A Generalized Method for Calculating Atmospheric Ionization by Energetic Electron Precipitation
A Generalized Method for Calculating Atmospheric Ionization by Energetic Electron Precipitation
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高能电子沉淀计算大气电离的通用方法
DOI：
10.1029/2020ja028482
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Fang, Xiaohua
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Xu, Wei;Marshall, Robert A.;Tyssøy, Hilde Nesse;Fang, Xiaohua
对高能电子沉淀产生的电离产物的准确规范对于大气化学模型评估由此产生的大气效应至关重要。最近的模式观测比较研究日益强调在整个电子能量和俯仰角范围内考虑降水通量的重要性。然而，以前的参数化方法大多是针对能量在1 MeV以下的各向同性沉淀电子提出的，并且还没有对俯仰角的依赖关系进行参数化。在这篇文章中，我们首先描述并列出了在3 keV到33 MeV之间具有不同间距角和能量的单能电子的大气电离响应。在Fang等人的参数化法的基础上，发展了一种完全考虑电离产生与背景大气条件、电子能量和俯仰角的关系的广义方法。(2010年，https://doi.org/10.1029/2010GL045406).此外，我们还用100个随机大气廓线和单能指数分布、各向同性俯仰角分布和正弦俯仰角分布的降水通量验证了该方法。在一套6,100次验证测试中，91%的测试峰值电离高度误差在1 Km以内，峰值电离率的平均误差为2.7%，总电离高度的平均误差为1.9%。因此，这种方法提供了一种可靠的手段，可以将空间测量的降水能量和俯仰角分布转换为大气化学模型的电离输入。
Accurate specification of ionization production by energetic electron precipitation is critical for atmospheric chemistry models to assess the resultant atmospheric effects. Recent model‐observation comparison studies have increasingly highlighted the importance of considering precipitation fluxes in the full range of electron energy and pitch angle. However, previous parameterization methods were mostly proposed for isotropically precipitation electrons with energies up to 1 MeV, and the pitch angle dependence has not yet been parameterized. In this paper, we first characterize and tabulate the atmospheric ionization response to monoenergetic electrons with different pitch angles and energies between3 keV and33 MeV. A generalized method that fully accounts for the dependence of ionization production on background atmospheric conditions, electron energy, and pitch angle has been developed based on the parameterization method of Fang et al. (2010, https://doi.org/10.1029/2010GL045406). Moreover, we validate this method using 100 random atmospheric profiles and precipitation fluxes with monoenergetic and exponential energy distributions, and isotropic and sine pitch angle distributions. In a suite of 6,100 validation tests, the error in peak ionization altitude is found to be within 1 km in 91% of all the tests with a mean error of 2.7% in peak ionization rate and 1.9% in total ionization. This method therefore provides a reliable means to convert space‐measured precipitation energy and pitch angle distributions into ionization inputs for atmospheric chemistry models.
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