Only Perception: 地球上層大氣令人困惑的萎縮

2010-07-18

地球上層大氣令人困惑的萎縮

A Puzzling Collapse of Earth's Upper Atmosphere
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2010/15jul_thermosphere/

Author: Dr. Tony Phillips,
Credit: Science@NASA
Date: July 15, 2010

由 NASA 所資助的研究者正監控我們地球大氣層中的一件大事。遠在地球表面之上，在此大氣與太空相遇，這一層稱為熱氣層（thermosphere，又稱：增溫層、熱成層）的稀薄氣體最近萎縮（collapse）了，現在又再度恢復當中。

"這是熱氣層在過去 43 年來最大的一次收縮，" Naval Research Lab 的 John Emmert 表示，一篇論文的第一作者，那可在 6/19 的 Geophysical Research Letters (GRL) 上找到。"那是太空時代的記錄。"

這次崩潰始於 2008 - 2009 年深沈的太陽活動最小期（solar minimum）期間 -- 這件事實對研究者來說不過是個小驚奇。當太陽活動減少時，熱氣層總是會冷卻與收縮。然而，在此例中，萎縮幅度比低度太陽活動所能解釋的還要大二到三倍。

"某件事正在發生，而我們並不了解，" Emmert 說。

熱氣層的高度範圍在 90 公里到 600 公里以上。那是流星、極光以及人造衛星的領域，當人造衛星繞行地球時，它們會掠過熱氣層。那裡也是太陽輻射與我們星球進行第一次接觸的地點。在來自太陽的超紫外線（extreme ultraviolet，EUV）光子能抵達地表之前，熱氣層將它們攔截。當太陽活動程度變大，太陽 EUV 會使熱氣層變暖，導致它像懸掛在營火上的棉花糖般膨脹。（這種加熱可使溫度升高達 1400 K -- 因此名為熱氣層／增溫層。）當太陽活動程度減小，會發生相反的事情。

近來，太陽活動程度非常低。在 2008 與 2009 年間，太陽躍入世紀等級的太陽活動最小期。太陽黑子幾乎不見，太陽閃焰（solar flares）幾乎不存在，而太陽 EUV 輻射處於衰退階段。研究者立即將注意力轉向熱氣層看看會發生什麼事。

你怎知熱氣層到底發生了什麼事？

Emmert 利用一種聰明的技術：因為當人造衛星移動通過熱氣層時能感知空氣動力學上的拖曳，因而有可能透過觀察人造衛星的軌道縮小（decay）而監控那裡的狀態。他分析 1967 至 2010 年間，高度在 200 到 600 公里內、超過 5000 顆人造衛星的軌道縮小率。這提供獨特的、幾乎涵括整個太空時代的熱氣層密度、溫度與壓力之時--空取樣（space-time sampling）。在這種方式裡，他發現 2008 - 2009 年的熱氣層萎縮不僅是任何先前萎縮中最大的，而且也大過單靠太陽就能解釋的程度。

一種可能的解釋是二氧化碳（carbon dioxide，CO2）

當二氧化碳進入熱氣層後，其作用如同冷卻劑，經由紅外線輻射將熱遮蔽。眾所皆知，在地球大氣中的 CO2 濃度正逐漸增加中。熱氣層中額外的 CO2，很可能擴大了太陽活動最小期的冷卻作用。

"不過這些數據無法完全加總，" Emmert 說。"即使當我們將我們對於「CO2 如何作為冷卻劑」這件事的最佳理解納入考量時，我們都無法完全解釋熱氣層的萎縮。"

根據 Emmert 等人表示，太陽 EUV 減少佔了萎縮原因的 30%。額外的 CO2 至少佔了另外的 10%。而剩下來多達 60% 原因不明。

在他們的 GRL 論文中，作者承認情況很複雜，原因不只太陽 EUV 與地球的 CO2。例如，全球氣候的趨勢能改變熱氣層的組成，改變它的熱特性還有它對於外部刺激的反應。熱氣層對於太陽輻射的整體敏感度很可能在增加當中。

"密度異常，" 他們寫道，"也許意味著已經達到了一種仍未獲確認的、氣候學上的臨界點，那涉及了能量平衡與化學回饋。"

或並非如此。

重要線索也許能在熱氣層的恢復方式中找到。太陽活動最小期現正告一段落，EUV 輻射正在增加，而熱氣層再度膨脹。恢復到底如何進行，也許能揭露太陽 vs. 地球來源的貢獻。

"我們將持續監測這個狀況，" Emmert 說。

※ 水蒸汽、宇宙輻射、地球磁場也許是原因之一。相關報導：

＊ Record-low thermospheric density during the 2008 solar minimum
http://www.agu.org/pubs/crossref/2010/2010GL043671.shtml