中緯度中間層頂鈉原子密度高度分布的長期變化趨勢研究(2010—2021)

陳峰磊,荀宇暢*,王澤龍,杜麗芳,鄭浩然,徐亦萌,龔少華,4,王繼紅,楊國韜

1 太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,太原 030024 2 國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190 3 江蘇科技大學(xué)理學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212100 4 海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,?？?571158

0 引言

每天都有大量的宇宙塵埃粒子進(jìn)入大氣層,在和大氣分子碰撞摩擦過程中加熱蒸發(fā),在80～105 km區(qū)域形成鈉、鋰、鈣、鉀、鐵等元素的金屬層(Plane,1991;Plane et al.,2015).在105 km以上,受到太陽極紫外及X射線輻射的影響,金屬元素通常會被電離,以離子的形態(tài)存在;在80 km以下,金屬元素通常會和一些分子化合物結(jié)合,以化合物的形態(tài)存在;只有在80～105 km高度之間,金屬元素通常以穩(wěn)定的原子形態(tài)存在,其豐度取決于化學(xué)反應(yīng)和動力學(xué)之間復(fù)雜的相互作用.Richter等(1981),She等(2000)、Xu和Smith(2003)指出金屬層既會被低層大氣的重力波與潮汐波影響,它的原子、離子以及化合物又會通過相互之間的化學(xué)反應(yīng)形成循環(huán),同時還會受到電離層的擾動,這些擾動都會受到太陽活動的影響(Elias et al.,2023;Chen et al.,2023;Yi et al.,2023),因此這些金屬元素被認(rèn)為是研究中高層大氣很好的示蹤物.對于這些持續(xù)存在的金屬原子氣候?qū)W變化的研究,一方面可以表征中高層大氣對于太陽活動的響應(yīng),另一方面也可以表征中高層大氣對于低層大氣的影響.例如,Plane等(2015)和Akmaev等(2006)報(bào)道了中高層大氣(約55～200 km)對溫室氣體濃度變化的敏感性;Dawkins等(2016)使用美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research,簡稱NCAR)開發(fā)的綜合數(shù)值大氣模式——全大氣層氣候模型(Whole Atmosphere Community Climate Model,簡稱WACCM)來評估MLT(70～110 km)區(qū)域內(nèi)K和Na對太陽活動的長期響應(yīng),并且使用了由Odin衛(wèi)星上光學(xué)光譜儀和紅外成像系統(tǒng)(Optical Spectrograph and InfraRed Imaging System,簡稱OSIRIS)測量的Na和K密度來驗(yàn)證WACCM模型預(yù)測的Na和K層的太陽活動長期響應(yīng),WACCM模擬數(shù)據(jù)顯示K原子柱密度的變化與太陽活動呈現(xiàn)出顯著的反相關(guān),而Na原子柱密度卻并沒有明顯的太陽周期響應(yīng),OSIRIS觀測數(shù)據(jù)得到的趨勢與WACCM模擬數(shù)據(jù)得到的趨勢是一致的,但是定量分析存在較大差異.此外,該報(bào)道還使用了來自Kühlungsborn(54°N,12°E)的K激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對WACCM模型預(yù)測的趨勢進(jìn)行了驗(yàn)證,但是缺少長期的Na激光雷達(dá)數(shù)據(jù).

由于中高層大氣鈉原子密度較大,后向散射截面較大,鈉D2躍遷波長對應(yīng)的激光較容易獲得,因此大氣鈉原子是目前探測最為廣泛的成分.但是由于現(xiàn)階段高空大氣激光雷達(dá)需要人工值守、調(diào)試,長期、連續(xù)的觀測非常困難,因此目前只有兩個團(tuán)隊(duì)報(bào)道過激光雷達(dá)觀測的鈉原子層長期變化趨勢.巴西的Clemesha等(2003)的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了1972—2001年鈉層質(zhì)心高度的總體線性趨勢為每十年下降93±53 m;美國She等(2009)的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于多普勒鈉熒光激光雷達(dá)觀測的1990—2007年Fort Collins,Colorado上空的溫度,呈現(xiàn)6.8 K/10a的降溫趨勢(去掉Pinatubo火山爆發(fā)造成的偶發(fā)性變暖);She等(2019)基于1990—2017年間科羅拉多州立大學(xué)/猶他州立大學(xué)Na激光雷達(dá)夜間溫度觀測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在不同高度,溫度的長期變化趨勢存在差異:85 km處,夜間平均溫度存在小幅變暖;87～102 km范圍內(nèi),夜間平均溫度呈變冷趨勢,在92 km處,冷卻趨勢達(dá)到最大值1.85±0.53 K/10a;102 km處,呈變暖趨勢;夜間平均溫度的太陽響應(yīng)約為5±1 K/100SFU.這些激光雷達(dá)的長期觀測為中高層大氣氣候?qū)W變化的研究提供了重要的數(shù)據(jù)支撐.

北京延慶(116.0°E,40.5°N)鈉共振熒光激光雷達(dá)自2010年1月—2021年8月,每個晴朗的夜晚開展觀測,已經(jīng)積累了11年的數(shù)據(jù).在本文中,我們對鈉層密度的長期變化及其對太陽活動的響應(yīng)、鈉層的質(zhì)心高度、垂直分布以及上邊界延伸高度的長期變化進(jìn)行了分析,得出了鈉層密度與太陽活動的正相關(guān)趨勢,鈉層質(zhì)心高度以及垂直分布的變化趨勢,研究了上邊界可以到達(dá)的高度以及其變化的原因.

1 實(shí)驗(yàn)儀器與數(shù)據(jù)反演

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本文所用到的激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)來源于國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程數(shù)據(jù)中心(https:∥data.meridianproject.ac.cn/).北京延慶鈉共振熒光激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射單元、信號接收單元、數(shù)據(jù)采集單元以及系統(tǒng)控制單元等四部分組成.激光發(fā)射單元使用摻釹釔鋁石榴石(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet,簡稱Nd:YAG)激光器發(fā)出1064 nm的激光,經(jīng)過倍頻晶體產(chǎn)生532 nm的激光,再通過泵浦染料激光器產(chǎn)生589 nm的激光,通過擴(kuò)束鏡調(diào)整好激光的發(fā)散角和準(zhǔn)直度,再由全反鏡反射,沿垂直方向入射到地球大氣中;信號接收單元主要由望遠(yuǎn)鏡、濾波器、光電倍增管等設(shè)備組成.通過望遠(yuǎn)鏡接收到全波段的光信號,再通過濾波器抑制掉其他波長的光,之后經(jīng)過光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號;數(shù)據(jù)采集單元采用光子計(jì)數(shù)卡將光電倍增管傳遞過來的各光電子脈沖逐一地記錄下來,并將其以數(shù)字信號的形式儲存到工控機(jī)中;系統(tǒng)控制單元通過計(jì)算機(jī)控制整個激光雷達(dá)系統(tǒng)的時序和延時,將激光發(fā)射單元、信號接收單元和數(shù)據(jù)采集單元有機(jī)地結(jié)合起來.如表1所示為延慶鈉共振熒光激光雷達(dá)的參數(shù).

表1 延慶鈉共振熒光激光雷達(dá)的參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)反演

本文使用北京延慶鈉共振熒光激光雷達(dá)所采集的2010年1月—2021年8月鈉原子原始回波光子數(shù),總觀測時長為1374個觀測日,其中2010年有159個觀測日,2011年有182個觀測日,2012年有122個觀測日,2013年有169個觀測日,2014年有117個觀測日,2015年有33個觀測日,2016年有58個觀測日,2017年有79個觀測日,2018年有130個觀測日,2019年有135個觀測日,2020年有135個觀測日,2021年有55個觀測日.此外我們在圖1中給出了激光雷達(dá)自2010年1月至2021年8月的有效觀測時間分布,橫坐標(biāo)表示年份,縱坐標(biāo)表示該年的第幾天.

圖1 激光雷達(dá)2010年1月—2021年8月的有效觀測時間分布

根據(jù)采集到的鈉原子原始回波光子數(shù),可以反演得到高空大氣的鈉原子數(shù)密度,反演方法如下:

(1)

其中z為共振熒光散射區(qū)的高度,zR為瑞利散射區(qū)的高度,nR(z)為瑞利高度處的大氣密度(https:∥ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models/),NS(λ,z)為z處的回波光子數(shù),NR(λ,z)為zR處的回波光子數(shù),NB為噪聲高度處的回波光子數(shù),取150～180 km光子數(shù)的平均,σR(π,λ)為瑞利后向散射截面,σatom(λ)為鈉原子有效散射截面,其值等于激光線型與鈉原子譜線多普勒展寬的卷積.

為了提高數(shù)據(jù)的信噪比,反演過程中我們采用的光子數(shù)時間分辨率為5.5 min,空間分辨率為960 m.柱密度CS、質(zhì)心高度zS的計(jì)算公式分別為

CS=m0,

(2)

(3)

其中mi的計(jì)算公式為

(4)

本文中z0取90 km,Δz0取40 km,nC(z)為式(1)中高度為z時的金屬原子數(shù)密度.

對于延慶鈉共振熒光激光雷達(dá),鈉原子數(shù)密度的探測誤差,主要考慮光子數(shù)起伏的影響,其精度估算公式為

(5)

其中nC(z)為高度z處的鈉原子數(shù)密度,NC(z)為高度z處的回波光子數(shù).我們分別計(jì)算了峰值高度、100 km、110 km、120 km、130 km、140 km處的鈉原子數(shù)密度均值以及探測誤差,如表2所示.

表2 延慶鈉共振熒光激光雷達(dá)的數(shù)密度均值以及探測誤差

2 鈉原子密度的太陽活動長期響應(yīng)

2.1 鈉原子密度的太陽活動長期響應(yīng)

Dawkins等(2016)通過WACCM模型評估了MLT區(qū)域內(nèi)鈉和鉀原子的太陽活動長期響應(yīng),太陽活動對金屬原子的影響主要體現(xiàn)在兩方面:光電離和光解離速率的變化以及溫度的變化.光電離和光解離速率的變化對鉀和鈉金屬層的影響是一樣的,在太陽活動高年,光電離的速率變快,光解離的速率變慢,這會導(dǎo)致鉀原子和鈉原子減少,太陽活動低年則相反;在太陽活動高年,溫度升高促進(jìn)了金屬化合物向原子的轉(zhuǎn)換,使得鈉原子和鉀原子增多,太陽活動低年則相反,但由于鈉和鉀元素化學(xué)反應(yīng)的活化能不同,所以溫度變化對其反應(yīng)速率的影響存在差異.由于鉀的化合物轉(zhuǎn)換出鉀的反應(yīng)活化能過高,在MLT區(qū)域內(nèi)的溫度狀態(tài)下,含鉀化合物向鉀原子的轉(zhuǎn)化很難發(fā)生,而相應(yīng)的鈉元素的反應(yīng)較容易發(fā)生.綜合以上兩方面的影響,鉀層與太陽活動呈現(xiàn)出顯著的反相關(guān),而鈉層則沒有相對明顯的相關(guān)性.

為了研究鈉層的太陽活動長期響應(yīng),我們首先求出2010—2021年鈉原子密度的月均值,然后求出70～110 km鈉原子柱密度的月均值;對于太陽黑子數(shù)據(jù),我們求出2010—2021年太陽黑子數(shù)的月均值;最后將鈉原子柱密度月均值與相應(yīng)的太陽黑子數(shù)月均值進(jìn)行比較,得到鈉原子柱密度月均值與太陽黑子數(shù)月均值變化的平滑曲線對比(如圖2所示),其中橫坐標(biāo)為時間,左側(cè)的縱坐標(biāo)為鈉原子柱密度,右側(cè)的縱坐標(biāo)為太陽黑子數(shù),圖中顯示,除了2019年鈉原子柱密度的變化與太陽黑子數(shù)相關(guān)性較弱,其余年份則都呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢.對于平滑后的鈉原子柱密度和太陽黑子數(shù),我們求出其皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.199,表明了鈉原子柱密度與太陽黑子數(shù)具有相對較弱的正相關(guān)性.這與Dawkins等(2016)的模擬結(jié)果不同,在MLT區(qū)域內(nèi)溫度變化對鈉元素化學(xué)反應(yīng)的影響可能大于光電離和光解離速率的變化造成的影響,即在太陽活動高年,含鈉化合物向鈉原子的轉(zhuǎn)化多于在這期間光電離消耗的鈉原子,太陽活動低年則正好相反.

圖2 2010—2021年鈉原子柱密度月均值與太陽黑子數(shù)月均值的平滑曲線

針對2019年鈉原子柱密度與太陽黑子數(shù)相關(guān)性較弱的情況,我們求出了2019年70～110 km的鈉原子柱密度,并得出了如圖3所示的2019年鈉原子柱密度圖,與以往季節(jié)變化呈現(xiàn)的鈉原子密度冬季大,夏季小的特征(魯正華,2019;龔少華等,2013)相比,可以看出7、8、9月份鈉原子柱密度較大,所以2019年整體鈉原子柱密度相對較大,從而影響了和太陽黑子數(shù)相關(guān)性的比較結(jié)果.

圖3 2019年的鈉原子柱密度實(shí)線代表數(shù)據(jù)的擬合趨勢.

對于2019年7、8、9月鈉原子柱密度較大的問題,我們查閱了2019年太陽耀斑和流星雨的觀測(太陽耀斑:https:∥spaceweather.com/archive.php?view=1&day=01&month=09&year=2019,流星雨:https:∥baike.baidu.com/item/%E6%B5%81%E6%98%9F%E9%9B%A8/6345?fr=aladdin),2019年7、8、9月左右的太陽耀斑強(qiáng)度都沒有超過M3;而7月和8月都出現(xiàn)了較大的流星雨,其中北半球三大流星雨的英仙座流星雨從7月17日開始持續(xù)到8月24日,并在8月13日達(dá)到極大;摩羯座流星雨從7月3日開始持續(xù)到8月15日,并在7月30日達(dá)到極大,這可能增加了突發(fā)鈉原子的概率與密度,使得鈉原子柱密度更高.

2.2 不同季節(jié)鈉原子密度的太陽活動長期響應(yīng)

由于鈉原子密度具有冬季大,夏季小的季節(jié)變化特征,因此我們分別研究了冬季(12月,1月,2月)和夏季(6月,7月,8月)MLT區(qū)域鈉原子密度的太陽活動長期響應(yīng).我們分別取2.1節(jié)中冬季和夏季的鈉原子柱密度的月均值與相應(yīng)的太陽黑子數(shù)月均值進(jìn)行比較,2010—2021年冬季鈉原子柱密度月均值與太陽黑子數(shù)月均值的平滑曲線比較如圖4a所示,夏季鈉原子柱密度月均值與太陽黑子數(shù)月均值的平滑曲線比較如圖4b所示.冬季鈉原子柱密度與太陽黑子數(shù)呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢,而夏季的相關(guān)性則比較弱.我們求出其冬季時皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.367,而夏季時皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.056,冬季相關(guān)性更好.這可能受到北京夏季陰雨天較多,夜晚時間較短的影響,夏季整體觀測時長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冬季.對于夏季鈉原子密度的長期變化趨勢可能還需要積累更多的觀測數(shù)據(jù).

圖4 (a) 2010—2021年冬季鈉原子柱密度月均值與太陽黑子數(shù)月均值的平滑曲線; (b) 2010—2021年夏季鈉原子柱密度月均值與太陽黑子數(shù)月均值的平滑曲線

3 鈉層質(zhì)心高度的長期變化

Akmaev等(2006)報(bào)道了全球氣溫趨勢在平流層頂與中間層區(qū)域(約50～70 km)介于-2～-2.5 K/10a,而在中層頂區(qū)域降溫趨勢逐漸減小,并在接近100 km時氣溫變化趨勢轉(zhuǎn)為逐年增加.Yuan等(2019)對1990—2018年的鈉激光雷達(dá)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,報(bào)道了中層頂溫度超過2 K/10a的冷卻趨勢.Zhao等(2020)通過研究SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)觀測儀所探測的2002—2019年的溫度,報(bào)道了各緯度的中層頂溫度在0～-0.14 K/a的范圍內(nèi)呈降溫趨勢,平均為-0.075±0.043 K/a,其中40°N處的降溫趨勢僅為-0.003 K/a.Clemesha等(1997)報(bào)道了S?o José dos Campos(23°S,46°W)上空1972—1994年間鈉層質(zhì)心高度平均每年下降37±9 m,并且通過對大氣鈉層垂直分布的分析,發(fā)現(xiàn)鈉層質(zhì)心高度的下降與鈉層底部凸起有關(guān),并不僅僅是由鈉剖面的簡單垂直位移引起的.Clemesha等(2003)報(bào)道了鈉層質(zhì)心高度的下降趨勢,在對大氣鈉層垂直分布的研究中,發(fā)現(xiàn)以1979年和1995年為中心的鈉層垂直分布的15年平均輪廓在大部分高度上幾乎是相同的,這一結(jié)果表明鈉層質(zhì)心高度下降并非高層大氣長期全球冷卻的直接結(jié)果.

本文中,我們對北京延慶一個太陽活動周期的鈉層質(zhì)心高度變化進(jìn)行分析.對鈉原子質(zhì)心高度做了月均值處理,并且對這些數(shù)據(jù)做了置信度分析,置信區(qū)間的計(jì)算公式為:

(6)

其中ci表示置信區(qū)間,mean表示樣本均值,std表示樣本標(biāo)準(zhǔn)差,N(ppf)表示正態(tài)分布的百分點(diǎn)函數(shù),α是顯著性水平,α的取值跟樣本量有關(guān),本文的樣本量為130,因此取α為0.05,對應(yīng)的置信度為95%,計(jì)算得到置信區(qū)間為(91.35,91.60),即有95%的把握相信鈉原子質(zhì)心高度的月均值位于91.35～91.60 km之間.如圖5所示為2010—2021年的鈉層質(zhì)心高度的月平均值變化,從圖中可以看出,從2010—2021年的鈉層質(zhì)心高度呈現(xiàn)出上升的趨勢,并且在這段期間,延慶鈉層質(zhì)心高度的線性趨勢總共上升了311.4±706.6 m,這與Clemesha等(1992,1997,2003)報(bào)道的在南半球巴西S?o José dos Campos(23°S,46°W)的鈉層質(zhì)心高度變化趨勢不同,但可以支持Clemesha等(1997,2003)提出的大氣鈉層質(zhì)心高度的趨勢不是高層大氣長期全球冷卻的直接后果的觀點(diǎn).如果是由于溫室氣體濃度增加導(dǎo)致高層大氣長期冷卻,那么冷卻將導(dǎo)致等壓層高度的降低,從而導(dǎo)致該層的大氣燒蝕源高度的降低,進(jìn)而造成鈉層質(zhì)心高度的降低,而本文得到的結(jié)論中,大氣鈉層質(zhì)心高度是升高的.Clemesha等(1992,1997,2003)的結(jié)論和我們的結(jié)論中鈉層的質(zhì)心高度下降和上升的幅度都很小,但是結(jié)果不盡相同,這可能是由于所用的數(shù)據(jù)處于不同的太陽周期或者不同的地理位置引起的,未來還需要更多的觀測來做進(jìn)一步分析,另外,我們團(tuán)隊(duì)鈉層風(fēng)溫激光雷達(dá)從2017年起開展觀測,未來,我們將進(jìn)一步分析鈉層質(zhì)心高度與溫度的相關(guān)性.

圖5 2010—2021年鈉層質(zhì)心高度的月平均值變化實(shí)線代表擬合的線性趨勢.

4 鈉層的垂直分布及上邊界延伸高度

近些年來,金屬層的探測上限在不斷提高,從Gong等(2003)觀測到的120 km處的鈉原子層,到Liu等(2016)觀測到的140 km處的熱層鈉層,再到Chu等(2011)報(bào)道的155 km處的鐵原子層,再到荀宇暢(2019)報(bào)道的200 km處的熱層鈉層,針對鈉層上邊界升高的這種現(xiàn)象,再結(jié)合本文第3節(jié)中的一個結(jié)論:鈉層的質(zhì)心高度在升高,我們猜測鈉層質(zhì)心高度的升高是否與鈉層上邊界的提高有關(guān)?于是我們對鈉層的垂直分布以及上邊界延伸高度進(jìn)行了研究.

Clemesha等(2003)報(bào)道了103 km以上的密度增加可能與突發(fā)性鈉層的發(fā)生率增加有關(guān).針對103 km以上的密度增加,我們對北京延慶2010年1月—2021年8月的鈉原子密度進(jìn)行了處理,首先求出各個年份的鈉原子密度年均值ny,然后計(jì)算每一個高度處的鈉原子密度年均值nh,之后將各個年份每一個高度處的鈉原子密度年均值除以其對應(yīng)年份的鈉原子密度年均值nh/ny,作為這一年這一高度處的歸一化密度,將同一年不同高度處的歸一化密度作出折線圖,如圖6a所示.從該圖中可以看出,各個年份的鈉層垂直分布都會出現(xiàn)變化,103 km以上的密度有增加也有減少.為了使得圖像更容易觀察,我們?nèi)「鱾€年份鈉層垂直分布的半高全寬對應(yīng)的上下邊界高度值進(jìn)行比較,如圖6b所示.從圖中可以看出,2018年之前,鈉層垂直分布范圍有增大也有減小.自2018年起,半高全寬對應(yīng)的寬度范圍呈擴(kuò)大趨勢,且上邊界的高度略有增加,增加幅度為0.332 km·a-1.

圖6 (a) 2010—2021年各個年份的鈉層垂直分布對比圖; (b) 2010—2021年各個年份的鈉層垂直分布的半高全寬對應(yīng)的高度的變化

為了研究鈉層上邊界可延伸到的最高高度,我們研究了100～140 km的鈉層垂直分布,得出了如表3所示的100～140 km的鈉層垂直分布,從表中的數(shù)據(jù)可以看出,鈉原子密度均值的十分之一集中出現(xiàn)在106～108 km范圍內(nèi);以0.4 cm-3為探測閾值的上邊界能夠到達(dá)的高度并不是逐年增加的(表中“-”表示鈉層上邊界不在100～140 km高度范圍,可能出現(xiàn)在了更高的高度).

表3 100～140 km的鈉層垂直分布的研究

徐亦萌等(2022)通過對鈉熒光激光雷達(dá)2018年11月—2019年12月的夜間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出鈉層上邊界在大多數(shù)情況下可以達(dá)到120 km.鈉層上邊界的季節(jié)變化表現(xiàn)為5—6月份較高,2—3月份最低.我們基于北京延慶2010年1月—2021年8月的鈉共振熒光激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對鈉層的上邊界進(jìn)行了分析,用各個年份探測閾值能達(dá)到0.4 cm-3的天數(shù)除以對應(yīng)年份采集數(shù)據(jù)的天數(shù),得出了如表4所示的2010—2021年的鈉層上邊界研究,從表中的數(shù)據(jù)可以看出,鈉層上邊界基本上都可以達(dá)到120 km;而上邊界達(dá)到130 km的概率除了2013、2014和2015年,其余年份基本維持在60%左右;而上邊界達(dá)到140 km的概率只有30%左右.上邊界達(dá)到任何高度的概率均沒有出現(xiàn)逐年增加的趨勢.該結(jié)果表明鈉層的上邊界提高并不是鈉層質(zhì)心高度的升高引起的,近年來更高高度金屬層被發(fā)現(xiàn)和廣泛報(bào)道的主要原因更可能是激光雷達(dá)探測靈敏度的提升.

表4 鈉層上邊界可達(dá)到各個高度的概率

5 討論與結(jié)論

本文中,我們通過對北京延慶2010年1月—2021年8月的鈉共振熒光激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果表明:鈉原子柱密度的長期變化顯著,且除了2019年之外,其余年份鈉原子柱密度與太陽黑子數(shù)都呈現(xiàn)出正相關(guān),太陽活動對鈉層的影響主要是由于溫度的變化會促進(jìn)含鈉化合物與鈉原子之間的轉(zhuǎn)化.通過對相關(guān)性較弱的2019年的空間天氣進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)流星雨會對鈉原子密度的觀測產(chǎn)生顯著影響.延慶鈉層質(zhì)心高度的線性趨勢總共上升了311.4±706.6 m,長期變化趨勢并不顯著,這可能與流星消融的高度變化不大有關(guān).在對鈉層垂直分布的分析中,發(fā)現(xiàn)從2018年開始半高全寬上邊沿的高度出現(xiàn)了升高,但是升高的幅度不大.通過對鈉層上邊界的分析,發(fā)現(xiàn)鈉層上邊界達(dá)到120 km的概率可以達(dá)到92.57%,但是從2010—2021年,鈉原子層的上邊界達(dá)到110 km、120 km、130 km、140 km的概率并沒有逐年增加,以0.4為探測閾值的上邊界也沒有呈現(xiàn)逐年增加的趨勢,因此,我們認(rèn)為激光雷達(dá)探測靈敏度的提升是目前更高高度金屬層被發(fā)現(xiàn)的主要原因.在后續(xù)的研究中,我們將進(jìn)一步探索鈉層質(zhì)心高度變化的影響因素,以及鈉層密度的太陽活動長期響應(yīng)是否僅存在于北京延慶地區(qū),不同緯度的鈉原子對太陽活動的響應(yīng)是否存在差異.

近些年來,激光雷達(dá)的發(fā)展突飛猛進(jìn),從1969年,Bowman等(1969)首次開始了激光雷達(dá)對于鈉的探測,之后美國的Hake等(1972)、法國的Megie和Blamont(1977)、巴西的Simonich等(1979)、蘇聯(lián)的Juramy等(1981)、加拿大的Pfrommer和Hickson(2010)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Dou等(2013)、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的焦菁(2015)、巴西的Andrioli等(2020)也開始利用激光雷達(dá)對鈉原子進(jìn)行探測,近幾十年以來,全球范圍激光器的脈沖能量在不斷地提升,望遠(yuǎn)鏡的直徑也在不斷地?cái)U(kuò)大,因此,激光雷達(dá)的探測能力在不斷地增強(qiáng),針對鎳、鈣、鉀等密度較小原子的探測也在逐步開展.

推動激光雷達(dá)高靈敏度和多種類發(fā)展為中高層大氣的探測和研究提供了更有效的示蹤.未來,更大口徑的望遠(yuǎn)鏡、更強(qiáng)能量的激光器將會進(jìn)一步推進(jìn)激光雷達(dá)對更高高度、更微弱的大氣金屬層及以大氣金屬層為示蹤劑的大氣溫度、風(fēng)場、波動的探測.一些中等規(guī)模的激光雷達(dá)可以發(fā)展為全日覆蓋和自主操作,這將有助于收集更為長期的觀測數(shù)據(jù),使MLT區(qū)域大氣密度、溫度、風(fēng)場長期演化趨勢及其受太陽活動影響等方面的研究成為可能.

致謝感謝國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程科學(xué)數(shù)據(jù)支持,感謝評審專家在百忙之中提出的寶貴建議以及編輯給予的幫助.