JGR Space Physics: 高層大氣氣候變化的驅動因素

2021-01-18 AGU美國地球物理學會

發表於JGR Space Physics的一項新研究證實了二氧化碳對高層大氣長期溫度趨勢的影響，而地球磁場的變化也起到了關鍵作用。


人們對氣候變化的關注往往集中在地球的低層大氣，我們所經歷的大部分天氣現象都發生在那裡。而實際上，氣候變化也會影響到高層大氣。了解高層大氣中的氣候趨勢1對許多應用有幫助，例如規劃衛星任務2和解譯衛星數據、管理空間碎片以及評估破壞性空間天氣3的風險。


在發表於JGR Space Physics的一項新研究中，Cnossen為高層大氣氣候變化的趨勢和驅動因素提供了新的見解，突出了二氧化碳和地球磁場的重要作用。

上圖為2015年3月國際空間站通過歐洲上空時拍攝的照片，可以看見地平線上的綠色極光。新的研究強調了地球磁場對高層大氣氣候變化的影響，包括通常會出現極光的部分熱層。

圖片來源：NASA Johnson Space Center, CC BY-NC 2.0


雖然低層大氣一直在變暖，但海拔100公裡以上的高層大氣在近幾十年一直在變冷4。先前的研究表明，這種降溫趨勢是由溫室氣體排放、地球磁場的變化以及與太陽活動周期相關的太陽和地磁活動的長期變化共同驅動的。


為了進一步理解這些驅動因素，Cnossen使用了帶有熱層和電離層擴展的全大氣公共氣候模式(WACCM-X, Whole Atmosphere Community Climate Model with thermosphere and ionosphere extension)5來模擬1950年到2015年之間從地球表面到海拔500公裡的大氣溫度和密度的變化。分析中仔細計算了太陽周期的影響——這是高層大氣研究中的一個主要挑戰。在考慮到這些影響的情況下，該模擬證實了先前的觀點，即不斷上升的二氧化碳水平是造成上層大氣中的熱層6部分長期冷卻的主要原因。此外，地球磁場的長期變化似乎也在靠近南北兩極的熱層氣候變化中發揮了重要作用。


該分析也考慮了電離層，即高層大氣中的帶電部分。模擬結果表明，電離層密度的長期變化是由二氧化碳和地球磁場共同驅動的。磁場對電離層氣候的影響在從南美洲東北部跨越大西洋延伸至非洲西部的這一大致範圍內尤為明顯。


這一發現將有助於為未來對高層大氣氣候變化及其長期影響的研究提供信息。

以上亮點評論英文原文發表於：AGU Eos，中文翻譯僅供參考。

原文標題：Drivers of Upper Atmosphere Climate Change

原文連結：

https://eos.org/research-spotlights/drivers-of-upper-atmosphere-climate-change

Text © 2020. AGU. CC BY-NC-ND 3.0

1. Investigating Climate Change from the Stratosphere to Space:

https://eos.org/meeting-reports/investigating-climate-change-stratosphere-space

2. Improving Temperature Forecasts in the Upper Atmosphere:

https://eos.org/editor-highlights/improving-temperature-forecasts-in-the-upper-atmosphere

3. Can Moderate Space Weather Have Major Impacts?:

https://eos.org/editor-highlights/can-moderate-space-weather-have-major-impacts

4. Upper Atmosphere Has Cooled Steadily for Three Decades:

https://eos.org/research-spotlights/upper-atmosphere-cooled-steadily-three-decades

5. The Whole Atmosphere Community Climate Model with thermosphere and ionosphere extension (WACCM-X):

https://www2.hao.ucar.edu/modeling/waccm-x

6. Thermosphere – overview:

https://scied.ucar.edu/shortcontent/thermosphere-overview

https://doi.org/10.1029/2020JA028623

Cnossen, I. (2020). Analysis andattribution of climate change in theupper atmosphere from 1950 to 2015 simulated by WACCM-X. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125, e2020JA028623. https://doi.org/10.1029/2020JA028623

JGR Space Physics發表空間科學領域中新的原創研究成果，包括高層大氣物理學、磁層物理學、行星環境、電離層和磁層、太陽和行星際物理學、宇宙射線以及日光層物理學等。期刊歡迎任何探討空間科學和太陽系其他構成要素之間相互關係的研究成果，也歡迎多學科和系統級的科學報告。


2019年影響因子：2.80

5年影響因子：    2.75

從投稿到一審意見的中位數時間：42天

2020年12月1日-12月17日，AGU Fall Meeting 2020全面在線，1800+個專題會議、近兩萬場報告，大量大會公開報告、主題演講和專題討論，視頻，海報等著您，還可以參觀虛擬展廳，參與聊天或小組對話。

掃描二維碼進入會議主頁了解每日亮點：

https://www.agu.org/Fall-Meeting 

點擊下方「閱讀原文」訪問JGR Space Physics期刊網站，閱讀更多精彩內容。

相關焦點

  • JGR Atmospheres:熱帶地區正在擴張,氣候變化是主因
    這項新的研究發現，熱帶地區的擴張主要是由氣候變化導致的海洋變暖驅動的，而不是大氣的直接變化引起的。根據這項新研究，南半球之所以發生著更大的變化，因為它被更多的海洋所覆蓋。上圖顯示了地球上熱帶地區的傳統位置。新的研究發現，由於人類造成的海洋變化，熱帶正在向極地擴展。
  • 大氣|分析影響氣候形成的因素
    衛星雲圖地球上的氣候有十好幾種，不同的地區有氣候相同的或相似的，也有不同的，那麼是什麼因素影響氣候的最終形成呢？通過以上分析我們得到影響氣候的因素概括起來有：1、 緯度。緯度的不同導致地面獲得的熱量不同，這樣按照熱量的不同把氣候分為熱帶、亞熱帶、溫帶、亞寒帶、寒帶、極地（苔原帶、冰原帶）。還有海拔高低也影響熱量的變化。
  • 土地利用影響氣候變化的重要因素
    資料顯示，近15年間，土地利用變化大約佔全球二氧化碳釋放量的23%，甲烷的60%，一氧化二氮的23%。人類的土地利用已經大大地影響著全球環境，在很多地區甚至在全球範圍內，土地利用已成為影響氣候變化的一個重要因素。　　我國土地資源的特點　　我國土地資源有「一多三少」的特點，即總量多，人均耕地少，高質量的耕地少，可開發後備資源少。
  • 地球氣候變化受太陽活動影響嗎?
    以聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）氣候變化評估報告為代表的主流觀點認為，20世紀中葉以來的全球變暖極有可能是由人類活動排放的溫室氣體造成的。然而，有研究指出，IPCC的氣候模型低估了自然因素對氣候變化的影響，卻誇大了人類活動的貢獻。太陽活動是地球氣候變化自然驅動力中的一個重要組成部分，研究太陽活動對地球氣候變化的影響仍具有十分重要的意義。
  • 氣候變化受太陽活動影響嗎?
    以聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC） 氣候變化評估報告為代表的主流觀點認為，20世紀中葉以來的全球變暖極有可能是由人類活動排放的溫室氣體造成的。然而，有研究指出，IPCC的氣候模型低估了自然因素對氣候變化的影響，卻誇大了人類活動的貢獻。太陽活動是地球氣候變化自然驅動力中的一個重要組成部分，研究太陽活動對地球氣候變化的影響仍具有十分重要的意義。
  • 2002-2018年北美洲地表溫度異常變化的驅動因素分析
    近年來，在全球氣候變化的背景下，北美洲的地表溫度變化極為異常。為探究這些異常現象的影響因素，在結合地面站點利用數據重構模型生成更高質量遙感地表溫度數據的基礎上，綜合植被、土壤水分、氣溶膠光學厚度、雲量、大氣水汽含量5種地表大氣參數和ENSO、NAO、PDO3種大型氣候模態，分析了北美洲地表溫度時空異常變化的驅動因素。重新生成的地表溫度數據像元信息更加完整，數據精度可達1K左右。
  • 北大西洋暖流持續減緩 驅動因素包括人為碳排放造成的氣候變化
    這套海洋環流系統的弱化可能是自然而然地開始，但也可能是因為持續受到與溫室氣體排放相關的氣候變化所影響。北大西洋暖流。來源：Natalie Renier/Woods Hole Oceanographic Institution（CC BY-ND 4.0）洋流是地球氣候系統的關鍵參與者，當它大規模變化或突然減緩，都有可能產生全球性的影響，如美國東海岸的海平面上升、改變歐洲天氣模式或降雨模式、傷害海洋野生動物等等。
  • 地球大氣開始電離的部分叫做高層大氣
    高層大氣高度範圍從60公裡左右到幾千公裡。歷史上，高層大氣的高度範圍隨探測技術的進步而改變，並且不同學科領域的劃分標準不盡相同。有時人們也把30公裡以上的中層大氣併入高層大氣。高層大氣上界的層狀結構已不明顯，在那裡，熱速度高的大氣粒子有可能克服地球引力的束縛而外逸出地球大氣層，而行星際空間的某些氣體粒子也有可能進入高層大氣。高層大氣的粒子包括中性部分和電離部分。由於這兩部分粒子間的碰撞，無論從成分結構、動量交換或是從能量平衡角度看，兩者都是相互影響不可分割的。在高層大氣中存在著各種各樣的微觀和宏觀的物理、化學過程，從而決定了它的熱狀態、電離狀態和運動狀態。
  • 水運到高層大氣導致火星變幹
    此外，大氣中水的濃度變化取決於季節，並且與沙塵暴有關。這項工作發表在《科學》雜誌上。通過MAVEN的研究，科學家發現了證據，表明火星上的水被直接輸送到高層大氣，在那裡與大氣離子的反應被轉換成原子氫，氫被帶入太空。在這個過程中，季節變化和沙塵暴非常重要。
  • 地球生命的保護傘，大氣的垂直分層：對流層、平流層和高層大氣
    當然，厚度超過1000千米的大氣層也不是均勻分布的，一般來說我們根據大氣的溫度、成分、密度等因素的變化，可以把大氣層大概分為三層，分別是對流層、平流層和高層大氣。對流層的厚度，除了不同緯度厚度不同，在同一個地點，也會有季節變化，一般來說夏季氣溫較高時，對流層較厚；而冬季氣溫較低時，對流層較薄。由於對流層溫度上冷下熱，空氣運動對流劇烈。
  • 地球生命的保護傘,大氣的垂直分層:對流層、平流層和高層大氣
    當然，厚度超過1000千米的大氣層也不是均勻分布的，一般來說我們根據大氣的溫度、成分、密度等因素的變化，可以把大氣層大概分為三層，分別是對流層、平流層和高層大氣。對流層的厚度，除了不同緯度厚度不同，在同一個地點，也會有季節變化，一般來說夏季氣溫較高時，對流層較厚；而冬季氣溫較低時，對流層較薄。由於對流層溫度上冷下熱，空氣運動對流劇烈。
  • 水蒸氣是全球氣候變化和全球變暖主要影響因素
    最近，研究人員利用最新的美國宇航局衛星數據，更科學準確地估算出它在空氣中的熱誘捕能力，從而確認它是氣候變化的一個重要因素。最近，這項由美國航天局資助的研究成果已經發表在美國地球物理學聯合會的《地球物理研究快報》上。
  • 中科院團隊破解360萬年來亞洲中緯度氣候變化
    中新網北京9月23日電 (記者 孫自法) 中國科學院科研團隊最新通過分析青藏高原北緣西崑侖山前迄今世界最厚完整黃土巖芯的研究發現，360萬年來，亞洲中緯度乾旱區氣候總體呈持續變幹趨勢，全球變冷尤其北半球高緯度冰量增加和冰蓋擴展，可能是驅動亞洲中緯度地區360萬年以來西風氣候變化和乾旱化的主控因素，並可能通過粉塵輸送對北太平洋和南海生物生產力及與其相關的大氣二氧化碳濃度吸收和全球變冷產生重要影響
  • Climate Change 氣候變化怎麼說?
    什麼因素導致了全球變暖？導致全球變暖的原因很多，包括地球公轉自轉的角度變化，太陽黑子的頻繁活動，大氣的物質構成發生變化等等。而後者的變化正是人為因素造成的。　　How are human activities affecting Global Warming? 為什麼人類的活動會引發全球變暖？
  • 氣候變化或使「落葉季」提前
    圖片來自pixabay.com幾十年來，科學家一直猜測，在持續的氣候變化下儘管溫帶落葉喬木生長季的時長變化對全球碳平衡的影響很大，但由於我們對秋葉老化的環境驅動因素了解還很少，因此也很難確定未來喬木的生長季變化趨勢。溫帶地區喬木生長季結束時，樹木便會落葉，這是樹木對環境壓力（如冰點溫度）的一種適應。一個比較常見的相關假設是，當某些環境壓力因素稍有緩解時（如氣候變暖），樹葉的落葉時間將會推遲，並通過光合作用固定更多來自大氣的碳。
  • 太陽活動如何影響天氣氣候變化
    近20年的研究已清楚表明，天氣氣候的形成和變化，尤其是氣候變化並不僅僅是大氣運動所產生的，它們是氣候系統（包括大氣、海洋、地圈和生物圈等）共同作用的結果。作為大氣和海洋運動能量基本來源的太陽，無疑在大氣等系統的運動和變化中有極其重要的作用。李崇銀院士從氣象學角度概括歸納了太陽活動與天氣氣候變化的關係。
  • 氣候變化對臭氧層的區域性影響
    氣候變化帶給臭氧層的消息是喜憂摻半的。 　　臭氧層是高層大氣的一個重要部分，保護人類和生態系統不受UV-B輻射的傷害。20世紀70年代，同溫層（地球表面以上10至50千米處）中臭氧的損耗成為廣為關注的問題：科學家們意識到損耗臭氧的化學物質（如：氟裡昂）廣泛地應用在從氣溶膠產品到電冰箱等各個方面，這些化學物質正在破壞世界範圍內的臭氧層，特別是兩極地區的臭氧層。
  • 全國氣候與氣候變化標委會及分委會成立
    怎樣對人居環境氣候舒適度進行科學評價？這些氣候及氣候變化的標準化問題，有望逐步得到解決。4月27日，全國氣候與氣候變化標準化技術委員會及其兩個分技術委員會在北京成立。這對於推動我國氣候及氣候變化的標準制定與修訂工作具有重要意義。中國氣象局副局長沈曉農出席大會並致辭。　　會議宣讀了國家標準化管理委員會對於全國氣候與氣候變化標準化技術委員會及其分委會的批覆文件。
  • 大氣中的二氧化碳是如何影響氣候變化
    在哥本哈根召開的聯合國氣候變化大會上，減少二氧化碳排放和減緩氣候變化是各國代表們熱烈討論和商議的重要議題。　　　　大氣中二氧化碳從哪兒來？　　　　二氧化碳在大氣中如何存在？　　空氣中二氧化碳的含量理論說應該基本保持恆定。這是由於大氣中的二氧化碳始終處於「邊增長、邊消耗」的動態平衡狀態。　　大氣裡的二氧化碳主要由含碳物質燃燒和動物的新陳代謝產生。
  • 緯度位置、海陸位置和大氣環流三大因素,決定了全球氣候基本格局
    氣候是指一個地區大氣的多年平均狀況，主要的氣候要素包括氣溫、降水和光照等等，全球主要的氣候類型包括熱帶雨林氣候、熱帶沙漠氣候、熱帶草原氣候、熱帶季風氣候、亞熱帶季風氣候、地中海氣候、溫帶海洋性氣候、溫帶大陸性氣候、溫帶季風氣候、極地氣候和高山高寒氣候等。