热层钠及突发钠层的机制研究

摘要

中间层顶及低热层(80-105km)是大气的一个过渡区域，由于太阳辐射的影响，该区域存在短期（周日变化，半日变化）及长期（大气年震荡，半年震荡）变化，并受太阳11年活动周期影响。另外中间层及低热层区域的大气成分也十分复杂，它不只有大气中的中性成分（氧气分子和氮气分子），由于这个高度有很强的光解作用，会产生大量的氧原子，另外由于流星常年飞过该区域时发生流星消融过程，在该区域注入很多金属粒子（例如:钠、铁、钾等），使得该区域形成了一个金属层。这些金属层的密度不仅会受动力学过程影响，同时还会受到化学过程的影响。钠荧光测风测温激光雷达，利用金属原子荧光共振散射，可以同时测量中间层顶及低热层(MLT，Mesopause and LowerThermosphere)区域的温度，风场及中性钠原子密度。在钠原子层某些高度，钠原子的密度会突然增加几倍甚至十几倍并持续几分钟到几小时，这种现象称为突发钠层。另外，最近在110-160公里高度，激光雷达观测到有中性金属原子存在，且金属原子密度很低，这种现象叫做热层金属层。本论文利用两套钠荧光测风测温激光雷达（1、中国合肥;2、智利）的观测对突发钠层及热层钠原子层的形成机制进行研究。
　　利用中国合肥中国科学技术大学自主研制的钠测风测温激光雷达、武汉流星雷达及卫星数据对一次重力波破碎及其之后发生的钠层突发现象进行个例研究。发现该次重力波破碎事件影响范围较广，对大气风场和温度场有很强的作用。重力波破碎45分钟之后，发生了的钠层突发现象，突发钠层首先在激光雷达西向通道被观测到，两分钟之后才在东向通道出现，出现高度及强度都有延迟，且该延迟持续一段时间，由此我们认为该次突发钠层事件应该是一次高密度钠原子团传输形成的，根据激光雷达及流星雷达的大气风场数据，对该钠原子团的传输方向、传输速度及水平尺度等参数进行了分析。
　　美国Embry-Riddle Aeronautical University在智利的钠测温测风激光雷达，于2015年4月连续观测到热层钠原子层现象，同时首次得到110-140km连续观测的大气风场数据。利用TIEGCM模式与激光雷达观测的大气风场进行对比，我们发现模式可以很好的模拟观测的风场结果。利用模式水平风我们对热层钠原子层的成因进行了研究，经过分析，我们发现热层钠出现在离子最大发散区附近，这说明钠离子-电子中和理论无法解释智利观测到的热层钠原子层现象（因为钠离子-电子中和理论需要在离子汇聚区发生并产生更多的钠原子）。同时我们对不同季节、不同地点的热层金属原子层进行分析，发现中低纬度的热层金属原子层大都出现在离子最大发散区附近。在120 km以上，由于空气密度很低，流星溅射过程可以直接注入金属原子，另外大气分子离子（NO+和O2+）可以通过化学反应消耗钠原子。根据以上结果，我们提出一种可能的热层钠原子层形成机制:首先流星溅射过程将金属原子注入大气中，而后在离子发散区，大气分子离子密度降低，增加钠原子的化学寿命，使得钠原予密度变大，从而被激光雷达观测到。根据这一理论，我们进行了简单模拟，模拟的热层钠原子层和观测很一致。最后，我们就热层钠原子层的传播特性进行了简单分析。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 大气垂直结构

1．2 大气探测手段

1．3 钠共振荧光激光雷达

1．3．1 钠荧光激光雷达方程

1．3．2 钠原子荧光光谱谱线及后向散射截面

1．3．3 钠荧光光谱和温度、风场的关系

1．3．4 钠原子密度反演原理

1．4 本章小结

第2章 中间层顶突发钠层及热层钠

2．1 金属层的观测

2．1．1 流星消融

2．1．2 金属层的周日变化

2．1．3 金属层的季节变化

2．2 突发钠层

2．2．1 突发E层机制

2．2．2 大气升温理论

2．2．3 流星、宇宙尘埃注入理论

2．3 热层金属原子层

2．4 本章小结

第3章 合肥激光雷达观测的重力波破碎和突发钠层

3．1 重力波和突发钠层

3．1．1 大气重力波

3．1．2 突发钠层

3．2 仪器介绍和数据处理方法

3．2．1 中国科学技术大学窄带钠荧光激光雷达

3．2．2 武汉流星雷达和SABER探测器

3．2．3 数据处理方法

3．3 观测结果

3．3．1 激光雷达观测结果

3．3．2 武汉流星雷达的观测

3．3．3 卫星观测结果

3．4 向上传播突发钠层的形成机制

3．4．1 突发钠层与突发E层的关系

3．4．2 突发钠层和温度升温的关系

3．4．3 突发钠层和流星注入的关系

3．4．4 高密度钠原子团传播的影响

3．5 本章小结

第4章 智利激光雷达观测的热层钠及其可能形成机制

4．1 智利热层风场、温度和钠原子层

4．1．1 热层钠原子层的观测

4．1．2 热层水平风场的观测

4．2 金属离子-电子中和理论

4．2．1 电离层赤道异常

4．2．2 离子运动方程

4．2．3 智利ALO台站的离子汇聚、发散区

4．3 智利热层钠原子层的可能形成机制

4．3．1 流星溅射过程

4．3．2 110 km以上钠元素化学过程

4．3．3 一种可能的热层钠原子层形成机制

4．3．4 热层钠原子层的传播特性

4．4 不同地点的热层金属原子层与离子发散区的关系

4．5 本章小结

第5章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果