中国北方地区大气金属层的双波长原子离子激光雷达研究

In the altitude range of 80~110 km, there exist a metal layer composed of large number of metal atoms and irons in the atmosphere. The detections of the metal layer are helpful to the studies of dynamic processes in the middle and upper atmosphere. And they are meaningful to the understanding of the characteristics of chemical reactions and environmental changes in the upper atmosphere. Although the detections of atmospheric metal layer have been carried out for several decades, due to the single detection approach and insufficient observation data, there are still many significant problems left to researchers. For example: How to deduct the interconversion effects between atoms and ions in extraction wave parameters? How to evaluate the contributions of different sources or mechanisms when sudden increases of metal atoms present? Why the metal atoms can occur near the altitude of 120 km? They are key problems in the study of upper atmosphere. Based on the Beijing lidar of Meridian Project, a double-wavelength atom-iron detection lidar will be built by this project. The simultaneous evolution information of metal atoms and their irons will be obtained by this lidar. With the obtain data and the model simulations, we can get important results of the characteristics and formation mechanism of sporadic metal layers and high-altitude metal layers over the north of China. We also can extract the accruate atmospheric dynamic parameters, and improve the precision of metal layer models. This project can be significant to the key progress of upper atmosphere study, and also points out a new development direction for the current Chinese lidar teams.

在地球大气80-110km区域，存在一个由大量金属原子和离子形成的金属层。大气金属层的探测研究，对于获取高层大气动力学过程信息、理解高层大气的化学反应特性、环境变化等，都有着极其重要的意义。虽然大气金属层的研究已经开展了几十年，但由于探测手段过于单一，不能为科学研究提供足够的探测数据，许多重要问题，如：提取动力学参数时如何扣除原子－离子相互转化效应？如何评价各种源及促发机制导致金属原子突然增加的贡献？为何在120公里处出现了金属原子等？都没有解决，严重地制约了大气金属层及高层大气研究的发展。本项目在子午工程北京激光雷达基础上，建设双波长可调原子离子激光雷达一台，通过获得的金属原子、离子同时演化信息，配合模型模拟结果，我们将在准确地提取动力学参数、我国北方地区高端金属层、金属层突发的特性与形成机制、提高大气金属层模型精度等热点科学问题上取得重要进展，也为国内激光雷达当前的发展方向提供新的思路

在地球大气80-110km 区域，存在一个由大量金属原子和离子形成的金属层。金属层融入背景大气中，跟着大气一起运动，而且金属元素的各种成份间的相互转换也涉及到中高层大气的许多基本化学反应过程与重要成分，所以大气金属原子离子可以作为中高层大气的化学及动力学“示踪剂”。对大气金属层的探测研究，可以使我们获得中高层大气波动、化学反应等信息，更好地认识中高层大气特有的物理与化学过程、获得我国上空中高层大气的区域性特征与环境变化等重要信息。. 我们在子午工程激光雷达基础上，建设了新颖的双波长可调激光雷达，可以实现多种金属原子离子的任选二者同时探测，探测数据很好地促进了科学研究：我们获得北京地区上空金属层区域性特征，发现许多重要的特殊现象，比如：钾层突发出现率最高峰值在1月份，颠覆了“大气金属层最高突发出现率主要在夏季”的传统认识；发现了热层中钠层百公里量级的空间不均匀性，打破了人们对于金属层特殊现象空间尺度不均匀性一般在500~1000km以上的惯常认识；激光雷达数据结合其它设备的数据，对比我们建设的金属层模型模拟结果，揭示了金属原子在特定空间环境下突然增加的机制：风剪切与波动过程促进了金属离子的中性化过程，而且对钾的影响更为明显；C型钠层可能是大气不稳定性导致的重力波破碎而产生等；我们还用激光雷达配合流星雷达、气辉仪等，对重力波事件进行了多手段、多参数的探测研究。. 新建成的激光雷达获得了北京上空钾、钙等微量金属成分的珍贵监测数据，发现了高密度钾层、热层中钠层不均匀性等许多前人尚未看到的现象。这些发现扩展了人们对于金属层特性的认识，说明大气金属层及中层顶区域还有很多新现象、新过程需要我们去了解认识。并且激光雷达等多种设备的同时监测数据，结合金属层模型，揭示了金属层特殊现象的形成机制，对于理解中高层大气化学与动力学过程有积极的意义。. 本项目一共发表了文章15篇，其中包含5篇JGR/GRL文章。