xué)—?dú)夂蚰Ｊ?，Chemistry-Climate Model，CCM）計(jì)算了能量粒子沉降對氣溫的影響。Langematz等[54]發(fā)

現(xiàn)低能電子沉降可能會對平流層的臭氧帶來明顯影響。Rozanov等[39]利用衛(wèi)星探測的低能和高能電子沉降數(shù)據(jù)模擬了粒子沉降對氣候的影響，發(fā)現(xiàn)極蓋區(qū)氣溫會因此改變2K，這與太陽活動周中紫外輻射的變幅對極區(qū)的影響相當(dāng)。Jackman等[33]對SPE的長期氣候效應(yīng)做了模擬，發(fā)現(xiàn)SPE對氣候的長期效應(yīng)并不顯著，這可能與強(qiáng)的太陽質(zhì)子事件的發(fā)生頻率較低有關(guān)。最近，有些學(xué)者研究低—中能電子沉降造成的奇氮物質(zhì)對臭氧和氣候的影響[20,55-56]，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果中電子沉降帶來的極區(qū)冬季臭氧損耗以及地表氣溫和海面氣壓的后效變化與先前一些關(guān)于氣候和地磁活動相關(guān)的研究結(jié)論是相互符合的。Semeniuk等[57]對多種粒子沉降效應(yīng)的模擬，發(fā)現(xiàn)南半球冬季平流層臭氧因能量粒子沉降而損耗10%左右并且會帶來平流層動力結(jié)構(gòu)的改變。Rozanov等[58]也模擬了多種粒子沉降的效應(yīng)，并給出了地表氣溫對粒子沉降的響應(yīng)，圖8是他們模擬的氣溫改變的結(jié)果。

圖7 Thomas等對“卡林頓”事件造成的臭氧損耗的48個月的臭氧緯向變化[37]

5 結(jié)論與討論

從大量的觀測研究中，我們知道太陽能量粒子沉降對于臭氧含量影響是確實(shí)存在的，并且由于粒子沉降產(chǎn)生的奇氮物質(zhì)的特性，這些物質(zhì)可以被存儲、并被大氣環(huán)流輸運(yùn)到別的區(qū)域產(chǎn)生后續(xù)影響。在化學(xué)—?dú)夂蚰Ｊ侥M中，劇烈的粒子沉降事件會對臭氧的含量產(chǎn)生持續(xù)和深遠(yuǎn)的影響，并通過平流層和對流層的動力耦合過程影響到地表氣溫乃至地球氣候，這在氣候變化研究中是需要探索的領(lǐng)域。高緯地區(qū)的臭氧含量與該區(qū)域內(nèi)的平流層溫度息息相關(guān)，圖9是應(yīng)用多年衛(wèi)星資料得到的高緯地區(qū)臭氧總量與平流層溫度的對比關(guān)系圖，二者的相關(guān)系數(shù)約為0.75。圖10是利用1982—2012年南極10月臭氧洞數(shù)據(jù)繪制的臭氧洞特征圖，可以看到，隨著時間的推移，臭氧洞特征值呈逐漸增加趨勢。然而，在2011—2012年，臭氧洞特征值有一個突變，2012年臭氧洞特征值又變?yōu)榻曜畹?。臭氧洞特征值在最近幾年的跳躍變化也許與氣候異常有所關(guān)聯(lián)。雖然臭氧洞特征值的逐年變化包含了人類活動的貢獻(xiàn)，但是某幾年的突變則應(yīng)該尋找自然歸因。

在近年的觀測和模擬研究中，學(xué)界的主要觀點(diǎn)趨向于太陽風(fēng)和CME帶來的電子沉降事件的長期效應(yīng)要超過質(zhì)子沉降事件，原因在于強(qiáng)的質(zhì)子事件發(fā)生頻率和流量都較低。電子沉降的影響，其分析難點(diǎn)在于電子沉降事件的發(fā)生頻率并不和太陽活動正相關(guān)，反而在太陽活動周的下降段內(nèi)，電子沉降事件的發(fā)生頻率是增加的。此外，沉降電子的分能譜流量探測數(shù)據(jù)目前并不全面，這就難于量化和分離粒子沉降和其他事件的影響。

2000年3月，美國航空航天局（NASA）在亞利桑那大學(xué)召開了一次關(guān)于太陽—?dú)夂蜿P(guān)系專題的工作討論會，在這次討論會上關(guān)于粒子沉降對于大氣的影響研究方面，提出了如下幾個問題：

（1）電子沉降、極光帶沉降粒子、太陽質(zhì)子事件對35～120km高度范圍內(nèi)極夜區(qū)大氣中的奇氮物質(zhì)產(chǎn)生的影響有什么觀測特征？

（2）在一個太陽活動周內(nèi)，由中間層向平流層輸入了多少奇氮物質(zhì)，以及這些奇氮物質(zhì)的主要來源是什么？

（3）由電子沉降、極光沉降粒子、太陽質(zhì)子事件帶來的臭氧含量的變化是否可以改變平流層和對流層內(nèi)的溫度、環(huán)流和行星波的相位與幅度？

圖8 Rozanov等[58]對多種粒子（銀河宇宙線、高能質(zhì)子、電子）沉降對氣溫影響的模擬。模擬時間范圍是1960—2005年，模擬的結(jié)果表明歐洲中部氣溫因粒子沉降增溫大概1K左右

圖9 1979—2011年60°—90N°范圍內(nèi)3月臭氧總量月平均值和50hPa等壓面溫度月平均值變化

（4）電子沉降、極光沉降粒子、太陽質(zhì)子事件對地球年代際和短期氣候變化的作用如何？這種作用是否可以與太陽活動周內(nèi)紫外輻射的變幅和人類活動的貢獻(xiàn)相比擬？

解答以上這些關(guān)鍵的科學(xué)問題可以幫助我們更好地理解太陽能量粒子沉降對大氣臭氧乃至氣候變化的影響，因此這些問題也應(yīng)當(dāng)是我們在未來的工作中著力研究的方向。

致謝：感謝中國科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助，感謝國家衛(wèi)星氣象中心遙感室劉年慶博士的幫助。

圖10 1982—2012年南極10月臭氧洞特征值。臭氧洞特征值是由臭氧洞面積和臭氧洞距平厚度（即：平均厚度220DU減去臭氧洞厚度）計(jì)算出的一個值

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Advances in Study of Solar Energetic Particle Precipitations Impact on Polar Ozone

Huang Cong1,2, Zhang Xiaoxin1, Cao Dongjie1, Wang Weihe1, Huang Fuxiang1, Xiao Ziniu3, Lin Guanyu4, Liu Dandan1
(1 Space Weather Division, National Satellite Meteorological Centre, Beijing 100081 2 CAS Key Laboratory of Geospace Environment, University of Science & Technology of China, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230026 3 China Meteorological Administration Training Centre, Beijing 100081 4 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130000)

How solar energetic particles impact on polar ozone content is a highlight of space science study. This article introduces the mechanism that solar energetic particle precipitations induce the depletion of ozone when these particles go into the atmosphere along the magnetic lines, the observations on typical ozone depletions caused by particle precipitations and the modeling results. We also discuss the applications of atmospheric chemistry coupling models on how ozone depletions caused by particle precipitations impact on climate change and the model simulations of extreme space weather events.

solar energetic particles, ozone, atmospheric chemistry, space weather

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.04.005

2013年12月27日；

2014年3月12日

黃聰（1978—），Email：huangc@cma.gov.cn

資助信息：國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB957801，2012CB957803）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB811400），國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2010AA122205，2012AA121000），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41004085，41074126），中科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目