热层金属原子层对磁暴的响应机制研究

Due to the meteor ablation in the middle and upper atmosphere, metallic species (e.g. Na, Fe, K, Ca, and so on) mainly exist at 80-110km altitudes, and can be used as unique tracers for probing the neutral atmosphere. In recent years, with the progress of lidar technology, thermospheric metal layers were observed above 110km altitude at several stations worldwide. Based on the occurrence of this new phenomenon, a series of questions have been raised, trying to explain the formation mechanism of thermospheric metal layer, the chemical and dynamic processes during its formation, and its response to the solar activities (e.g. geomagnetic storm). Geomagnetic storm is a typical space environment event, during which high-energy particle settlement and Joule heating warm up the ionosphere, and then cause dramatic changes on the atmospheric density, constituents, and wind. These parameters can affect the formation of thermospheric metal layers. In this study, we will mainly focus on the thermospheric metal layers in the low- and mid- latitude regions. Lidar data will be used to characterize the distributions of thermospheric metal layers, and then compared with the observations of geomagnetic activities, the TEC (Total Electron Content) and sporadic E layer. In addition, global atmospheric models (such as TIEGCM) will be used to analyze how the geomagnetic storm affects the formation of thermospheric metal layers. By comparing our results with those studies in the polar region, we will investigate the latitudinal differences of the coupling processes between the geomagnetic storm and metal layers.

大气中的金属原子源于流星的消融，存在于80到110公里高度，为探测中性大气参数提供了独特的示踪观测方法。近年来，110公里以上的热层金属层在世界各地被观测到，为金属层的研究提供了新的方向，同时也衍生出很多相关的科学问题，比如热层金属层的形成机制，产生过程中的化学和动力学过程，以及太阳活动对其的影响。地磁暴是典型的全球空间环境扰动事件。磁暴期间，高能粒子沉降和焦耳加热等过程使大气受热膨胀，造成高层大气密度、成分和风场的剧烈变化，进而对热层金属层的形成产生影响。本研究工作主要针对中低纬的热层金属层，利用激光雷达观测数据获得其分布特性，然后通过和地磁活动情况对比，结合雷达台站TEC和突发E层的观测，辅以模式模拟(TIEGCM)，研究地磁暴对中低纬热层金属层影响的具体过程，进而与已在高纬地区开展的相关研究结果进行对比分析，从而得到磁暴对不同纬度热层金属层影响的异同性。

热层金属层是发生在普通金属层高度以上的特殊现象，其出现使我们可以利用金属荧光激光雷达探测低热层大气的风场与温度信息，使得连续获取该高度范围内中性大气参量成为一种可能。为了增进我们对热层金属层形成机制的认知，本项目使用了不同台站的钠荧光激光雷达数据，结合其他观测数据，就热层钠原子层的形成机制进行了分析研究。.首先，本项目使用了智利安第斯山脉台站的激光雷达数据，研究中低纬度热层钠原子层对地磁活动响应的研究。通过统计分析钠荧光激光雷达观测到的热层钠原子层事件与地磁指数的关系，发现在地磁活动较强的时候，热层钠原子层的出现几率更高。通过分析全球的TEC分布情况和文献调研，发现在磁暴期间，可能通过两种过程增加热层钠原子层的生成概率。一是，发现磁暴发生时，赤道附近更容易发生电离层喷泉效应，中间层顶的金属钠离子通过该效应抬升到200公里后，向高纬度扩散并沉降，在到达低热层时，这些金属钠离子和电子通过中和反应形成热层钠原子。第二种过程是，地磁活动可以放大低热层高度的垂直风，这一效应甚至可以影响到中低纬地区，而更强的垂直风可以加剧钠原子的垂直输送，将钠原子直接输送到热层，从而增加钠原子层出现的概率。.此外，本项目还使用了南极中山站的钠荧光激光雷达数据，研究了高纬度热层钠原子层与极光之间的关系。通过对比中山站钠原子层的特征与当地极光的发生时间高度等信息，通过化学反应计算，发现在极区，极光中的高密度电子可以和钠离子产生反应，从而生成热层钠原子层，这一过程大约需要1到2小时。.在本项目的支持下，获取了大量的珍贵数据。通过对不同纬度热层钠原子层的分析，我们发现其可能的形成机制在高纬度地区和低纬度地区有较大的差异性。通过本项目，深化了对热层金属层形成机制的认知。同时,研究结果也能为大气模式提供支持。