冰下的中微子探测器或能测量平流层的温度

随着臭氧层的恢复和极地周围环流的变化，南极上空的平流层正以几十年为尺度发生改变。但这片大陆的腹地是大气中仪器最稀少的地方之一。填补空白的是天气重建资料——把零散观测与天气模型融合在一起的“再分析”资料——而它们的好坏完全取决于输入的观测。一项独立的测量将十分宝贵。

这样的测量也许已经存在，只是出于偶然。IceCube是一座体积达一立方千米的中微子观测站，5,000多个光传感器埋在南极冰层下1,450至2,450米深处。除了稀少的中微子，它还记录着数量多得多的μ子流——宇宙线撞击高层大气时产生的粒子——速率约为每秒2,150个。对寻找中微子的人来说，它们是背景噪声。但它们的数量取决于头顶空气的温度。

μ子为何能感知温度

宇宙线撞击大气时会产生寿命很短的粒子，称为π介子和K介子。每个这样的粒子要么衰变成一个μ子，要么先与空气分子相撞。平流层变暖时，同一高度上的空气变得更稀薄，于是有更多粒子在碰撞之前衰变成μ子。因此IceCube的计数率随季节变化：围绕其平均值上下浮动约8%，而“有效温度”——对整个气柱的加权平均——每变化1%，μ子计数率就变化约0.75%。

权重的分布很关键。约94%的权重来自大约8千米以上的空气，峰值在14千米附近：IceCube的μ子主要反映的是平流层，以整个气柱的单一平均值的形式。

可行性检验

哈佛大学的Tanvi Krishnan和Carlos Argüelles，以及瓦伦西亚大学的Gabriela Barenboim，探讨了同样的信号能否追踪以十年计的缓慢趋势。他们没有使用IceCube的实际计数率，而是根据南极公开的温度重建资料、宇宙线和太阳活动记录，以及IceCube已发表的灵敏度和计数率，构建了模拟的μ子计数。

他们的计算重现了IceCube测得的季节性波动。长期趋势的垂直结构不同——平流层变冷而低层空气变暖——结果显示，对它的响应比对季节变化的响应强约3%，只是一个小小的修正。太阳几乎不构成干扰：产生IceCube所测μ子的宇宙线能量极高，达到数万亿电子伏特，太阳活动对其通量的影响仅为0.01%至0.13%。

(a) 1979年以来南极上空的有效温度，平均每十年降低0.58开尔文。(b) 拟合出的趋势取决于时间窗口的长度，甚至可能改变正负号，因此任何测量都必须注明所用的时间窗口。——图3，Krishnan、Barenboim和Argüelles（2026），arXiv:2611.00918。

稳定性决定一切

计数噪声可以忽略不计。真正的限制在于探测器的稳定性。如果μ子计数因任何仪器原因而缓慢漂移，这种漂移就会被误读为温度的变化：

计数率每十年1%的漂移，就相当于每十年2.8开尔文的温度趋势。

重建资料显示，2011年以来平流层约以每十年0.9开尔文的速度变冷。为了不伪造出这么大的趋势，探测器的计数率必须稳定在每十年约0.3%以内。与随机噪声不同，这种漂移不会随着数据年数的增加而被平均掉。

把μ子计数率中未被计入的漂移换算成虚假的温度趋势：每十年约0.3%的漂移就与预期信号（虚线）相当。蓝色带是根据探测器上方积雪堆积预测出的漂移。——图4，Krishnan、Barenboim和Argüelles（2026），arXiv:2611.00918。

就连地表的天气也有影响。南极的降雪每年累积约8厘米水当量，使IceCube上方的冰层慢慢加厚。更厚的屏障会挡住更多μ子：作者预测计数率每十年下降0.09%至0.18%，相当于每十年0.24至0.51开尔文的虚假降温——与真实趋势同号，大小为其四分之一到一半。由于这一效应可以预测，因此可以纳入分析之中。

要等多久

极地平流层的噪声很大：月平均温度的跳动幅度达2.5开尔文。有了14年的数据，统计灵敏度为每十年1.6开尔文，不足以证实0.9开尔文的降温。20年后灵敏度达到0.93，30年后为0.51，40年后为0.33。IceCube时代的降温大约在22年后就能得到证实——前提是探测器保持稳定。

下一步是把这一方法用于IceCube的真实计数率，连同它自身的各种仪器特性。作者指出，这一方法适用于任何岩石或冰层覆盖情况已知的深层探测器。