极地中层臭氧损失对北半球气候动态的影响

太阳活动与地球气候系统之间复杂的相互作用对地球大气层和气候系统的影响非常重要，比如太阳风暴期间高能粒子沉降（energetic particle precipitation，EPP）导致极地中层臭氧严重消耗，尽管高能粒子沉降对臭氧层的影响已有较多的研究，但它如何通过大气动力学过程影响地表气候的机制仍不甚明确，近日，一项新的研究提出了一个新的假设，认为极地中层臭氧的初始减少及其引起的大气加热变化会迅速耦合到大气动力学中，从而将信号向下传递影响对流层的气候。

极地中层臭氧损失

太阳高能粒子是太阳在耀斑或日冕物质抛射期间释放的高能粒子，在太阳质子事件期间，到达地球的质子通量急剧增加，这些粒子会消耗臭氧从而对地球上层大气产生深远影响。

极地中间层位于平流层和热层之间，通常位于地球表面以上50至85公里处，该区域在吸收太阳紫外线(UV)辐射方面起着至关重要的作用，而紫外线会加热大气。该地区的臭氧对高能粒子沉降特别敏感，高能粒子沉降会引起消耗臭氧分子的化学反应，导致臭氧急剧消耗，从而导致中层降温和结构变化，这些过程对下方的大气层，特别是平流层和对流层有长期影响。

极地涡旋是冬季在极地平流层形成的大型气旋性环流，它主要由冷空气组成，在维持北极和南极地区的寒冷气候方面发挥着关键作用，极地涡旋的变化会导致天气发生重大变化，包括中纬度地区的寒流和急流的变化。

由于太阳高能粒子活动导致中层臭氧损失，可能会削弱极地涡旋，从而引发一系列大气变化，当极地涡旋减弱时，它会让寒冷的北极空气溢出，导致中纬度地区出现寒冷天气，并影响全球天气。这种平流层破坏还会影响对流层天气系统，导致温度变化、降水模式变化和更多极端天气事件。

新的研究发现

此前研究提出了“太阳高能粒子间接效应”作为主要机制，太阳高能粒子间接效应主要通过高能粒子与大气层中的氧气和氮气反应，产生一系列活跃的化学物质如氮氧化物，这些化学物质进一步破坏臭氧分子。一项新的研究为了探究是什么机制将太阳高能粒子引发的高层大气化学变化与对流层的气候变化联系起来，研究人员利用SC-WACCM大气模型，研究了太阳驱动的高能粒子沉降与极地大气臭氧平衡的联系机制。

研究发现，极地中层臭氧的减少导致了约0.5K/天的大气加热增强，这种加热改变了大气温度梯度，进而影响了风场的垂直切变和波传播条件，特别是在11月和12月，研究显示中纬度地区的风场增强，极地涡旋减弱，导致对流层急流向极地移动，中纬度平流层在11月变冷，在12月极地中间层变冷，而极地平流层变暖高达1.25K，。此外，极地中层臭氧的减少导致了北半球环流模式指数的异常，表明极地涡旋增强对流层急流向极地移动。这与观测到的地表温度变化一致，表现为北欧和西伯利亚地区的气温升高，欧洲和加拿大的气温降低。

研究还特别关注了准两年振荡的不同相位对结果进行了分类分析，研究显示准两年振荡的不同相位对大气响应有显著影响，但无论准两年振荡处于何种相位，研究结果都显示对流层急流向极地移动。

研究结果表明，太阳高能粒子引发的中层臭氧减少通过改变大气加热和温度梯度，能够迅速耦合到大气动力学中，从而影响对流层的气候，这一机制与太阳高能粒子间接效应无关，解决了长期以来太阳高能粒子如何影响气候的机制问题。极地中层臭氧的减少会导致对流层急流向极地移动，并引发地表温度的显著变化，这些变化与观测到的太阳高能粒子相关的气候变化一致，表明该机制在季节性气候预测中具有重要应用价值。此外，准两年振荡的不同相位对大气响应有显著影响，特别是在东风相位下，中层臭氧减少导致的极地涡旋减弱更加明显，然而，无论QBO处于何种相位，对流层急流都会向极地移动。

这项研究为理解太阳活动如何通过太阳高能粒子影响地球气候提供了新的机制，并强调了在中层臭氧变化和大气动力学耦合研究中的重要性。

思考

除了本研究的初步结果之外，极地中层臭氧的消失对平流层和对流层有何影响？中层臭氧损失与其他大气或海洋过程之间是否存在任何反馈机制，可能会放大或减轻观察到的影响？

参考文献：Annika Seppälä, Niilo Kalakoski, Pekka T. Verronen, Daniel R. Marsh, Alexey Yu. Karpechko & Monika E. Szelag ，Polar mesospheric ozone loss initiates downward coupling of solar signal in the Northern Hemisphere.  Nature Communications volume 16, Article number: 748 (2025) ，doi.s41467-025-55966-z