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 太原理工大學物理與光電工程學院,太原 030024 2 國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室,北京 100190 3 江蘇科技大學理學院,江蘇鎮江 212100 4 海南師范大學物理與電子工程學院,?？?571158

0 引言

每天都有大量的宇宙塵埃粒子進入大氣層,在和大氣分子碰撞摩擦過程中加熱蒸發,在80～105 km區域形成鈉、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,以離子的形態存在;在80 km以下,金屬元素通常會和一些分子化合物結合,以化合物的形態存在;只有在80～105 km高度之間,金屬元素通常以穩定的原子形態存在,其豐度取決于化學反應和動力學之間復雜的相互作用.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反應形成循環,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為是研究中高層大氣很好的示蹤物.對于這些持續存在的金屬原子氣候學變化的研究,一方面可以表征中高層大氣對于太陽活動的響應,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)開發的綜合數值大氣模式——全大氣層氣候模型(Whole Atmosphere Community Climate Model,簡稱WACCM)來評估MLT(70～110 km)區域內K和Na對太陽活動的長期響應,并且使用了由Odin衛星上光學光譜儀和紅外成像系統(Optical Spectrograph and InfraRed Imaging System,簡稱OSIRIS)測量的Na和K密度來驗證WACCM模型預測的Na和K層的太陽活動長期響應,WACCM模擬數據顯示K原子柱密度的變化與太陽活動呈現出顯著的反相關,而Na原子柱密度卻并沒有明顯的太陽周期響應,OSIRIS觀測數據得到的趨勢與WACCM模擬數據得到的趨勢是一致的,但是定量分析存在較大差異.此外,該報道還使用了來自Kühlungsborn(54°N,12°E)的K激光雷達數據對WACCM模型預測的趨勢進行了驗證,但是缺少長期的Na激光雷達數據.

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.但是由于現階段高空大氣激光雷達需要人工值守、調試,長期、連續的觀測非常困難,因此目前只有兩個團隊報道過激光雷達觀測的鈉原子層長期變化趨勢.巴西的Clemesha等(2003)的團隊報道了1972—2001年鈉層質心高度的總體線性趨勢為每十年下降93±53 m;美國She等(2009)的團隊報道了基于多普勒鈉熒光激光雷達觀測的1990—2007年Fort Collins,Colorado上空的溫度,呈現6.8 K/10a的降溫趨勢(去掉Pinatubo火山爆發造成的偶發性變暖);She等(2019)基于1990—2017年間科羅拉多州立大學/猶他州立大學Na激光雷達夜間溫度觀測結果,發現在不同高度,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,夜間平均溫度呈變冷趨勢,在92 km處,冷卻趨勢達到最大值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約為5±1 K/100SFU.這些激光雷達的長期觀測為中高層大氣氣候學變化的研究提供了重要的數據支撐.

北京延慶(116.0°E,40.5°N)鈉共振熒光激光雷達自2010年1月—2021年8月,每個晴朗的夜晚開展觀測,已經積累了11年的數據.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、鈉層的質心高度、垂直分布以及上邊界延伸高度的長期變化進行了分析,得出了鈉層密度與太陽活動的正相關趨勢,鈉層質心高度以及垂直分布的變化趨勢,研究了上邊界可以到達的高度以及其變化的原因.

1 實驗儀器與數據反演

1.1 實驗儀器

本文所用到的激光雷達原始數據來源于國家重大科技基礎設施子午工程數據中心(https:∥data.meridianproject.ac.cn/).北京延慶鈉共振熒光激光雷達主要由激光發射單元、信號接收單元、數據采集單元以及系統控制單元等四部分組成.激光發射單元使用摻釹釔鋁石榴石(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet,簡稱Nd:YAG)激光器發出1064 nm的激光,經過倍頻晶體產生532 nm的激光,再通過泵浦染料激光器產生589 nm的激光,通過擴束鏡調整好激光的發散角和準直度,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鏡、濾波器、光電倍增管等設備組成.通過望遠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,之后經過光電倍增管將光信號轉換為電信號;數據采集單元采用光子計數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,并將其以數字信號的形式儲存到工控機中;系統控制單元通過計算機控制整個激光雷達系統的時序和延時,將激光發射單元、信號接收單元和數據采集單元有機地結合起來.如表1所示為延慶鈉共振熒光激光雷達的參數.

表1 延慶鈉共振熒光激光雷達的參數

1.2 數據反演

本文使用北京延慶鈉共振熒光激光雷達所采集的2010年1月—2021年8月鈉原子原始回波光子數,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中給出了激光雷達自2010年1月至2021年8月的有效觀測時間分布,橫坐標表示年份,縱坐標表示該年的第幾天.

圖1 激光雷達2010年1月—2021年8月的有效觀測時間分布

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

(1)

其中z為共振熒光散射區的高度,zR為瑞利散射區的高度,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,NR(λ,z)為zR處的回波光子數,NB為噪聲高度處的回波光子數,取150～180 km光子數的平均,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.

為了提高數據的信噪比,反演過程中我們采用的光子數時間分辨率為5.5 min,空間分辨率為960 m.柱密度CS、質心高度zS的計算公式分別為

CS=m0,

(2)

(3)

其中mi的計算公式為

(4)

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

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

(5)

其中nC(z)為高度z處的鈉原子數密度,NC(z)為高度z處的回波光子數.我們分別計算了峰值高度、100 km、110 km、120 km、130 km、140 km處的鈉原子數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的數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

2.1 鈉原子密度的太陽活動長期響應

Dawkins等(2016)通過WACCM模型評估了MLT區域內鈉和鉀原子的太陽活動長期響應,太陽活動對金屬原子的影響主要體現在兩方面: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,溫度升高促進了金屬化合物向原子的轉換,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反應的活化能不同,所以溫度變化對其反應速率的影響存在差異.由于鉀的化合物轉換出鉀的反應活化能過高,在MLT區域內的溫度狀態下,含鉀化合物向鉀原子的轉化很難發生,而相應的鈉元素的反應較容易發生.綜合以上兩方面的影響,鉀層與太陽活動呈現出顯著的反相關,而鈉層則沒有相對明顯的相關性.

為了研究鈉層的太陽活動長期響應,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;對于太陽黑子數據,我們求出2010—2021年太陽黑子數的月均值;最后將鈉原子柱密度月均值與相應的太陽黑子數月均值進行比較,得到鈉原子柱密度月均值與太陽黑子數月均值變化的平滑曲線對比(如圖2所示),其中橫坐標為時間,左側的縱坐標為鈉原子柱密度,右側的縱坐標為太陽黑子數,圖中顯示,除了2019年鈉原子柱密度的變化與太陽黑子數相關性較弱,其余年份則都呈現出正相關趨勢.對于平滑后的鈉原子柱密度和太陽黑子數,我們求出其皮爾遜相關系數為0.199,表明了鈉原子柱密度與太陽黑子數具有相對較弱的正相關性.這與Dawkins等(2016)的模擬結果不同,在MLT區域內溫度變化對鈉元素化學反應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月均值的平滑曲線

針對2019年鈉原子柱密度與太陽黑子數相關性較弱的情況,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,與以往季節變化呈現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相關性的比較結果.

圖3 2019年的鈉原子柱密度實線代表數據的擬合趨勢.

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度都沒有超過M3;而7月和8月都出現了較大的流星雨,其中北半球三大流星雨的英仙座流星雨從7月17日開始持續到8月24日,并在8月13日達到極大;摩羯座流星雨從7月3日開始持續到8月15日,并在7月30日達到極大,這可能增加了突發鈉原子的概率與密度,使得鈉原子柱密度更高.

2.2 不同季節鈉原子密度的太陽活動長期響應

由于鈉原子密度具有冬季大,夏季小的季節變化特征,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區域鈉原子密度的太陽活動長期響應.我們分別取2.1節中冬季和夏季的鈉原子柱密度的月均值與相應的太陽黑子數月均值進行比較,2010—2021年冬季鈉原子柱密度月均值與太陽黑子數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呈現出正相關趨勢,而夏季的相關性則比較弱.我們求出其冬季時皮爾遜相關系數為0.367,而夏季時皮爾遜相關系數為-0.056,冬季相關性更好.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遠小于冬季.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據.

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

3 鈉層質心高度的長期變化

Akmaev等(2006)報道了全球氣溫趨勢在平流層頂與中間層區域(約50～70 km)介于-2～-2.5 K/10a,而在中層頂區域降溫趨勢逐漸減小,并在接近100 km時氣溫變化趨勢轉為逐年增加.Yuan等(2019)對1990—2018年的鈉激光雷達溫度數據進行研究,報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,報道了各緯度的中層頂溫度在0～-0.14 K/a的范圍內呈降溫趨勢,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)報道了S?o José dos Campos(23°S,46°W)上空1972—1994年間鈉層質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,發現鈉層質心高度的下降與鈉層底部凸起有關,并不僅僅是由鈉剖面的簡單垂直位移引起的.Clemesha等(2003)報道了鈉層質心高度的下降趨勢,在對大氣鈉層垂直分布的研究中,發現以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,這一結果表明鈉層質心高度下降并非高層大氣長期全球冷卻的直接結果.

本文中,我們對北京延慶一個太陽活動周期的鈉層質心高度變化進行分析.對鈉原子質心高度做了月均值處理,并且對這些數據做了置信度分析,置信區間的計算公式為:

(6)

其中ci表示置信區間,mean表示樣本均值,std表示樣本標準差,N(ppf)表示正態分布的百分點函數,α是顯著性水平,α的取值跟樣本量有關,本文的樣本量為130,因此取α為0.05,對應的置信度為95%,計算得到置信區間為(91.35,91.60),即有95%的把握相信鈉原子質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年的鈉層質心高度呈現出上升的趨勢,并且在這段期間,延慶鈉層質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)報道的在南半球巴西S?o José dos Campos(23°S,46°W)的鈉層質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.如果是由于溫室氣體濃度增加導致高層大氣長期冷卻,那么冷卻將導致等壓層高度的降低,從而導致該層的大氣燒蝕源高度的降低,進而造成鈉層質心高度的降低,而本文得到的結論中,大氣鈉層質心高度是升高的.Clemesha等(1992,1997,2003)的結論和我們的結論中鈉層的質心高度下降和上升的幅度都很小,但是結果不盡相同,這可能是由于所用的數據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一步分析,另外,我們團隊鈉層風溫激光雷達從2017年起開展觀測,未來,我們將進一步分析鈉層質心高度與溫度的相關性.

圖5 2010—2021年鈉層質心高度的月平均值變化實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)報道的155 km處的鐵原子層,再到荀宇暢(2019)報道的200 km處的熱層鈉層,針對鈉層上邊界升高的這種現象,再結合本文第3節中的一個結論:鈉層的質心高度在升高,我們猜測鈉層質心高度的升高是否與鈉層上邊界的提高有關?于是我們對鈉層的垂直分布以及上邊界延伸高度進行了研究.

Clemesha等(2003)報道了103 km以上的密度增加可能與突發性鈉層的發生率增加有關.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,我們取各個年份鈉層垂直分布的半高全寬對應的上下邊界高度值進行比較,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,半高全寬對應的寬度范圍呈擴大趨勢,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,從表中的數據可以看出,鈉原子密度均值的十分之一集中出現在106～108 km范圍內;以0.4 cm-3為探測閾值的上邊界能夠到達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2018年11月—2019年12月的夜間數據進行分析,得出鈉層上邊界在大多數情況下可以達到120 km.鈉層上邊界的季節變化表現為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數據對鈉層的上邊界進行了分析,用各個年份探測閾值能達到0.4 cm-3的天數除以對應年份采集數據的天數,得出了如表4所示的2010—2021年的鈉層上邊界研究,從表中的數據可以看出,鈉層上邊界基本上都可以達到120 km;而上邊界達到130 km的概率除了2013、2014和2015年,其余年份基本維持在60%左右;而上邊界達到140 km的概率只有30%左右.上邊界達到任何高度的概率均沒有出現逐年增加的趨勢.該結果表明鈉層的上邊界提高并不是鈉層質心高度的升高引起的,近年來更高高度金屬層被發現和廣泛報道的主要原因更可能是激光雷達探測靈敏度的提升.

表4 鈉層上邊界可達到各個高度的概率

5 討論與結論

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數據進行分析,結果表明: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都呈現出正相關,太陽活動對鈉層的影響主要是由于溫度的變化會促進含鈉化合物與鈉原子之間的轉化.通過對相關性較弱的2019年的空間天氣進行分析,發現流星雨會對鈉原子密度的觀測產生顯著影響.延慶鈉層質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.在對鈉層垂直分布的分析中,發現從2018年開始半高全寬上邊沿的高度出現了升高,但是升高的幅度不大.通過對鈉層上邊界的分析,發現鈉層上邊界達到120 km的概率可以達到92.57%,但是從2010—2021年,鈉原子層的上邊界達到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逐年增加的趨勢,因此,我們認為激光雷達探測靈敏度的提升是目前更高高度金屬層被發現的主要原因.在后續的研究中,我們將進一步探索鈉層質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是否僅存在于北京延慶地區,不同緯度的鈉原子對太陽活動的響應是否存在差異.

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

推動激光雷達高靈敏度和多種類發展為中高層大氣的探測和研究提供了更有效的示蹤.未來,更大口徑的望遠鏡、更強能量的激光器將會進一步推進激光雷達對更高高度、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、風場、波動的探測.一些中等規模的激光雷達可以發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據,使MLT區域大氣密度、溫度、風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設施子午工程科學數據支持,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.