GRL:全球变暖中的地球高层大气在稳步“瘦身”！

众所周知，工业时代以来，人类活动排放的CO2、CH4等温室气体逐渐增多，这些温室气体对地球的“保温”效果愈加明显，导致全球温度不断升高。过去百年增温超过1°C，这就是大家熟知的全球变暖。

温室气体在对流层区域起到保温效应，那么对高层大气会有怎样的影响呢？由于大气环流与扩散作用，温室气体能够到达到100km以上的高层大气区域，此时其角色与地表附近的“保温”效应却截然相反。这些温室气体在高层大气中的主要作用是向外辐射能量起到冷却效果，因此又被称为高层大气能量收支“调节器”。

理论上讲，随着温室气体的不断增多，其向外辐射的能量逐渐增多，高层大气能量收支逐渐失衡，导致整体温度出现“变冷”现象，进而引起高层大气密度呈现“收缩”或“下降”趋势。

温室气体导致大气温度和电离层电子密度变化趋势

（图片来自Laštovička等，Science，2006）

但是，基于观测数据提取稳定可靠的高层大气长期变化趋势却面临诸多问题，这是因为高层大气受到太阳活动等强烈控制，需要建立准确背景模型以剔除各种外部驱动且错综复杂的影响。

为此，中科院比较行星学卓越创新中心、类地行星先导专项骨干成员雷久侯教授和翁利斌博士等基于4个太阳活动周观测资料，创新地采用机器学习方法开展了提取高层大气长期变化趋势。该方法能够模仿人类大脑神经元对外界输入信号的反应情况，从而建立起输入和输出间的复杂关系。他们研究结果表明400公里附近高层大气密度每十年减少2%左右，即高层大气密度在过去的50年里整体下降了约10%。借助机器学习具有表征高层大气系统的非线性变化特征的能力，研究结果显示高层大气长期趋势基本不随高度和太阳活动水平变化，这也更新了学界以往的认知。

机器学习结果显示高层大气长期趋势不随高度和太阳活动水平变化

那么，高层大气密度的降低有什么具体影响呢？实际上，太空中有非常多的人造卫星和空间碎片。尽管高层大气密度不到地面的亿分之一，但由于太空目标飞行速度非常快，日积月累，稀薄的大气也会对所处的卫星和空间碎片造成不可忽视的阻力，导致其飞行高度逐渐降低，直至坠入地球大气层烧毁。

实际上，除了我们地球以外，包括金星、火星在内的诸多行星上含有大量CO2等温室气体。金星的大气中二氧化碳的大量存在，温室效应十分强烈，几乎使全部辐射热都折回到金星表面，导致金星表面温度非常高。而火星大气含量低于地球大气，无法像地球一样形成非常有效的保温效应，再加上CO2等气体的辐射冷却作用，其平均温度处于零摄氏度以下。

他山之石可以攻玉。尽管温室气体在不同行星的角色不尽相同，但是借助比较行星学方法可提升我们对地球以及行星大气的认识。

成果发表于国际权威学术期刊Geophysical Research Letters，论文第一作者是中国科学技术大学博士生翁利斌（现已毕业），通讯作者为雷久侯教授。该成果获得了中科院行星科学先导B项目（XDB41000000）以及国家自然科学基金重点项目（41831070）和面上项目（41974181）的经费支持。

1. Weng,L., Lei, J., Zhong, J., Dou, X., & Fang, H. (2020). A machine-learning approachto derive long-term trends of thermospheric density. Geophysical ResearchLetters, 47, e2020GL087140. 

https://doi.org/10.1029/2020GL087140

2. Laštovička, J., R.A. Akmaev, G. Beig, J. Bremer, and J. T. Emmert (2006), Global change in theupper atmosphere, Science, 314, 1253– 1254.

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