地球神秘「未知層」有望為極光研究帶來新曙光

地球大氣層的某些部分，我們所知甚少。日本科學家建立了有史以來第一個關於地球整個大氣層（一直延伸到太空）的長期資料集。

有些地球大氣層區域被持續且極為詳細地研究著。舉例來說，全球數以百萬計的氣象站、數百個氣象氣球以及無數架飛機，每日都在對大氣層最底層的對流層進行測量。氣象氣球還能抵達對流層上方平流層的下部。這些測量所產生的龐大資料量，讓現代計算氣象模型幾近完美。

然而，再往上一些，情況就截然不同了。中間層，也就是平流層上方那層稀薄空氣、幾乎延伸到太空邊緣的區域，幾乎完全是未知的。人們對中間層的過程所知極少，因此這個區域有時被稱為「未知層」。我們在這方面知識的空白，是由於未知層難以企及——它對平流層氣球而言太高，而對近地軌道衛星上的儀器來說，通常又太低，難以進行探索。

東京大學的一組研究人員嘗試用計算機建模解決這個問題。他們收集了透過探空火箭、地基雷達和雷射雷達儀器獲得的、為數不多的未知層氣象引數測量值，並將其輸入到他們先前開發的一個新資料同化系統中。資料同化是一種將建模與直接觀測相結合，以預測系統演變的技術。接著，該系統被指令重構中間層可能發生的情況，以填補空白。

日本研究人員利用這個模型生成了長達19年的資料，涵蓋了高達110公里（68.4英里）高度的整個大氣層的演變。然後，他們利用地基雷達獲得的中間層風的額外測量值，驗證模型中的一些引數，以增強對結果的信心。

這個資料集的時間跨度從2004年9月到2023年12月，將使研究人員能夠探索和模擬一些在更高海拔發生的神秘現象，包括迷人的北極光及其南半球對應的南極光。

東京大學大氣物理學教授、該專案首席研究員佐藤薫向Space.com表示：「對於對流層和平流層，我們有大量資料，而且這個區域的數值建模幾乎完美。在更高的區域，模型表現不佳，因為它們缺乏初始條件的準確資料。而我們的資料集可以提供這些。」

未知層是許多與太空天氣相關效應發生的大氣區域。當太陽發射出的帶電粒子束撞擊地球時，它們與地球高空的稀薄氣體混合，激發空氣分子。此時，分子會發出迷人的光芒，在地球上的我們就能觀察到極光。但太空天氣對大氣層還有其他不太明顯的影響。

佐藤說：「高能太陽粒子會改變臭氧化學，破壞臭氧層。我們也知道，極光現象能產生所謂的重力波，然後向下傳播到整個大氣層。」

重力波（不要與黑洞碰撞等劇烈事件產生的引力波混淆）是在整個大氣層中都會出現的渦旋。它們在全球範圍內傳輸能量，從而影響氣候模式。然而，到目前為止，氣候建模者一直無法理解在更高海拔發生的重力波的影響。

佐藤表示：「我們的資料集為大氣環流的通用模型提供了高解析度的初始條件。因此，它使我們能夠模擬從地表到太空邊緣的整個大氣層中的重力波。」

這些資料還將幫助研究人員更好地模擬低層大氣的過程如何影響電離層。電離層是海拔50英里（80公里）以上的大氣部分，那裡的氣態粒子不斷被太陽風電離。佐藤稱，包括重力波和全球尺度潮汐波在內的大氣波，會影響電離層發電機效應，即地球磁場線與電離層中電離空氣的運動相互作用，在地球周圍產生電流的過程。

研究人員希望他們的資料集能幫助破解其他謎團，例如2000年代末首次觀測到的所謂半球間耦合的奇怪現象。佐藤說，半球間耦合是指南極中間層和北極平流層之間假定存在的一種聯絡，在這種聯絡中，罕見的高空雲通常在1月份同時出現和消失。

佐藤說：「如果我們想了解這種半球間耦合背後的機制，就需要資料。我們的資料集可以提供非常有價值的資訊，以解決這個耦合問題。」

一篇描述日本團隊研究成果的論文於1月10日發表在《地球與行星科學進展》雜誌上。

原文釋出於Space.com。