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于预测气候变化至关重要，比如太阳风暴期间高能粒子沉降（energetic particle precipitation，EPP）如何导致极地中层臭氧严重消耗。近日，一项新的研究强调了这种臭氧损失如何引发一系列大气变化，这些变化向下传播到低层大气，影响平流层、对流层，并最终影响北半球的天气模式。

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。然而，由于来自太阳风暴高能粒子等的影响，中间层的臭氧会遭受严重损失。

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。

太阳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

一项新的研究利用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。

由于极地环流，极地冬季中间层已经比其赤道对应层更温暖，这导致赤道到极地的温度梯度增强。在月尺度上，中高纬度中间层进一步变暖，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。虽然这些变化是由化学变化引起的，但它们并不是化学变化的直接结果，而是由动态响应引起的。根据大气中的经向温度梯度与纬向风的垂直切变相平衡，温度梯度的增强对应着垂直风切变的减少。

研究显示，11月份中纬度地区的纬向风在臭氧损失高度以下增强，而在臭氧损失高度以上减弱，从而减少了垂直风切变，这使得11月份极地涡旋的上部向赤道倾斜，增强了整个平流层和中层下部的涡旋赤道侧的风。风型决定了大气波的传播条件，而波传播的变化已被证明是通过自上而下的机制传输与太阳辐射相关的动态信号的关键。到12月，这导致极地风显著减速，12月极地风力较弱将增强经向环流，导致极地平流层的动态变暖和极地中层变冷。

这项研究确定了一种向下耦合机制，该机制允许太阳引起的极地中层臭氧损失向下传播，影响低海拔地区的天气模式。这种耦合发生的时间尺度与对流层观测到的气候变化一致，例如北极涛动和北大西洋涛动的变化。这些指数是北半球天气模式的主要驱动因素，尤其是在冬季。研究特别指出，太阳高能粒子会消耗极地中层臭氧，臭氧的损失会改变大气的加热，进而引发大气环流的变化。这些变化会向下传播到平流层和对流层，对地面天气产生明显的影响。

研究表明，纳入中层高能粒子沉降-臭氧联系对北半球广泛纬度和高度的动力学条件有影响，而不仅限于高纬度极地大气。将太阳强迫对涡流驱动的急流的影响纳入模型预测中，将有助于捕捉一些目前表现不佳的区域气候变化，提供目前尚未开发的季节性预测技能来源。

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？哪些特定的区域气候对中层臭氧水平的变化最为敏感，这些变化在较长时期内如何表现？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