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Distruzione localizzata dell'ozono mesosferico corrispondente all'aurora protonica isolata proveniente dalla cintura di radiazione terrestre

May 04, 2023May 04, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16300 (2022) Citare questo articolo

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La precipitazione relativistica degli elettroni (REP) dalla cintura di radiazione terrestre svolge un ruolo importante nella perdita di ozono mesosferico come connessione tra la meteorologia spaziale e il sistema climatico. Tuttavia, la rapida (decine di minuti) distruzione dell’ozono mesosferico causata direttamente dal REP è rimasta poco compresa a causa della difficoltà di riconoscerne la posizione e la durata. Qui mostriamo una corrispondenza rapida e convincente tra REP localizzata e distruzione dell’ozono durante uno specifico fenomeno aurorale, chiamato aurora protonica isolata (IPA). L'IPA proveniente dalla cintura di radiazione terrestre diventa un importante proxy spaziale e temporale del REP, distinto da altri fenomeni aurorali e consentendo la visualizzazione dei micro buchi dell'ozono. Abbiamo riscontrato una distruzione dell’ozono pari al 10-60% entro 1,5 ore dall’inizio dell’IPA. Le onde del ciclotrone ionico elettromagnetico nella banda degli ioni di ossigeno osservate come driver di REP probabilmente influenzano attraverso la risonanza con elettroni di energia principalmente ultrarelativistici (> 2 megaelettronvolt). Il rapido impatto del REP dimostra il suo ruolo cruciale e l’effetto diretto sulla regolazione dell’equilibrio chimico atmosferico.

Gli effetti atmosferici dovuti alla precipitazione di particelle energetiche (EPP) da centinaia di kiloelettronvolt (keV) a megaelettronvolt (MeV) hanno impatti chimici atmosferici significativi nella mesosfera (da 50 a 80 km) e nella stratosfera superiore (~ 50 km) sotto la termosfera (da 100 a 200 km)1,2,3,4. L'EPP è una delle principali fonti di distruzione catalitica dell'ozono nella regione polare (latitudini magnetiche > 55°) a causa della produzione di azoto dispari (NOx) e idrogeno dispari (HOx) guidati dall'EPP5,6,7,8 . L'energia delle particelle del plasma è importante per determinare l'altitudine di ionizzazione nell'atmosfera. Le interazioni EPP-NOx influenzano il trasporto verticale degli NOx guidati dall'EPP nella termosfera inferiore (la sua altitudine di generazione di ~ 80 km) fino all'altitudine stratosferica come i cosiddetti effetti indiretti10. Di conseguenza, il vortice polare trasporta efficacemente gli NOx nella regione polare, quindi il trasporto degli NOx svolge un ruolo significativo nella perdita di ozono mesosferico dal 10 al 20% su una scala temporale che va da diversi mesi a decenni11. Al contrario, la produzione locale di NOx e HOx dovuti all’EPP contribuisce direttamente alla distruzione dell’ozono alle loro altitudini di produzione9,12. Le interazioni EPP-HOx, in particolare, possono verificarsi rapidamente in un periodo di tempo più breve, a causa della durata di poche ore della famiglia HOx4. La densità dell’ozono nella mesosfera è molto inferiore a quella della stratosfera, ma l’ozono mesosferico e le ionizzazioni atmosferiche possono svolgere un ruolo importante per il sistema climatico globale attraverso i processi chimici e di trasporto13,14. Gli eventi di protoni solari, che comportano un forte aumento del flusso di protoni energetici (> 10 MeV) causato da un'eruzione solare attiva, sono una delle principali fonti di EPP e tale precipitazione di protoni solari svolge un ruolo importante nella distruzione dell'ozono5,6,7 e anomalie aumento della densità elettronica nell'intera regione della calotta polare15. Dato che gli effetti degli eventi dei protoni solari sono globali, siamo spinti a porre una nuova domanda: è possibile osservare gli impatti diretti dell’EPP sulla chimica atmosferica in un’area localizzata e di breve durata? In linea di principio, l’EPP può mostrare una chiara localizzazione come l’aurora a specifiche latitudini, longitudini e periodi di comparsa. Pertanto, se l’EPP agisce direttamente e rapidamente come uno dei principali motori della distruzione dell’ozono mesosferico, come avviene con gli eventi dei protoni solari, la distruzione localizzata dell’ozono associata all’EPP localizzata dovrebbe essere osservabile. Studi di simulazione dell’effetto diretto di specifici eventi EPP (aurora pulsante (elettroni > 200 keV)16 e microburst elettronici relativistici (elettroni > 1 MeV)17) hanno previsto una distruzione dell’ozono nella mesosfera fino a circa il 20%, che può essere equivalenti agli effetti creati dagli eventi dei protoni solari18. Tali studi di simulazione prevedono la perdita di ozono associata a eventi EPP localizzati spazialmente e temporalmente. Tuttavia, ad oggi, nessuna prova osservativa ha verificato tale perdita localizzata di ozono, perché identificare eventuali eventi EPP localizzati e di breve durata nelle osservazioni è difficile.

 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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