大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)與突發(fā)鈉層及突發(fā)E層的相關(guān)性

邱世燦，王興金

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054; 2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026)

0 引 言

地球表面覆蓋有厚度達(dá)數(shù)百千米的大氣層，范圍從地表向上連綿數(shù)千千米。在垂直方向上，大氣隨著高度的增加而變得稀薄，距離地面6 km以下的低層大氣約占大氣總質(zhì)量的50%，而99.9%的大氣分布在距離地面50 km的高度范圍內(nèi)。中高層大氣是距離地面9 km以上的大氣區(qū)域，密度相對(duì)稀疏，但是垂向高度范圍很大，包括對(duì)流層的頂部、平流層、中間層和熱層。盡管距離地面較遠(yuǎn)，中高層大氣仍然密切影響著人類的生活和發(fā)展。同時(shí)，這一區(qū)域是火箭和導(dǎo)彈的通過區(qū)、航天器的載入?yún)^(qū)及高頻電波的反射區(qū)，因此對(duì)民生、國(guó)防和太空探索具有重要意義。

電離層是地球大氣層中包含自由電子和原子的區(qū)域，其中大部分是由太陽紫外線造成的。電離層位于熱層的底部，可以影響頻率高達(dá)300 MHz的無線電波傳播[1]。在地球上空60 km以上的區(qū)域，部分電離的大氣區(qū)域稱為電離層，與之對(duì)應(yīng)的磁層是完全電離的大氣區(qū)域。已有證據(jù)表明，部分電離區(qū)域的電子數(shù)密度在垂向上呈現(xiàn)一種分層的形態(tài)，可分為D、E、F1和F2層[1]。電子數(shù)目(或稱電子密度)是指單位體積上的自由電子數(shù)量。電離層內(nèi)任何一點(diǎn)上電子數(shù)目的含量，與自由電子的偶然產(chǎn)生、消失以及運(yùn)移3種因素有關(guān)。在高度不同的大氣區(qū)域，這3種因素的互相影響也不同。

在中間層與低熱層區(qū)域(Mesopause and Lower Thermosphere，即MLT區(qū)域，位于高度80～110 km)，流星燒蝕能夠釋放出氣態(tài)Fe、Na、K和Ca等原子，形成了一層金屬層。在這些金屬原子中，鈉原子具有較大的共振熒光散射截面、較高的濃度和較長(zhǎng)的生命周期等特點(diǎn)，因此，可以利用鈉原子作為示蹤，并借助激光雷達(dá)對(duì)中高層大氣及電離層底部進(jìn)行探測(cè)[2-3]。

鈉層主要位于 80～110 km高度范圍，峰值高度約 90 km。鈉原子與同高度的中高層大氣及電離層底部成分緊密耦合，在這一區(qū)域進(jìn)行復(fù)雜光化學(xué)反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)過程。鈉層的各種反應(yīng)中，最顯著的是突發(fā)鈉層(Sporadic Sodium Layer,NaS)事件。NaS事件是指在極狹窄的高度范圍內(nèi)，鈉層密度在極短時(shí)間(例如在5 min內(nèi))迅速增加至同一高度整夜平均背景鈉密度2倍以上的一種突發(fā)現(xiàn)象，通常持續(xù)幾十分鐘或數(shù)小時(shí),半寬度有時(shí)僅1～2 km[4-5]。

突發(fā)E層(Sporadic E Layer,ES)是指電離層E層等離子體密度異常增大的薄層，對(duì)無線電波傳播有顯著影響[6]。臨界頻率(fo(ES))和虛高(h′(ES))是表征ES的主要參數(shù)。其中，臨界頻率是指觀測(cè)到的、基本上連續(xù)的ES反射回波描跡的最大頻率，可表征ES強(qiáng)度；虛高是回波反射的最低高度[6]。由于ES產(chǎn)生機(jī)制與太陽電離作用密切相關(guān)，北半球ES一般在夏季(5月至8月)發(fā)生率最大，其他季節(jié)發(fā)生率較小[6]。臨界頻率表達(dá)式為

式中：ne為電子數(shù)目；ε0為真空介電常數(shù)；e為電子電荷；me為電子質(zhì)量。

自1978年Clemesha等首次利用激光雷達(dá)觀測(cè)到NaS事件[7]，前人對(duì)NaS事件產(chǎn)生的影響因素進(jìn)行了分析討論，比如流星注入理論[8]、塵埃顆粒釋放理論[9]、ES理論[10]以及重力波破碎溫度升溫理論[11]等。1976年4月19日，Clemesha 等在南美洲Sao Jos dos Campos臺(tái)站(23°S，46°W)觀測(cè)到NaS事件，并提出了兩種可能的形成機(jī)制：由風(fēng)剪切聚集的鈉離子復(fù)合生成鈉原子或來源于流星注入[7]。Von Zahn 等提出了塵埃顆粒釋放理論，認(rèn)為NaS事件是高能極光粒子撞擊大氣塵埃顆粒釋放出來的[9]。嵌入鈉層的塵埃顆粒受重力作用會(huì)不斷下沉，在此過程中塵埃顆粒表面將不斷吸附鈉原子、分子和離子，并最終將這些成分帶到低層大氣，如果這些塵埃顆粒被高能極光粒子碰撞，將釋放出鈉原子以及鈉離子[9]。據(jù)此可以得出NaS與ES事件具有同源性，二者都是塵埃顆粒被高能粒子碰撞之后釋放形成的[9]。重力波破碎溫度升溫理論則由Zhou等提出，假定鈉密度對(duì)溫度十分敏感，溫度升高10 K，鈉密度可以翻倍[11]。根據(jù)經(jīng)典重力波理論，向西傳播的重力波將對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度的最大值，在這樣的條件下，如果離子層遇到西向重力波對(duì)應(yīng)的溫度最大值，那么將在離子層附近生成高濃度的鈉原子層[11]。Arecibo實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到的鈉層以及溫度變化關(guān)系驗(yàn)證了這一理論，觀測(cè)結(jié)果顯示，鈉密度的增加與升溫對(duì)應(yīng)得十分一致[11]。進(jìn)一步，Zhou等認(rèn)為當(dāng)重力波破碎時(shí)，它的能量將傾注到一個(gè)窄條高度，使得這一區(qū)域溫度上升，從而可以造成鈉密度陡增[12]。目前國(guó)際上比較廣泛認(rèn)同的是Cox等提出的ES事件中所含鈉離子中性化理論(ES理論)，他們對(duì)此做了大量的模型模擬和數(shù)據(jù)對(duì)比研究工作[10,13-14]。ES理論核心內(nèi)容是：下降過程中ES電子和鈉離子將加速復(fù)合，從而使得鈉原子數(shù)量突然增加[10]。Qiu 等認(rèn)為ES理論更適合于解釋發(fā)生在95 km高度以上的NaS事件[5]。Dou等提出流星注入會(huì)促進(jìn)ES事件產(chǎn)生，也會(huì)使ES臨界頻率增大，這樣會(huì)對(duì)NaS事件的發(fā)生有促進(jìn)作用[15]。

ES被認(rèn)為主要受垂直風(fēng)切變[6,16]、地磁場(chǎng)[17-18]和電場(chǎng)[19-20]的影響。在北半球，電場(chǎng)的南向作用會(huì)使ES下降到較低的高度[19-20]，在極冠區(qū)的觀測(cè)表明，電場(chǎng)的反轉(zhuǎn)對(duì)ES事件發(fā)生有影響[21]。而大氣電場(chǎng)常常被視作一個(gè)全球性的回路，由于地面與電離層之間帶有異性電荷，在大氣層中時(shí)刻存在著電場(chǎng)，其大小隨著時(shí)間、位置、天氣狀況及距離地面的高度等而改變[22]。根據(jù)天氣情況可分為晴天大氣電場(chǎng)和擾動(dòng)大氣電場(chǎng)。在晴天大氣電場(chǎng)下，大氣電場(chǎng)方向垂直朝下(即南向電場(chǎng))，電場(chǎng)為正值；當(dāng)大氣電場(chǎng)發(fā)生倒轉(zhuǎn)時(shí)，電場(chǎng)為負(fù)值(即北向電場(chǎng))，其變化程度稱為大氣電位坡度[22]。

目前來說，NaS事件的發(fā)生機(jī)制仍無定論，特別是在中緯度地區(qū)的主要分布特征和形成機(jī)制的理論解釋方面[5]。本文通過分析中國(guó)科學(xué)院“子午工程”2010～2018年合肥科大站寬帶鈉熒光共振激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果，并結(jié)合武漢左嶺鎮(zhèn)站數(shù)字測(cè)高儀及九峰站大氣電場(chǎng)儀數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)方法分析大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)對(duì)NaS和ES事件的影響。

1 大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)對(duì)鈉層密度的影響

1.1 電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)與NaS事件的相關(guān)性

本次研究利用中國(guó)科學(xué)院“子午工程”合肥科大站寬帶鈉熒光共振激光雷達(dá)及高光譜分辨鈉測(cè)溫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)得的鈉密度數(shù)據(jù)，根據(jù)鈉密度圖像和NaS的定義，統(tǒng)計(jì)并分析NaS事件；根據(jù)武漢左嶺鎮(zhèn)站的電離層數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)資料，利用SAO-X軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到ES事件的發(fā)生情況；此外，繪制電場(chǎng)隨時(shí)間變化的圖像，并據(jù)此統(tǒng)計(jì)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)情況及電場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律，分析大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)對(duì)NaS事件的影響，以及ES事件發(fā)生率與電場(chǎng)分布的相關(guān)性。圖1(a)是2011年12月22日夜間高光譜分辨鈉測(cè)溫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)觀測(cè)到的鈉密度演化圖像，顯示從16:00 UT(Universal Time，世界時(shí))時(shí)段附近鈉密度不斷增加，在19:00 UT附近達(dá)到峰值。同時(shí)，大氣電場(chǎng)隨時(shí)間的演化曲線如圖1(b)所示。圖1(b)中紅色虛線選定區(qū)域顯示，大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)刻(即負(fù)值)對(duì)應(yīng)鈉層密度的不斷增加。

根據(jù)2010～2014年鈉密度以及大氣電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到NaS事件與大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)之間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)。統(tǒng)計(jì)整理出的91例有效NaS事件均顯示大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)或出現(xiàn)明顯低值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，當(dāng)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)后3 h之內(nèi)發(fā)生NaS事件的比例為20/91。

圖1 2011年12月22日鈉密度及大氣電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化Fig.1 Variations of Sodium Density and Atmospheric Electric Field Intensity with Time on December 22, 2011

1.2 NaS事件中電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)ES變化規(guī)律

根據(jù)1.1節(jié)的討論結(jié)果，在電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)后3 h之內(nèi)發(fā)生的NaS事件有20例。通過進(jìn)一步分析可以得到這20例典型事件發(fā)生過程中ES的變化規(guī)律，相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由表2可知，伴隨著NaS事件的發(fā)生，ES消失和中斷的比例比較大(8/20)。由此可見，在大氣電場(chǎng)發(fā)生倒轉(zhuǎn)的情況下，北向電場(chǎng)對(duì)ES事件的生成有一定的抑制作用，并且ES可能轉(zhuǎn)化為NaS，這樣的模型也滿足ES理論。

1.3 小 結(jié)

綜上所述，大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)生NaS事件的可能性比較大(20/91)；在這20例NaS事件中，ES消失和中斷的比例較大(8/20)，ES可能以提供鈉源的形式轉(zhuǎn)化為NaS。

2 大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)對(duì)ES事件的影響

2.1 ES中斷或消失

對(duì)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度、臨界頻率和虛高三者的時(shí)間序列進(jìn)行分析，可以得到大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)對(duì)ES事件的影響。在通常情況下，晴天大氣電場(chǎng)方向豎直向下(即南向電場(chǎng)，大氣電場(chǎng)儀所測(cè)數(shù)值為正值)；同時(shí)，在大氣潮汐波動(dòng)作用下，ES虛高不斷下降，當(dāng)下降到一定高度(90 km以下)時(shí)，由于氧化-還原作用最終造成ES消失[6,23]。而本次研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大氣電場(chǎng)發(fā)生倒轉(zhuǎn)時(shí)，北向電場(chǎng)可能對(duì)ES事件產(chǎn)生明顯影響，典型的效果可能有ES消失(臨界頻率消失)、ES減弱(臨界頻率減小)或?qū)μ摳弋a(chǎn)生影響等。

圖2是2012年5月21日觀測(cè)到的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度、臨界頻率和虛高時(shí)間序列。由圖2(a)可見：大氣電場(chǎng)基本都是南向(即數(shù)值為正值)，大約在13:05 UT，大氣電場(chǎng)發(fā)生倒轉(zhuǎn)(即出現(xiàn)負(fù)值，由藍(lán)色虛線標(biāo)注)；北向電場(chǎng)大約持續(xù)10 min，大氣電場(chǎng)隨即又恢復(fù)了南向。由圖2(b)和(c)可見，在北向電場(chǎng)出現(xiàn)之前，ES呈現(xiàn)異?；钴S的狀態(tài)，而伴隨大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)，臨界頻率及虛高出現(xiàn)中斷，ES消失(藍(lán)色虛線所示)。值得一提的是，在4:40～6:10 UT時(shí)間段也出現(xiàn)了明顯的ES中斷，但這一中斷過程并不伴隨大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象體現(xiàn)了ES理論的多樣性，大氣電場(chǎng)可能對(duì)ES事件產(chǎn)生影響但并不是唯一影響因素。

2.2 臨界頻率減小

圖3為2012年7月22日觀測(cè)到的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度、臨界頻率和虛高時(shí)間序列。與圖2(a)類似，大氣電場(chǎng)基本上處于南向(正值)，在大約6:15 UT，大氣電場(chǎng)出現(xiàn)明顯負(fù)值(藍(lán)色虛線標(biāo)注)。在北向電場(chǎng)出現(xiàn)之前，臨界頻率最高超過了10 MHz，而伴隨北向電場(chǎng)峰值，臨界頻率陡降至5 MHz。這一事件表明大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)可能造成ES明顯減弱。

表1 突發(fā)鈉層事件參數(shù)

表2 大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)對(duì)ES的影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 ES上升

本次研究發(fā)現(xiàn)，在大氣電場(chǎng)發(fā)生倒轉(zhuǎn)時(shí)，在北向電場(chǎng)作用下，部分ES高度將保持不變或明顯上升。圖4為2012年6月22日觀測(cè)到的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度、臨界頻率和虛高時(shí)間序列。由圖4可以看出，當(dāng)天的大氣電場(chǎng)有兩次明顯的倒轉(zhuǎn)(均由藍(lán)色虛線標(biāo)注)：第一次電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)發(fā)生在0:50～1:10 UT時(shí)間段，臨界頻率稍有減小，虛高從112 km上升至118 km；而第二次電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，大約在7:20 UT，臨界頻率減小，虛高從107 km突然陡增至138 km。這一典型事件表明，大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)可能對(duì)ES高度造成明顯影響。

2.4 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

根據(jù)2012～2014年每年5月至8月的觀測(cè)結(jié)果，去掉觀測(cè)不完整的數(shù)據(jù)，挑選出242 d大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)明顯的典型事件，統(tǒng)計(jì)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)臨界頻率及虛高的變化情況，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：當(dāng)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)，臨界頻率產(chǎn)生比例為8/242，減小比例為25/242，消失比例為162/242[24]；虛高不變比例為27/242，上升比例為23/242，消失比例為179/242。由此可見，當(dāng)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)，ES的產(chǎn)生受到了抑制，而北向電場(chǎng)對(duì)ES的高度也產(chǎn)生了明顯影響。

圖2 2012年5月21日觀測(cè)到大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)造成ES消失的典型事件Fig.2 Typical Case of ES Disappearance Caused by Atmospheric Electric Field Overturning Was Observed on May 21, 2012

圖3 2012年7月22日觀測(cè)到大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)造成臨界頻率減小的典型事件 Fig.3 Typical Case of fo(ES) Reduction Caused by Atmospheric Electric Field Overturning Was Observed on July 22, 2012

圖4 2012年6月22日觀測(cè)到大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)造成臨界頻率上升的典型事件Fig.4 Typical Case of h′(ES) Rise Caused by Atmospheric Electric Field Overturning Was Observed on June 22, 2012

3 討論：NaS的一種可能機(jī)制——電子的過沖效應(yīng)

表3 大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)對(duì)臨界頻率及虛高的影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖(b)中，由于離子比電子質(zhì)量高得多，所以離子比電子建立平衡的弛豫時(shí)間要長(zhǎng)得多，電子隨時(shí)間變化向西移動(dòng)，而離子仍然向東漂移圖5 離子和電子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Cycloidal Trajectories for Ions and Electrons in a Combined Electric and Magnetic Fields

(1)

(2)

(3)

(4)

=11.71

(5)

=1.39×10-4

(6)

=1.13×10-1

(7)

=3.28

(8)

=6.09

(9)

τee∶τei∶τii∶τie=1∶813∶2.36×104∶4.38×104

(10)

因此，電子會(huì)在離子反應(yīng)之前迅速反轉(zhuǎn)，類似于電子的速度過沖效應(yīng)[圖5(b)]。在此期間，電子和離子之間的重組很可能會(huì)通過碰撞觸發(fā)，就像在交通事故中，如果前面的車突然掉頭或剎車，就可能會(huì)發(fā)生碰撞一樣。

基于以上的觀測(cè)和計(jì)算，NaS可能機(jī)制可以從3個(gè)步驟得出:第一步，大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)，電離層等離子體漂移速度發(fā)生逆轉(zhuǎn)；第二步，由于離子和電子的弛豫時(shí)間不同，ES中的鈉離子和電子在電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)復(fù)合；第三步，ES耗竭導(dǎo)致NaS形成。

4 結(jié) 語

本文基于中國(guó)科學(xué)院“子午工程”數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)原理，分析了大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)情況下NaS和ES的變化規(guī)律，驗(yàn)證了ES理論的可行性，即ES可能以提供鈉源的形式轉(zhuǎn)化為NaS。

(1)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)生NaS事件的可能性比較大，且在這些事件中，ES消失或中斷的比例較大，可能是ES以提供鈉源的形式轉(zhuǎn)化為NaS。

(2)當(dāng)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)，臨界頻率消失或減小的可能性比較大。

(3)當(dāng)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)，虛高很可能下降或消失。

(4)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)的情況下，ES事件發(fā)生率減小的概率比較大，即對(duì)ES事件的發(fā)生有抑制作用。

(5)基于個(gè)例分析及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，提出一種基于電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)的突發(fā)鈉層機(jī)制：第一步，當(dāng)大氣電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)，電離層等離子體漂移速度發(fā)生逆轉(zhuǎn)；第二步，由于離子和電子的弛豫時(shí)間不同，ES中的鈉離子和電子在電場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)復(fù)合；第三步，ES耗竭導(dǎo)致NaS形成。

謹(jǐn)以此文恭賀長(zhǎng)安大學(xué)七十華誕！惟愿長(zhǎng)安大學(xué)，像華山一樣巍巍立于古城之邊，在風(fēng)雨的洗禮下，默默積蓄沉淀；像渭水一樣緩緩流向四面八方，在歲月的雕刻中，靜靜開花結(jié)果！2016年我從中科大畢業(yè)來校工作，至今已有五年時(shí)間。五年來，學(xué)校各位前輩在工作和生活中給予我很大關(guān)懷，讓我在科研的道路上少走了很多彎路。在這個(gè)特別的日子，特為長(zhǎng)安大學(xué)寫了一首小詞，表達(dá)對(duì)長(zhǎng)安大學(xué)的敬意和感激之情。

菩薩蠻·賀長(zhǎng)大七十華誕

梨杏迎風(fēng)，巍巍立古城。鴻雁自遠(yuǎn)翔，盡長(zhǎng)安，山明水秀。一片丹心，春秋任風(fēng)雨，志依舊。城墻古。冰心存玉壺。

燈火熒熒，滄滄令海平。桃李已成蔭，秦嶺木，郁郁蔥蔥。七十華誕，天下共此情，念長(zhǎng)亭。古道外。長(zhǎng)安獨(dú)月明。

最后，中國(guó)科學(xué)院“子午工程”數(shù)據(jù)中心提供了數(shù)字測(cè)高儀、大氣電場(chǎng)儀及寬帶鈉熒光共振激光雷達(dá)熒光散射光子數(shù)據(jù)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心科大日地探測(cè)數(shù)據(jù)部提供了高光譜分辨鈉測(cè)溫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)鈉密度數(shù)據(jù)，在此一并表示感謝！