Geomagnetické búrky sú rozsiahle javy, ktoré výrazne menia hornú atmosféru Zeme – ionosféru a termosféru. Tieto zmeny môžu mať vážne dopady na technologické systémy, vrátane určovania polohy pomocou GPS a obežných dráh satelitov na nízkej obežnej dráhe Zeme (200 – 2 000 km). Súčasné chápanie naznačuje, že zvyšujúce sa koncentrácie skleníkových plynov, najmä oxidu uhličitého (CO2), vedú k poklesu neutrálnej hustoty termosféry. Tento jav je primárne spôsobený tým, že CO2 pôsobí ako rádiatívny chladič vo vysokých nadmorských výškach, čo vedie k zníženiu teplôt v mezosfére a termosfére a k následnej kontrakcii hornej atmosféry. Ionosféra je tiež ovplyvnená zmenami v CO2. Predkladaná štúdia sa zameriava na pochopenie, ako zmeny v stave hornej atmosféry spôsobené nárastom CO2 menia jej odozvu na geomagnetické búrky.

Na preskúmanie týchto vplyvov bol použitý Model komunitného zemského systému (CESM) s rozšírením pre celú atmosféru a termosféru-ionosféru (WACCM-X). Tento komplexný model zahŕňa interakcie medzi rôznymi zložkami zemského systému, od povrchu až po hornú termosféru (cca 500 – 700 km). Pre účely štúdie boli vykonané simulácie geomagnetickej super-búrky podobnej tej z mája 2024, a to pre štyri scenáre s rôznymi koncentráciami povrchového CO2: 403, 500, 652 a 918 ppmv, ktoré zodpovedajú rokom 2016, 2040, 2061 a 2084. Výber týchto rokov bol zámerný, keďže sa nachádzali blízko solárneho minima a mali podobné úrovne slnečného toku, čo umožňuje lepšie izolovať vplyv CO2. Cieľom týchto simulácií je poskytnúť prvé posúdenie, ako môžu zmeny v koncentráciách skleníkových plynov ovplyvniť odozvu blízkeho vesmírneho prostredia na silnú geomagnetickú búrku.

Odozva termosféry na búrky s rastúcim CO2: Simulácie CESM(WACCM-X) odhalili dôležité zistenia týkajúce sa neutrálnej hustoty termosféry vo výške 350 km. Zvyšujúce sa úrovne CO2 oslabujú absolútnu odozvu neutrálnej hustoty termosféry na búrku. V absolútnom vyjadrení je zmena neutrálnej hustoty počas búrky najväčšia v súčasnosti a postupne sa zmenšuje s rastúcimi koncentráciami CO2. Táto znížená reakcia je čiastočne spôsobená už existujúcim poklesom pozadia neutrálnej hustoty v dôsledku nárastu CO2. Naopak, relatívna odozva (percentuálna zmena) neutrálnej hustoty sa s rastúcimi úrovňami CO2 zvyšuje. Tento jav je konzistentný s predchádzajúcimi výsledkami a je čiastočne spôsobený menšou zmenou v absolútnej reakcii v porovnaní s výrazným poklesom pozadia neutrálnej hustoty. Fyzikálne mechanizmy, ktoré stoja za týmito zmenami, sú primárne Jouleho ohrev a chladenie oxidom dusnatým (NO). Pri vyšších koncentráciách CO2 sa búrková zmena Jouleho ohrevu oslabuje vo výškach nad približne 140 km. Podobne sa oslabuje aj búrková zmena NO chladenia. Keďže pokles Jouleho ohrevu je väčší ako pokles NO chladenia, vedie to k menšej absolútnej zmene neutrálnej hustoty termosféry s rastúcimi koncentráciami CO2. Zmení sa aj rýchlosť zotavenia termosféry po búrke a oslabí sa post-búrkové ochladzovanie.

Odozva ionosféry na búrky s rastúcim CO2: Odozva ionosféry na geomagnetické búrky je pod vplyvom koncentrácií skleníkových plynov, hoci zmeny sú komplexnejšie a vykazujú značnú variabilitu v závislosti od nadmorskej výšky, miestneho času a regiónu. Štúdia ukázala, že v absolútnom vyjadrení sa odozva ionosféry, meraná ako zmena celkového elektrónového obsahu (ΔTEC), oslabuje so zvyšujúcimi sa úrovňami CO2. To znamená, že aj pozitívne, aj negatívne búrkové efekty sa zmenšujú. Do roku 2084, pri zvýšení CO2 z približne 400 na 900 ppmv, môžu byť tieto rozdiely oproti roku 2016 významné, dosahujúce alebo prekračujúce 50 % celkovej búrkovej zmeny TEC. Relatívne zmeny v ΔTEC sú však zložitejšie a vykazujú oblasti tak posilnenej, ako aj oslabenej búrkovej odozvy. Napríklad, relatívne zvýšenie TEC v polárnych šírkach, ktoré je spôsobené zosilnenou tvorbou iónov v dôsledku zrážok aurorálnych častíc, je s rastúcimi koncentráciami CO2 väčšie. Podobne je väčšie aj relatívne zvýšenie TEC v nízkych šírkach a v stredných šírkach južnej pologule. Vplyv CO2 na odozvu ionosféry súvisí so zmenami v zložení termosféry (pomer O/N2) a meridiánnych vetroch, ktoré sú hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi ionosférickú reakciu na geomagnetické búrky. Oslabená búrková zmena Jouleho ohrevu prispieva k oslabeniu poklesu O/N2 v stredných až vysokých šírkach, čo môže vysvetľovať menšiu absolútnu búrkovú odozvu TEC v stredných šírkach severnej pologule. Zmeny v meridiánnych vetroch sú taktiež ovplyvnené rastúcimi úrovňami CO2, čo prispieva k regionálnym trendom v TEC.

Štúdia prináša kľúčové zistenia: absolútna odozva ionosféry a termosféry na geomagnetickú búrku s rastúcimi koncentráciami CO2 oslabuje. Absolútna zmena neutrálnej hustoty termosféry sa znižuje o 20 % – 25 %, a ionosférická odozva až o 50 % pri zvýšení CO2 z približne 400 na 900 ppmv. Napriek tomu, relatívna odozva termosféry je pri vyšších koncentráciách CO2 väčšia, čiastočne vďaka výraznému poklesu pozadia neutrálnej hustoty. Vplyv na ionosféru je komplexnejší, s regionálnymi variáciami v relatívnych zmenách TEC. Tieto zistenia sú dôležité pre pochopenie a predpovedanie správania hornej atmosféry Zeme v meniacom sa klimatickom prostredí. Je však potrebné zohľadniť aj obmedzenia štúdie, ako je neistota v reprodukcii odozvy hornej atmosféry na zmeny CO2 modelom a zanedbanie vplyvu zmien geomagnetického poľa. JRi

Štúdia je publikovaná v časopise Geophysical Research Letters .