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지구의 복사대에서 나오는 고립된 양성자 오로라에 해당하는 국부적인 중간권 오존 파괴

May 04, 2023May 04, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16300(2022) 이 기사 인용

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지구 복사대에서 나오는 상대론적 전자강수(REP)는 우주 기상과 기후 시스템 사이의 연결로서 중층권 오존 손실에 중요한 역할을 합니다. 그러나 REP에 의해 직접적으로 발생하는 중간권 오존의 급속한(수십 분) 파괴는 그 위치와 기간을 인식하기 어렵기 때문에 제대로 이해되지 않은 채 남아 있습니다. 여기서 우리는 고립된 양성자 오로라(IPA)라고 불리는 특정 오로라 현상 동안 국부적인 REP와 오존 파괴 사이의 강력한 빠른 대응을 보여줍니다. 지구 복사 벨트의 IPA는 다른 오로라 현상과 구별되며 미세 오존 구멍을 시각화할 수 있는 REP의 중요한 공간적, 시간적 프록시가 됩니다. 우리는 IPA 시작 후 1.5시간 이내에 오존이 10~60%나 파괴되는 것을 발견했습니다. REP의 동인으로 관찰된 산소 이온 밴드의 전자기 이온 사이클로트론 파동은 주로 초상대론적(> 2 메가 전자 볼트) 에너지 전자와의 공명을 통해 영향을 미칠 가능성이 높습니다. 신속한 REP 영향은 대기 화학 균형 조절에 중요한 역할과 직접적인 효과를 보여줍니다.

수백 킬로전자볼트(keV)~메가전자볼트(MeV)의 에너지 입자 강수(EPP)로 인한 대기 영향은 중간권(50~80km)과 성층권 상부(~ 50km) 열권 아래(100~200km)1,2,3,4. EPP는 EPP에 의한 홀수 질소(NOx) 및 홀수 수소(HOx)의 생성으로 인해 극지방(자기 위도 > 55°)에서 오존을 촉매적으로 파괴하는 주요 원인 중 하나입니다5,6,7,8 . 플라즈마 입자 에너지는 대기 중 이온화 고도를 결정하는 데 중요합니다. EPP-NOx 상호작용은 소위 간접 효과10로서 낮은 열권(생성 고도 ~ 80km)에서 성층권 고도까지 EPP 구동 NOx의 수직 수송에 영향을 미칩니다10. 결과적으로, 극 소용돌이는 극지방의 NOx를 효과적으로 수송하고, NOx 수송은 수개월에서 수십 년에 걸쳐 중층권 오존 손실에 10~20% 정도 중요한 역할을 합니다11. 대조적으로, EPP 구동 NOx 및 HOx의 현지 생산은 생산 고도에서 오존 파괴에 직접적으로 기여합니다9,12. 특히 EPP-HOx 상호작용은 HOx 계열4의 수명이 몇 시간이기 때문에 더 짧은 시간 내에 빠르게 발생할 수 있습니다. 중간권의 오존 밀도는 성층권의 밀도보다 훨씬 작지만, 중간권 오존과 대기 이온화는 화학 및 수송 과정을 통해 지구 기후 시스템에 중요한 역할을 할 수 있습니다13,14. 활발한 태양 폭발로 인해 발생하는 에너지 양성자 플럭스(> 10 MeV)를 크게 증가시키는 태양 양성자 현상은 EPP의 주요 원인이며, 이러한 태양 양성자 강수는 오존 파괴5,6,7 및 이상 현상에 중요한 역할을 합니다. 전체 극성 캡 영역의 전자 밀도 향상15. 태양 양성자 사건의 영향이 전 지구적이라는 점을 감안할 때 우리는 새로운 질문을 하게 됩니다. 대기 화학에 대한 EPP의 직접적인 영향을 짧은 기간 동안 국지적인 지역에서 관찰할 수 있습니까? 원칙적으로 EPP는 특정 위도, 경도, 출현 기간에서 오로라와 같은 명확한 위치를 보여줄 수 있습니다. 따라서 EPP가 태양 양성자 사건과 마찬가지로 중층권 오존 파괴의 주요 동인으로 직접적이고 빠르게 작용한다면 국지적인 EPP와 관련된 국지적인 오존 파괴가 관찰 가능해야 합니다. 특정 EPP 현상(맥동성 오로라(> 200-keV 전자)16 및 상대론적 전자 마이크로버스트(> 1-MeV 전자)17)에 대한 직접적인 효과에 대한 시뮬레이션 연구는 중간권에서 최대 20%의 오존 파괴를 예측했습니다. 태양의 양성자 사건에 의해 생성된 효과와 동일합니다18. 이러한 시뮬레이션 연구는 공간적, 시간적으로 국한된 EPP 현상과 관련된 오존 손실을 예측합니다. 그러나 현재까지 관측에서 국지적인 단기 EPP 현상을 식별하는 것이 어렵기 때문에 그러한 국지적인 오존 손실을 입증한 관측 증거가 없습니다.

 10 MeV, but the diffusion rates in the case of a typical low geomagnetic field strength (170 nT and 110 nT for the 2015 and 2014 events, respectively) and a high cold electron density (250 cm−3 and 100 cm−3) are given in ultra-relativistic energies > 2 MeV over a wide pitch angle range (see Fig. 4a, b). EMIC waves in the H + and He + bands cannot typically resonate with ultra-relativistic electrons in such a wide pitch angle range at the equator25. Such EMIC waves mainly affect the pitch angle scattering of a few MeV electrons25,46, but the O + band EMIC waves effectively enhance the loss of ultra-relativistic (> 2 MeV) electrons. The wave frequency46 and hot ion density47,48 are also quite important for the loss of radiation belt electrons. This essential pitch angle scattering of ultra-relativistic electrons by EMIC waves is similar to that reported in previous studies49,50. Furthermore, non-resonant electrons at lower energies of up to ~ 100 keV, which are below the resonance cutoff of MeV energies in Fig. 4c and d, can still precipitate due to non-resonant interactions by EMIC wave packets with narrow edges51. The effects of non-resonant electrons are not taken into account the calculated diffusion rates, and such ~ 100 keV electron precipitation can still produce important atmospheric impacts because of a much larger population of ~ 100 keV electrons than that for ultra-relativistic electrons49,50./p> 2 MeV) electron precipitation, which can strongly interact with EMIC/Pc1 waves in the O + band as shown in Fig. 4. The stopping height of the ultra-relativistic electrons is in the stratosphere below the mesosphere9, but the ionization rate of the atmosphere up to the stopping altitude is almost the same as that for the relativistic electrons9. Thus, the observed mesospheric ozone destruction can be caused by the effects of the ionization by the ultra-relativistic electrons above the stopping height. The other scenario is the direct effect by precipitating non-resonant electrons in the lower relativistic and/or ~ 100 keV energies51. These lower energy electrons as compared to the smaller numbers of ultra-relativistic electrons have a lower fractional scattering efficiency with the EMIC/Pc1 waves, but a much larger population. The lower fractional scattering of electrons of lower energy acting on a much larger population can produce a significant atmospheric impact. If the later scenario is the major reason, the rapid ozone destruction events would be observed during EMIC waves in other ion bands, not only for the O + band. On the other hand, a simulation study showed not only an effective REP, but also a nonlinear blocking of REP by large amplitude EMIC waves59. The precipitation blocking was effective at limited low pitch angles less than 10 deg. The precipitating flux of REP can be determined by a balance between the precipitation effects guiding particles into the loss cone in a wide pitch angle range and the precipitation blocking at low pitch angles. Our study should motivate future studies using combined wave and ozone data with incorporation with these precipitation and precipitation blocking effects through wave-particle interaction (quasi-linear, nonlinear, and non-resonance etc.) processes. Identifying the most important EMIC-driven precipitating electron energy to have the major atmospheric impacts remains an open question, so multi-coupled magnetosphere-ionosphere-atmosphere simulations using the quantitative flux measurements of radiation belt electrons into the IPA are also suggested so that further modeling and simulations can investigate the conditions under which immediate ozone destruction processes are created by various wave-particle interaction processes and other atmospheric effects. A previous simulation study suggested a weak mesospheric ozone destruction up to ~ 10% caused by EMIC-driven REP60, while the present observations show a greater 10 to 60% ozone destruction, which could have an impact similar to that from other EPP phenomena (pulsating aurora16 and microbursts17). The accumulated impacts of needle holes in the ozone layer by the IPA cannot be ignored when considering overall ozone changes in the mesosphere./p> 1000 km) longitudinal width in a narrow (hundreds of kilometers) latitude./p>

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