基于流星物质注入示踪的中间层顶大气参数耦合过程研究

The mesopause and lower thermosphere region is a transition region from the neutral atmosphere to the space plasma, which can be affected by the upward propagating waves from the lower atmosphere and is a Hot-spot in the upper atmospheric research. As the meteors down into the Earth’s atmosphere, they interact with the atmospheric molecules and generate the trail of plasma; on the other hand, the ions or atoms vapored from the meteors form a permanent metal layers through the photo-chemical reactions. The ground-based remote-sensing techniques can obtain the information of the atmospheric paramters in the mesopause and lower thermosphere region through the measuring the plasma in the meteor trails or metal ions/atoms layers. Based on the ground-based radio and optical observations, the aims of the project are: (1) improving the retrieval methods for the mesospheric temperature and density based on the meteor radar detection; (2) studying the coupling processes between the mesopause and lower thermosphere and lower atmosphere based on the lidar/radar detections as well as the re-analysis data and models.

地球中间层顶附近（80-120km）区域是地球中性大气向空间等离子的过渡区，容易受到低层大气各种波动的影响，状态变化剧烈，是中高层大气研究的热点区域。流星物质注入地球大气后，在中间层顶区域与大气相互作用，通过摩擦产生等离子尾迹；当流星物质烧蚀后的离子、原子通过与中高层大气的光化学作用，在中间层顶区域形成永久的金属原子/离子层。流星尾迹等离子尾迹和其形成的金属层，可以示踪中间层顶区域动力学和光化学过程，是研究该区域大气耦合的有效手段。基于此，本项目的目标：（1）通过流星等离子体尾迹的双极扩散效应，有效获取中间层顶区域的中性大气温度、密度，从而拓展流星雷达（目前流星雷达主要用于观测风场）的探测参数；（2）基于流星雷达、激光雷达获取的中间层顶区域大气关键参数，结合再分析数据和模式，研究中间层顶区域大气状态与低层大气耦合过程。

在中高层大气区域，中间层顶区域是动力学（电动力学）、光化学等过程交织出现的活跃区域，深入理解该区域的复杂现象的物理机制，是解决地球大气系统与地球空间系统之间的相互耦合这一地球科学重大前沿问题的基础和关键。在这个区域，每天都有大量的流星、微流星和尘埃物质注入，它们烧蚀后形成金属原子/离子，为研究上述复杂过程提供了宝贵的示踪物。. 本项目以流星注入的金属成分为示踪，取得了系列研究成果：. （1）研究了高空大气中的中性金属成分与低层大气作用机制新机理。阐明了强对流天气系统通过激发的波动实现从低层大气到中高层大气的能量传输，通过中高层大气动力学和光化学通过作用，影响了中间层顶和低热层中性金属与金属离子的耦合过程，形成观测到的雷暴后中性金属钠原子密度增强的现象。. （2）提出了高空大气电离层E区金属离子层（Es层）季节形成新机制。通过卫星、地基和模式协同研究，发现Es层存在显著的从冬季半球向夏季半球的子午输运过程，这一全球金属离子的跨半球输运过程主要受低热层的大气经向环流控制，进一步理解突发E层的形成机制提供了重要的观测和理论依据。. （3）发现了高空大气中间层顶中性大气对太阳活动响应新现象。在发展基于流星雷达探测的流星尾迹的衰减时间（双极扩散系数）反演中间层顶大气密度和温度方法的基础上，我们发现中间层顶中性大气的密度、风场存在显著对太阳（地磁）活动的响应，该响应显著区别与热层高度大气，弥补了空间天气影响日地系统的关键一环。. 我们在上述三个方面取得了系列进展，相关研究有助于理解大气系统与空间系统之间的相互耦合这一关键科学问题。本项目按照计划书的要求执行，累计发表标注SCI论文20篇，其中第一和通讯作者论文17篇。