本文關(guān)鍵詞：熱層大氣中鈉原子層的激光雷達(dá)觀測(cè)研究　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：中高層大氣中的金屬原子層可以被共振熒光激光雷達(dá)探測(cè)到,因而成為了探測(cè)空間大氣相互作用區(qū)域的良好示蹤物。中性金屬原子通常被認(rèn)為存在于75-110km的中間層和低熱層區(qū)域,它們的這種分布特征限制了激光雷達(dá)遙感的探測(cè)范圍。近些年來(lái)新的發(fā)現(xiàn)從根本上改變了我們的認(rèn)識(shí)。Chu et al. (2011)報(bào)道了在南極McMurdo觀測(cè)站(77.83°S,166.66°E)使用鐵激光雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的最高高度達(dá)到155 km的中性鐵原子層現(xiàn)象(Chu et al.,2011)。這是第一次在熱層大氣區(qū)域發(fā)現(xiàn)具有重力波特征的中性鐵原子層。在這之后,許多熱層金屬原子層的觀測(cè)相繼被報(bào)道出來(lái)。熱層中性金屬原子層為使用激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)100-200 km中性成分進(jìn)行高時(shí)空分辨率觀測(cè)提供了優(yōu)良的示蹤物。它們可以被用來(lái)研究熱層和電離層的耦合過(guò)程,以及100-200km高度的化學(xué)反應(yīng)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。作為一個(gè)研究各種物理和化學(xué)過(guò)程的天然實(shí)驗(yàn)室,熱層中性金屬原子的研究具有重要的意義。但是截至2013年底,鈉原子層的最高觀測(cè)記錄只為140 km,這一結(jié)果遠(yuǎn)低于鐵原子層170km (Chu et al.,2013)和鉀原子層155 km (Friedman et al.,2013)的觀測(cè)記錄。由此我們產(chǎn)生了一系列疑問(wèn),比如中性鐵原子層170 km的觀測(cè)記錄是得益于McMurdo特殊的地理位置,抑或是鐵原子的本身特性?中性鈉原子層能否在南極以外的其他地區(qū)突破140 km的觀測(cè)記錄?解決這些問(wèn)題有助于我們深入理解熱層中性金屬原子層的起源和形成機(jī)制。在本文中,我們主要對(duì)2012年3月、4月和12月在麗江(地磁緯度21.6°N,171.8°E)觀測(cè)到的最高可以達(dá)到170km具有潮汐相位特征的中性鈉原子層現(xiàn)象進(jìn)行研究,并對(duì)其形成機(jī)制進(jìn)行定性分析。據(jù)我們所知,這是中性鈉原子層第一次在這個(gè)高度被發(fā)現(xiàn)。在2012年37個(gè)夜間的觀測(cè)數(shù)據(jù)中,我們確認(rèn)了至少12個(gè)最高高度超過(guò)130 km的麗江熱層鈉原子層事件,即其出現(xiàn)頻率約為33%。熱層大氣中的中性鈉原子層密度非常低,在130-170km之間約為1-6cm-3,比中間層頂附近的鈉層峰值密度小大約3個(gè)數(shù)量級(jí)。它們都有相位向下發(fā)展演化的特征,下降速率約為11-12 km/h(約3 m/s),這一數(shù)值和140 km左右半日潮汐的垂直相速度相一致。麗江熱層中性鈉原子事件幾乎都對(duì)應(yīng)著中等或者較強(qiáng)的的赤道噴泉效應(yīng)現(xiàn)象,這兩者之間的關(guān)系有力的支持了我們的理論假設(shè),即金屬離子在赤道噴泉效應(yīng)的作用下從赤道地區(qū)向低緯地區(qū)輸運(yùn),這一過(guò)程為麗江上空的熱層區(qū)域帶來(lái)了Na+離子,根據(jù)Chu et al.(2011)和Yu and Chu(2014)中的理論和Tsuda et al.(2015)中的假設(shè),我們進(jìn)一步認(rèn)為麗江熱層鈉原子層是通過(guò)潮汐風(fēng)剪切匯聚的Na+離子層通過(guò)直接輻射復(fù)合反應(yīng)Na++e-→Na+hv中和而形成的,并通過(guò)估算,得到了和觀測(cè)相一致的結(jié)果。在本文中我們還對(duì)子午工程各臺(tái)站的熱層鈉原子層的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析,它們與麗江觀測(cè)結(jié)果的差異表明了探測(cè)極限對(duì)于熱層中性金屬原子觀測(cè)活動(dòng)的重要性。通過(guò)子午工程各臺(tái)站觀測(cè)情況的對(duì)比,我們進(jìn)一步推論,對(duì)于低緯130km以上熱層金屬原子層的形成過(guò)程,赤道噴泉效應(yīng)引起的等離子體輸運(yùn)起到了非常重要的作用。麗江熱層鈉原子層的形成機(jī)制在低緯度地區(qū)具有代表性。
[Abstract]:The atomic layer in middle and upper atmosphere can be detected by resonance fluorescence lidar, so it becomes a good tracer for detecting the interaction area of space atmosphere. Neutral metal atoms are usually considered in the middle and low thermosphere regions of 75-110km. Their distribution limits the range of lidar remote sensing. The new discoveries have fundamentally changed our understanding in recent years. Chu et al. (2011) reported a neutral iron atomic layer phenomenon with highest altitude of 155 km (Chu et al., 2011) detected at the McMurdo Observatory (77.83 degree S, 166.66 degrees E) at the Antarctic. This is the first time to find a neutral iron layer with the characteristics of a gravitational wave in the hot layer atmosphere. After that, many observations of the metallic layer of the hot layer have been reported. The neutral metal atomic layer of the thermal layer provides a good tracer for high temporal resolution observation of the neutral component of 100-200 km using laser radar technology. They can be used to study the coupling process of the heat layer and the ionosphere, as well as the chemical reaction, thermodynamics, dynamics and electrodynamics of the 100-200km height. As a natural laboratory for the study of various physical and chemical processes, the study of the neutral metal atoms in the hot layer is of great significance. But by the end of 2013, the highest observation record of sodium atomic layer was only 140 km, which is much lower than that of atomic layer 170km (Chu et al., 2013) and potassium atomic layer 155 km (Friedman et al., 2013). We have a series of questions, such as the observation records of neutral iron atoms km layer 170 is McMurdo due to the special geographical location, or is the iron atom itself? Neutral sodium atom layer can in other areas of Antarctica exceeded 140 km observation records? To solve these problems helps us to understand the origin and the formation mechanism of thermospheric neutral metal atoms layer. In this paper, we mainly studied the phenomenon of neutral sodium atomic layer with the highest tidal phase characteristics observed at Lijiang (geomagnetic latitude 21.6 degree N, 171.8 degree E) in March 2012, April and December, and qualitatively analyzed its formation mechanism. As far as we know, this is the first time that the neutral sodium layer is found at this height. During the 37 night observations in 2012, we identified at least 12 layers of sodium layer events in Lijiang hot layer with a maximum height of more than 130 km, that is, the occurrence frequency is about 33%. The density of neutral sodium layer in the thermosphere is very low, and it is about 1-6cm-3 between 130-170km, which is about 3 orders of magnitude smaller than the peak density of the sodium layer near the top of the middle layer. They all have the characteristics of downward evolution of the phase. The descending rate is about 11-12 km/h (about 3 m/s), which is consistent with the vertical velocity of 140 km or half day tide. Lijiang thermospheric neutral sodium atomic events almost corresponds to a moderate or strong equatorial fountain effect, the relationship between the strong support of our hypothesis, the metal ions in the equatorial fountain effect from the equator to the low latitude area transport layer, heat the process over Lijiang area bring the Na+ ion, according to Chu et al. (2011) and Yu and Chu (2014) in the ET al. theory and Tsuda (2015) in the hypothesis, we further consider the Lijiang hot layer sodium layer through the Na+ layer of ion wind shear convergence tide through direct radiative recombination reaction of Na++e-, Na+hv and formed and, by estimating, are consistent with the observation results. In this paper, we also analyze the observational results of the sodium layer in the hot layer of every station in the meridian project. The difference between them and the observations in Lijiang indicates the importance of the detection limit for the observation of the neutral metal atoms in the thermal layer. By comparing the observational results of different stations in the meridian project, we further conclude that for the formation of the atomic layer of the hot layer above 130km above the low latitude, the plasma transport caused by the equatorial fountain effect has played a very important role. The formation mechanism of the sodium atomic layer of the Lijiang thermal layer is representative at low latitudes.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P407

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本文編號(hào)：1341019