布鲁尔—多布森环流（BDC）驱动热带空气上升、极区空气下沉，决定全球臭氧与水汽分布，是平流层物质输运的核心过程。然而极区平流层下沉速度极慢，直接测量极为困难。太阳质子事件（SPE）作为能量最强的高能粒子沉降过程，进入大气后可催化破坏臭氧。极夜条件下臭氧光化学寿命长达数月，其损耗痕迹因而成为追踪动力过程的理想示踪剂。
    前期工作中，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室王赤院士团队的李晖研究员与博士生李雅轩等已系统揭示了SPE对北极平流层极涡的增强效应，定量给出了极涡风速增幅的高度分布特征，证实太阳高能质子通量与极涡增强正相关。然而SPE如何调制BDC下沉分支、下沉速率能否直接量化、背景气候态如何调控该过程，仍是未解之谜。
    针对这些问题，李晖研究员与博士生王玉婷等创新型提出"臭氧示踪"方法，利用臭氧损耗轨迹标记下沉气流，将SPE转化为研究平流层动力学的天然实验。团队利用SPE期间臭氧损耗层作为示踪"染料"，从Aura卫星MLS载荷2004—2023年极区冬季臭氧数据中，识别连续下降的损耗轨迹并线性拟合，直接获取平流层下沉速度，从36次SPE中遴选出21个高质量事件：1）成功量化极区平流层下沉速度。臭氧示踪法给出的下沉速率为150—570米/天，与长效示踪物估算及模式模拟结果高度吻合；2）下沉速率与SPE强度显著正相关。下沉速度与积分质子通量（>10 MeV）相关系数达0.54（p=0.01），敏感性测试中表现稳健；3）揭示SPE影响平流层动力的物理链条。 SPE引发极区臭氧损耗与中低纬臭氧增加，增强经向温度梯度和西风急流，强化极涡。这与前期关于SPE增强极涡的发现一脉相承。进一步分析表明，"双西风带"结构改变行星波波导，促使行星波在高纬汇聚耗散，驱动残余环流增强，强化BDC下沉分支。

图：臭氧示踪法给出SPE期间极区平流层下沉速率（左图）；下沉速率与SPE强度显著正相关（右）

    该研究首次利用臭氧示踪直接量化了SPE期间的极区平流层下沉速率，表明太阳高能粒子不仅通过化学途径破坏臭氧，还通过调制行星波动力过程改变平流层环流下沉分支，深化了对"空间天气如何影响地球中层大气"的认识。相关成果已发表在本领域国际期刊 Geophysical Research Letters上。

来源：国家空间科学中心