臨近空間對太陽風(fēng)暴的響應(yīng)是國際日地關(guān)系研究中一直關(guān)注的重大科學(xué)問題，也是中國科學(xué)院“鴻鵠”先導(dǎo)專項(xiàng)科學(xué)任務(wù)“臨近空間對太陽風(fēng)暴響應(yīng) 特征觀測研究”的重要研究對象。太陽耀斑導(dǎo)致的X射線和紫外（190nm-400nm）輻射增強(qiáng)直接影響臨近空間大氣能量收支。由于缺乏對太陽耀斑期間全譜段輻射增強(qiáng)、以及臨近空間環(huán)境的高時(shí)間分辨率觀測數(shù)據(jù)，嚴(yán)重制約了科學(xué)家對太陽耀斑瞬時(shí)影響臨近空間不同高度環(huán)境的認(rèn)知。
空間中心胡雄研究員團(tuán)隊(duì)在中科院“鴻鵠”先導(dǎo)專項(xiàng)任務(wù)的支持下，突破了臨近空間浮空平臺的綜合環(huán)境先進(jìn)探測載荷技術(shù)，成功開展了HH-20-10青藏高原飛行實(shí)驗(yàn)，幸運(yùn)地獲得了一個(gè)A級太陽耀斑事件期間的太陽紫外光譜輻射數(shù)據(jù)，揭示了在臨近空間高度上的太陽紫外輻射光譜（190-400nm）變化特征。為進(jìn)一步掌握太陽紫外輻射增強(qiáng)對臨近空間影響的機(jī)制，團(tuán)隊(duì)骨干成員柳丹等提出了一種基于太陽光譜（190.5-399.5 nm）輻射歷史數(shù)據(jù)集的、高時(shí)間分辨率的紫外輻射重構(gòu)方法，采用包含大氣動力學(xué)、輻射-光化學(xué)過程的物理模式，首次模擬10-100km臨近空間大氣環(huán)境對某個(gè)太陽耀斑紫外（190.5-399.5 nm）輻射增強(qiáng)事件的響應(yīng)過程。
模擬結(jié)果表明，在某個(gè)太陽耀斑紫外線輻射增強(qiáng)的幾十分鐘內(nèi)，以臭氧為主導(dǎo)的光化學(xué)過程引起了大氣溫度和密度的相應(yīng)變化，且其效應(yīng)持續(xù)了兩天以上；大氣臭氧、溫度和密度的變化在不同高度上具有不同的機(jī)理和特征。在平流層，北半球低緯度和南半球臭氧均增加0.6%，這是因?yàn)槌粞跎煞磻?yīng)（分子氧光解生成氧原子與氧氣生成臭氧，受243nm以下波段輻射影響）和反應(yīng)速率與其他消耗臭氧的反應(yīng)相比增幅較大，導(dǎo)致平流層臭氧總量增加；在中間層，除了北半球高緯地區(qū)的其他地區(qū)，在 70-85 公里處有高達(dá) 6% 的正響應(yīng)，這是由于沒有產(chǎn)生足夠的 HOx 來克服Lyman-α（121.6nm）對分子氧的光解，最終臭氧生成反應(yīng)取得優(yōu)勢導(dǎo)致臭氧增加；在低熱層85 公里以上為 -3.6% 的響應(yīng)，主要是由于臭氧與氮氧化物（N,NO）的消耗反應(yīng)導(dǎo)致臭氧減少。
該項(xiàng)工作首次給出了臨近空間對太陽耀斑紫外（190nm-400nm）輻射增強(qiáng)響應(yīng)的模擬結(jié)果。在太陽耀斑影響臨近空間的認(rèn)知上取得的任何進(jìn)展，對于進(jìn)一步探索太陽風(fēng)暴影響低層大氣天氣和氣候過程具有重要意義。
圖1 基于FISM和GSFCSSI數(shù)據(jù)集重構(gòu)5分鐘分辨率的太陽光譜輻射((a)0.05 nm，(b)0.15 nm，(c)120.5nm，(d)280.5nm)
圖2 臭氧在太陽耀斑不同時(shí)期的相對變化((a)耀斑前，(b)耀斑期間，(c)耀斑結(jié)束，（d）為耀斑期間低緯地區(qū)的臭氧響應(yīng)。)
該項(xiàng)工作已在國際學(xué)術(shù)期刊Atmosphere上正式發(fā)表，臨近空間浮空器先進(jìn)載荷技術(shù)和部分飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果可參閱研究團(tuán)隊(duì)近期發(fā)表在《空天技術(shù)》上的文章。
Citation:
1.Liu, D.;Yang, J.;Hu, X.;Cheng, X.;Xiao, C. Simulation of the Impact of Instantaneous Solar UV Radiation Enhancements on the Middle Atmosphere via UV Radiation Reconstruction. Atmosphere. 2022,13,1386. https://doi.org/10.3390/atmos13091386.
2.胡雄，韋峰，李磊，陳濤，周斌，宋亮，韋飛，王馨悅，朱翔，陶孟澤. 浮空平臺臨近空間環(huán)境探測載荷技術(shù)研究. 空天技術(shù). 2022(3):95-104.
