search
ruРусский
banner
Дом / Новости / Локализованное разрушение мезосферного озона, соответствующее изолированному протонному сиянию, исходящему из радиационного пояса Земли.
Новости
pageSearch
Последние новости

Локализованное разрушение мезосферного озона, соответствующее изолированному протонному сиянию, исходящему из радиационного пояса Земли.

May 04, 2023May 04, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 16300 (2022) Цитировать эту статью

3007 Доступов

1 Цитаты

178 Альтметрика

Подробности о метриках

Высыпания релятивистских электронов (REP) из радиационного пояса Земли играют важную роль в потере мезосферного озона как связующее звено между космической погодой и климатической системой. Однако быстрое (десятки минут) разрушение мезосферного озона, непосредственно вызванное REP, остается малоизученным из-за сложности определения его местоположения и продолжительности. Здесь мы показываем убедительную быструю связь между локализованным REP и разрушением озона во время конкретного полярного явления, называемого изолированным протонным полярным сиянием (IPA). IPA из радиационного пояса Земли становится важным пространственным и временным показателем REP, отличным от других полярных сияний и позволяющим визуализировать микроозоновые дыры. Мы обнаружили разрушение озона на 10–60% в течение 1,5 часов после начала IPA. Электромагнитные ионные циклотронные волны в диапазоне ионов кислорода, наблюдаемые как драйвер REP, вероятно, влияют через резонанс с электронами преимущественно ультрарелятивистской (> 2 мегаэлектронвольт) энергии. Быстрое воздействие РЭП демонстрирует его решающую роль и прямое влияние на регулирование химического баланса атмосферы.

Атмосферные эффекты, вызванные выпадением энергичных частиц (EPP) в диапазоне от сотен килоэлектронвольт (кэВ) до мегаэлектронвольт (МэВ), оказывают значительное химическое воздействие на атмосферу в мезосфере (от 50 до 80 км) и верхней стратосфере (~ 50 км) ниже термосферы (от 100 до 200 км)1,2,3,4. ЭПП является одним из основных источников каталитического разрушения озона в полярном регионе (магнитные широты > 55°) из-за образования под действием ЭПП нечетного азота (NOx) и нечетного водорода (НОx)5,6,7,8 . Энергия частиц плазмы важна для определения высоты ионизации в атмосфере. Взаимодействия EPP-NOx влияют на вертикальный перенос NOx, вызванный EPP, в нижней термосфере (высота его генерации ~ 80 км) вниз на высоту стратосферы как так называемые косвенные эффекты10. В результате полярный вихрь эффективно переносит NOx в полярную область, а затем транспорт NOx играет значительную роль в потере мезосферного озона на 10–20% в масштабе времени от нескольких месяцев до десятилетий11. Напротив, местное производство NOx и HOx, вызванное EPP, напрямую способствует разрушению озона на высотах их производства9,12. В частности, взаимодействия EPP-HOx могут происходить быстро и за более короткий период времени (часы) из-за времени жизни семейства HOx в несколько часов4. Плотность озона в мезосфере намного меньше, чем в стратосфере, но мезосферный озон и атмосферная ионизация могут играть важную роль в глобальной климатической системе посредством химических процессов и процессов переноса13,14. Солнечные протонные события, которые приводят к сильному увеличению потока энергичных протонов (> 10 МэВ), вызванному активным солнечным извержением, являются основным источником ПОП, и такие высыпания солнечных протонов играют важную роль в разрушении озона5,6,7 и аномальных увеличение электронной плотности во всей области полярной шапки15. Учитывая, что эффекты от солнечных протонных событий носят глобальный характер, мы вынуждены задать новый вопрос: можно ли наблюдать прямое воздействие ПОП на химию атмосферы в локализованной области с короткой продолжительностью? В принципе, EPP может показывать четкую локализацию, как полярное сияние, на определенных широтах, долготах и ​​в определенные периоды появления. Таким образом, если ПОП напрямую и быстро действует как основной фактор разрушения мезосферного озона, как и в случае с солнечными протонными событиями, то локальное разрушение озона, связанное с локализованным ПОП, должно быть наблюдаемым. Моделирование прямого эффекта в конкретных событиях ПОП (пульсирующие полярные сияния (электроны с энергией > 200 кэВ)16 и микровсплески релятивистских электронов (электроны с энергией > 1 МэВ)17) предсказали разрушение до ~ 20% озона в мезосфере, что может быть эквивалентны эффектам, создаваемым солнечными протонными событиями18. Такие исследования моделирования предсказывают потерю озона, связанную с пространственно и временно локализованными событиями ПОП. Однако на сегодняшний день никакие наблюдательные данные не подтвердили такую ​​локализованную потерю озона, поскольку выявление каких-либо локализованных кратковременных событий ПКП в наблюдениях затруднено.

 10 MeV, but the diffusion rates in the case of a typical low geomagnetic field strength (170 nT and 110 nT for the 2015 and 2014 events, respectively) and a high cold electron density (250 cm−3 and 100 cm−3) are given in ultra-relativistic energies > 2 MeV over a wide pitch angle range (see Fig. 4a, b). EMIC waves in the H + and He + bands cannot typically resonate with ultra-relativistic electrons in such a wide pitch angle range at the equator25. Such EMIC waves mainly affect the pitch angle scattering of a few MeV electrons25,46, but the O + band EMIC waves effectively enhance the loss of ultra-relativistic (> 2 MeV) electrons. The wave frequency46 and hot ion density47,48 are also quite important for the loss of radiation belt electrons. This essential pitch angle scattering of ultra-relativistic electrons by EMIC waves is similar to that reported in previous studies49,50. Furthermore, non-resonant electrons at lower energies of up to ~ 100 keV, which are below the resonance cutoff of MeV energies in Fig. 4c and d, can still precipitate due to non-resonant interactions by EMIC wave packets with narrow edges51. The effects of non-resonant electrons are not taken into account the calculated diffusion rates, and such ~ 100 keV electron precipitation can still produce important atmospheric impacts because of a much larger population of ~ 100 keV electrons than that for ultra-relativistic electrons49,50./p> 2 MeV) electron precipitation, which can strongly interact with EMIC/Pc1 waves in the O + band as shown in Fig. 4. The stopping height of the ultra-relativistic electrons is in the stratosphere below the mesosphere9, but the ionization rate of the atmosphere up to the stopping altitude is almost the same as that for the relativistic electrons9. Thus, the observed mesospheric ozone destruction can be caused by the effects of the ionization by the ultra-relativistic electrons above the stopping height. The other scenario is the direct effect by precipitating non-resonant electrons in the lower relativistic and/or ~ 100 keV energies51. These lower energy electrons as compared to the smaller numbers of ultra-relativistic electrons have a lower fractional scattering efficiency with the EMIC/Pc1 waves, but a much larger population. The lower fractional scattering of electrons of lower energy acting on a much larger population can produce a significant atmospheric impact. If the later scenario is the major reason, the rapid ozone destruction events would be observed during EMIC waves in other ion bands, not only for the O + band. On the other hand, a simulation study showed not only an effective REP, but also a nonlinear blocking of REP by large amplitude EMIC waves59. The precipitation blocking was effective at limited low pitch angles less than 10 deg. The precipitating flux of REP can be determined by a balance between the precipitation effects guiding particles into the loss cone in a wide pitch angle range and the precipitation blocking at low pitch angles. Our study should motivate future studies using combined wave and ozone data with incorporation with these precipitation and precipitation blocking effects through wave-particle interaction (quasi-linear, nonlinear, and non-resonance etc.) processes. Identifying the most important EMIC-driven precipitating electron energy to have the major atmospheric impacts remains an open question, so multi-coupled magnetosphere-ionosphere-atmosphere simulations using the quantitative flux measurements of radiation belt electrons into the IPA are also suggested so that further modeling and simulations can investigate the conditions under which immediate ozone destruction processes are created by various wave-particle interaction processes and other atmospheric effects. A previous simulation study suggested a weak mesospheric ozone destruction up to ~ 10% caused by EMIC-driven REP60, while the present observations show a greater 10 to 60% ozone destruction, which could have an impact similar to that from other EPP phenomena (pulsating aurora16 and microbursts17). The accumulated impacts of needle holes in the ozone layer by the IPA cannot be ignored when considering overall ozone changes in the mesosphere./p> 1000 km) longitudinal width in a narrow (hundreds of kilometers) latitude./p>

Предыдущий: Разработка носимого ремня со встроенными датчиками для измерения множества физиологических параметров, связанных с сердечной недостаточностью Следующий: Выброс из ДАРТа
Отправить запрос
Отправлять