科学家警告：下次太阳风暴可能严重影响卫星安全

随着地球高层大气中二氧化碳的持续上升，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、更稀薄的大气中，尽管总体减少，但会导致密度急剧上升。这种变化可能会增加卫星阻力并中断GPS和通信等关键服务。

高层大气中二氧化碳含量上升可能会改变风暴的影响

科学家们发现，地球大气层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） 领导的新研究，这一发现对绕地球运行的数千颗卫星产生了重大影响。

当来自太阳的带电粒子爆发与地球大气层碰撞时，就会发生地磁风暴。对于一个严重依赖技术的社会来说，这些太阳事件正在成为一个更大的关注点。当风暴来袭时，它们会暂时使高层大气变得更稠密。这种增加的密度增加了卫星的阻力，影响其速度、轨道高度和寿命。

使用先进的计算机建模，研究小组确定，在未来的风暴期间，高层大气不会像今天在相同强度的风暴中变得那么稠密。原因是背景密度已经较低，因此整体峰值不会像当前条件下那样攀升。

为什么未来的风暴可能会更严重

然而，密度增加的相对幅度——在多日风暴期间从基线上升到峰值——将随着未来的风暴而更大。

“太阳能量影响大气的方式在未来会发生变化，因为大气的背景密度不同，这会产生不同的反应，”主要作者、NSF NCAR 科学家尼古拉斯·佩达泰拉 （Nicholas Pedatella） 说。“对于卫星行业来说，这是一个特别重要的问题，因为需要针对特定的大气条件设计卫星。”

这项研究是与日本九州大学合作的，发表在《地球物理研究快报》上。

更冷、更薄的天空：二氧化碳改变高层大气

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作的技术的依赖，地球高层大气变得越来越重要。

与随着二氧化碳排放而变暖的低层大气不同，高层大气变得更冷。这与二氧化碳的不同影响有关：二氧化碳不是在地球表面附近相对致密的空气中吸收热量并将其重新发射到附近的分子，而是将热量重新释放到空气稀薄的高海拔地区的太空中。

模拟地磁风暴的未来

之前的研究已经估计了二氧化碳和其他温室气体水平的增加在多大程度上会导致高层大气的中性密度或氧气和氮气等非电离颗粒浓度的降低。但佩达泰拉和他的同事提出了一个有些不同的问题：在强大的地磁风暴期间，未来的大气密度将如何变化？

研究人员瞄准了 2024 年 5 月 10 日至 11 日的地磁超级风暴，当时一系列被称为日冕物质抛射的强大太阳扰动冲击了地球大气层。他们分析了大气层在 2016 年和未来三年将如何应对同一场风暴，这些风暴将分别发生在 11 年太阳周期的最小值（2040 年、2061 年和 2084 年）附近。

为了进行分析，他们求助于基于 NSF NCAR 的建模系统，即具有热层-电离层张力的社区地球系统模型全大气社区气候模型，该模型模拟了从地球表面到上层热层的整个大气层，距离地表 500-700 公里（约 310-435 英里）。这使科学家能够确定低层大气的变化，例如更高浓度的温室气体，如何影响遥远的大气层偏远区域。

更锐利的尖峰，更低的密度：模拟揭示了什么

科学家们在 NSF NCAR-怀俄明州超级计算中心的 Derecho 超级计算机上运行了模拟。

研究人员发现，在本世纪晚些时候，假设二氧化碳水平明显更高，在风暴高峰期，高层大气的各个区域的密度将降低 20-50%，与去年发生的风暴相当。但是，与风暴前后的大气密度相比，密度的相对变化会更大。虽然这样的风暴现在在峰值时的密度增加了一倍多，但未来可能会增加近三倍。这是因为同一场风暴对密度较低的大气层的影响也相应更大。

佩达泰拉表示，需要更多的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 年太阳周期的不同时间（大气密度发生变化）发生变化。

我们需要了解气候变化中的太空天气。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非常复杂的相互联系，了解这些变化将如何发生至关重要，因为它们对我们的大气层将产生深远的影响。