随着地球高层大气中二氧化碳的不断上升，太阳风暴与其相互作用的方式可能会发生巨大变化。新的模型表明，未来的地磁风暴将发生在更冷、更稀薄的大气层中，尽管整体密度有所降低，但其密度仍将急剧上升。这种变化可能会增加卫星阻力，并扰乱GPS和通信等关键服务。

科学家发现，地球大气中二氧化碳含量的上升将改变地磁风暴对地球的影响。根据美国国家科学基金会国家大气研究中心（NSF NCAR）领导的一项新研究，这一发现将对环绕地球的数千颗卫星产生重大影响。

地磁风暴是由太阳爆发的带电粒子与地球大气层碰撞而产生的。对于高度依赖科技的社会来说，这些太阳事件正日益成为日益严重的问题。地磁风暴来袭时，会暂时使高层大气密度增加。增加的密度会增加卫星的阻力，影响其速度、轨道高度和寿命。

研究团队利用先进的计算机模型确定，未来风暴期间，高层大气的密度不会像今天同等强度的风暴那样高。原因是背景密度已经较低，因此整体峰值不会像现在这样高。

为什么未来的风暴可能更加猛烈

然而，未来风暴的密度增加的相对幅度（即在多日风暴期间从基线到峰值的上升幅度）将会更大。

“未来太阳能量影响大气的方式将发生变化，因为大气背景密度不同，这会产生不同的响应，”该研究的主要作者、美国国家科学基金会（NSF）NCAR科学家尼古拉斯·佩达特拉（Nicholas Pedatella）说。“对于卫星行业来说，这是一个尤其重要的问题，因为需要针对特定的大气条件设计卫星。”

该研究是与日本九州大学合作进行的，发表在《地球物理研究快报》上。

更冷、更稀薄的天空：二氧化碳如何改变高层大气

近几十年来，由于社会对先进导航系统、在线数据传输、国家安全应用和其他依赖卫星操作的技术的依赖，地球上层大气变得越来越重要。

与低层大气因二氧化碳排放而变暖不同，高层大气的温度则下降。这与二氧化碳的不同影响有关：二氧化碳不会吸收热量并将其重新释放给地球表面附近相对稠密的空气中的分子，而是将热量重新释放到高空的太空中，那里的空气要稀薄得多。

地磁风暴的未来模型

先前的研究已经估算了二氧化碳和其他温室气体浓度的上升将在多大程度上导致高层大气中性密度（即氧气和氮气等非电离粒子的浓度）的下降。但佩达特拉和他的同事提出了一个略有不同的问题：在强烈的地磁风暴期间，未来的大气密度将如何变化？

研究人员将目光锁定在2024年5月10日至11日发生的地磁超级风暴上，当时一系列强大的太阳扰动（即日冕物质抛射）冲击了地球大气层。他们分析了大气层在2016年以及未来三年（分别发生在11年太阳周期的最小值附近，即2040年、2061年和2084年）对同一场地磁超级风暴的反应。

为了进行分析，他们采用了基于美国国家科学基金会（NSF）NCAR的建模系统——带有热层-电离层扩展的社区地球系统模型（CMEM）全大气社区气候模型。该系统模拟了从地球表面到地表以上500-700公里（约310-435英里）的上部热层的整个大气层。这使科学家能够确定低层大气的变化（例如温室气体浓度升高）如何影响高空大气的偏远区域。

更尖锐的尖峰，更低的密度：模拟揭示了什么

他们在美国国家科学基金会 NCAR-怀俄明超级计算中心的 Derecho 超级计算机上运行了模拟。

研究人员发现，假设二氧化碳水平显著升高，本世纪晚些时候，与去年类似的风暴高峰期，高层大气各区域的密度将降低20%至50%。然而，与风暴前后的大气密度相比，密度的相对变化将会更大。目前，这样的风暴高峰期的密度是峰值的两倍多，而未来可能会达到近三倍。这是因为同一场风暴对密度较低的大气的影响会相应更大。

佩达特拉表示，需要进行更多研究来更好地了解太空天气将如何变化，包括研究不同类型的地磁风暴，以及它们的影响是否会在 11 年的太阳周期的不同时间点（大气密度发生变化时）发生变化。

“我们现在有能力利用我们的模型来探索低层大气和高层大气之间极其复杂的相互联系，”他说。“了解这些变化将如何发生至关重要，因为它们将对我们的大气层产生深远的影响。”
编译自/scitechdaily