中纬度中间层顶钠原子密度高度分布的长期变化趋势研究(2010—2021)

陈峰磊,荀宇畅*,王泽龙,杜丽芳,郑浩然,徐亦萌,龚少华,4,王继红,杨国韬

1 太原理工大学物理与光电工程学院,太原 030024 2 国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室,北京 100190 3 江苏科技大学理学院,江苏镇江 212100 4 海南师范大学物理与电子工程学院,海口 571158

0 引言

每天都有大量的宇宙尘埃粒子进入大气层,在和大气分子碰撞摩擦过程中加热蒸发,在80～105 km区域形成钠、锂、钙、钾、铁等元素的金属层(Plane,1991;Plane et al.,2015).在105 km以上,受到太阳极紫外及X射线辐射的影响,金属元素通常会被电离,以离子的形态存在;在80 km以下,金属元素通常会和一些分子化合物结合,以化合物的形态存在;只有在80～105 km高度之间,金属元素通常以稳定的原子形态存在,其丰度取决于化学反应和动力学之间复杂的相互作用.Richter等(1981),She等(2000)、Xu和Smith(2003)指出金属层既会被低层大气的重力波与潮汐波影响,它的原子、离子以及化合物又会通过相互之间的化学反应形成循环,同时还会受到电离层的扰动,这些扰动都会受到太阳活动的影响(Elias et al.,2023;Chen et al.,2023;Yi et al.,2023),因此这些金属元素被认为是研究中高层大气很好的示踪物.对于这些持续存在的金属原子气候学变化的研究,一方面可以表征中高层大气对于太阳活动的响应,另一方面也可以表征中高层大气对于低层大气的影响.例如,Plane等(2015)和Akmaev等(2006)报道了中高层大气(约55～200 km)对温室气体浓度变化的敏感性;Dawkins等(2016)使用美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,简称NCAR)开发的综合数值大气模式——全大气层气候模型(Whole Atmosphere Community Climate Model,简称WACCM)来评估MLT(70～110 km)区域内K和Na对太阳活动的长期响应,并且使用了由Odin卫星上光学光谱仪和红外成像系统(Optical Spectrograph and InfraRed Imaging System,简称OSIRIS)测量的Na和K密度来验证WACCM模型预测的Na和K层的太阳活动长期响应,WACCM模拟数据显示K原子柱密度的变化与太阳活动呈现出显著的反相关,而Na原子柱密度却并没有明显的太阳周期响应,OSIRIS观测数据得到的趋势与WACCM模拟数据得到的趋势是一致的,但是定量分析存在较大差异.此外,该报道还使用了来自Kühlungsborn(54°N,12°E)的K激光雷达数据对WACCM模型预测的趋势进行了验证,但是缺少长期的Na激光雷达数据.

由于中高层大气钠原子密度较大,后向散射截面较大,钠D2跃迁波长对应的激光较容易获得,因此大气钠原子是目前探测最为广泛的成分.但是由于现阶段高空大气激光雷达需要人工值守、调试,长期、连续的观测非常困难,因此目前只有两个团队报道过激光雷达观测的钠原子层长期变化趋势.巴西的Clemesha等(2003)的团队报道了1972—2001年钠层质心高度的总体线性趋势为每十年下降93±53 m;美国She等(2009)的团队报道了基于多普勒钠荧光激光雷达观测的1990—2007年Fort Collins,Colorado上空的温度,呈现6.8 K/10a的降温趋势(去掉Pinatubo火山爆发造成的偶发性变暖);She等(2019)基于1990—2017年间科罗拉多州立大学/犹他州立大学Na激光雷达夜间温度观测结果,发现在不同高度,温度的长期变化趋势存在差异:85 km处,夜间平均温度存在小幅变暖;87～102 km范围内,夜间平均温度呈变冷趋势,在92 km处,冷却趋势达到最大值1.85±0.53 K/10a;102 km处,呈变暖趋势;夜间平均温度的太阳响应约为5±1 K/100SFU.这些激光雷达的长期观测为中高层大气气候学变化的研究提供了重要的数据支撑.

北京延庆(116.0°E,40.5°N)钠共振荧光激光雷达自2010年1月—2021年8月,每个晴朗的夜晚开展观测,已经积累了11年的数据.在本文中,我们对钠层密度的长期变化及其对太阳活动的响应、钠层的质心高度、垂直分布以及上边界延伸高度的长期变化进行了分析,得出了钠层密度与太阳活动的正相关趋势,钠层质心高度以及垂直分布的变化趋势,研究了上边界可以到达的高度以及其变化的原因.

1 实验仪器与数据反演

1.1 实验仪器

本文所用到的激光雷达原始数据来源于国家重大科技基础设施子午工程数据中心(https:∥data.meridianproject.ac.cn/).北京延庆钠共振荧光激光雷达主要由激光发射单元、信号接收单元、数据采集单元以及系统控制单元等四部分组成.激光发射单元使用掺钕钇铝石榴石(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet,简称Nd:YAG)激光器发出1064 nm的激光,经过倍频晶体产生532 nm的激光,再通过泵浦染料激光器产生589 nm的激光,通过扩束镜调整好激光的发散角和准直度,再由全反镜反射,沿垂直方向入射到地球大气中;信号接收单元主要由望远镜、滤波器、光电倍增管等设备组成.通过望远镜接收到全波段的光信号,再通过滤波器抑制掉其他波长的光,之后经过光电倍增管将光信号转换为电信号;数据采集单元采用光子计数卡将光电倍增管传递过来的各光电子脉冲逐一地记录下来,并将其以数字信号的形式储存到工控机中;系统控制单元通过计算机控制整个激光雷达系统的时序和延时,将激光发射单元、信号接收单元和数据采集单元有机地结合起来.如表1所示为延庆钠共振荧光激光雷达的参数.

表1 延庆钠共振荧光激光雷达的参数

1.2 数据反演

本文使用北京延庆钠共振荧光激光雷达所采集的2010年1月—2021年8月钠原子原始回波光子数,总观测时长为1374个观测日,其中2010年有159个观测日,2011年有182个观测日,2012年有122个观测日,2013年有169个观测日,2014年有117个观测日,2015年有33个观测日,2016年有58个观测日,2017年有79个观测日,2018年有130个观测日,2019年有135个观测日,2020年有135个观测日,2021年有55个观测日.此外我们在图1中给出了激光雷达自2010年1月至2021年8月的有效观测时间分布,横坐标表示年份,纵坐标表示该年的第几天.

图1 激光雷达2010年1月—2021年8月的有效观测时间分布

根据采集到的钠原子原始回波光子数,可以反演得到高空大气的钠原子数密度,反演方法如下:

(1)

其中z为共振荧光散射区的高度,zR为瑞利散射区的高度,nR(z)为瑞利高度处的大气密度(https:∥ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models/),NS(λ,z)为z处的回波光子数,NR(λ,z)为zR处的回波光子数,NB为噪声高度处的回波光子数,取150～180 km光子数的平均,σR(π,λ)为瑞利后向散射截面,σatom(λ)为钠原子有效散射截面,其值等于激光线型与钠原子谱线多普勒展宽的卷积.

为了提高数据的信噪比,反演过程中我们采用的光子数时间分辨率为5.5 min,空间分辨率为960 m.柱密度CS、质心高度zS的计算公式分别为

CS=m0,

(2)

(3)

其中mi的计算公式为

(4)

本文中z0取90 km,Δz0取40 km,nC(z)为式(1)中高度为z时的金属原子数密度.

对于延庆钠共振荧光激光雷达,钠原子数密度的探测误差,主要考虑光子数起伏的影响,其精度估算公式为

(5)

其中nC(z)为高度z处的钠原子数密度,NC(z)为高度z处的回波光子数.我们分别计算了峰值高度、100 km、110 km、120 km、130 km、140 km处的钠原子数密度均值以及探测误差,如表2所示.

表2 延庆钠共振荧光激光雷达的数密度均值以及探测误差

2 钠原子密度的太阳活动长期响应

2.1 钠原子密度的太阳活动长期响应

Dawkins等(2016)通过WACCM模型评估了MLT区域内钠和钾原子的太阳活动长期响应,太阳活动对金属原子的影响主要体现在两方面:光电离和光解离速率的变化以及温度的变化.光电离和光解离速率的变化对钾和钠金属层的影响是一样的,在太阳活动高年,光电离的速率变快,光解离的速率变慢,这会导致钾原子和钠原子减少,太阳活动低年则相反;在太阳活动高年,温度升高促进了金属化合物向原子的转换,使得钠原子和钾原子增多,太阳活动低年则相反,但由于钠和钾元素化学反应的活化能不同,所以温度变化对其反应速率的影响存在差异.由于钾的化合物转换出钾的反应活化能过高,在MLT区域内的温度状态下,含钾化合物向钾原子的转化很难发生,而相应的钠元素的反应较容易发生.综合以上两方面的影响,钾层与太阳活动呈现出显著的反相关,而钠层则没有相对明显的相关性.

为了研究钠层的太阳活动长期响应,我们首先求出2010—2021年钠原子密度的月均值,然后求出70～110 km钠原子柱密度的月均值;对于太阳黑子数据,我们求出2010—2021年太阳黑子数的月均值;最后将钠原子柱密度月均值与相应的太阳黑子数月均值进行比较,得到钠原子柱密度月均值与太阳黑子数月均值变化的平滑曲线对比(如图2所示),其中横坐标为时间,左侧的纵坐标为钠原子柱密度,右侧的纵坐标为太阳黑子数,图中显示,除了2019年钠原子柱密度的变化与太阳黑子数相关性较弱,其余年份则都呈现出正相关趋势.对于平滑后的钠原子柱密度和太阳黑子数,我们求出其皮尔逊相关系数为0.199,表明了钠原子柱密度与太阳黑子数具有相对较弱的正相关性.这与Dawkins等(2016)的模拟结果不同,在MLT区域内温度变化对钠元素化学反应的影响可能大于光电离和光解离速率的变化造成的影响,即在太阳活动高年,含钠化合物向钠原子的转化多于在这期间光电离消耗的钠原子,太阳活动低年则正好相反.

图2 2010—2021年钠原子柱密度月均值与太阳黑子数月均值的平滑曲线

针对2019年钠原子柱密度与太阳黑子数相关性较弱的情况,我们求出了2019年70～110 km的钠原子柱密度,并得出了如图3所示的2019年钠原子柱密度图,与以往季节变化呈现的钠原子密度冬季大,夏季小的特征(鲁正华,2019;龚少华等,2013)相比,可以看出7、8、9月份钠原子柱密度较大,所以2019年整体钠原子柱密度相对较大,从而影响了和太阳黑子数相关性的比较结果.

图3 2019年的钠原子柱密度实线代表数据的拟合趋势.

对于2019年7、8、9月钠原子柱密度较大的问题,我们查阅了2019年太阳耀斑和流星雨的观测(太阳耀斑: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月左右的太阳耀斑强度都没有超过M3;而7月和8月都出现了较大的流星雨,其中北半球三大流星雨的英仙座流星雨从7月17日开始持续到8月24日,并在8月13日达到极大;摩羯座流星雨从7月3日开始持续到8月15日,并在7月30日达到极大,这可能增加了突发钠原子的概率与密度,使得钠原子柱密度更高.

2.2 不同季节钠原子密度的太阳活动长期响应

由于钠原子密度具有冬季大,夏季小的季节变化特征,因此我们分别研究了冬季(12月,1月,2月)和夏季(6月,7月,8月)MLT区域钠原子密度的太阳活动长期响应.我们分别取2.1节中冬季和夏季的钠原子柱密度的月均值与相应的太阳黑子数月均值进行比较,2010—2021年冬季钠原子柱密度月均值与太阳黑子数月均值的平滑曲线比较如图4a所示,夏季钠原子柱密度月均值与太阳黑子数月均值的平滑曲线比较如图4b所示.冬季钠原子柱密度与太阳黑子数呈现出正相关趋势,而夏季的相关性则比较弱.我们求出其冬季时皮尔逊相关系数为0.367,而夏季时皮尔逊相关系数为-0.056,冬季相关性更好.这可能受到北京夏季阴雨天较多,夜晚时间较短的影响,夏季整体观测时长远远小于冬季.对于夏季钠原子密度的长期变化趋势可能还需要积累更多的观测数据.

图4 (a) 2010—2021年冬季钠原子柱密度月均值与太阳黑子数月均值的平滑曲线; (b) 2010—2021年夏季钠原子柱密度月均值与太阳黑子数月均值的平滑曲线

3 钠层质心高度的长期变化

Akmaev等(2006)报道了全球气温趋势在平流层顶与中间层区域(约50～70 km)介于-2～-2.5 K/10a,而在中层顶区域降温趋势逐渐减小,并在接近100 km时气温变化趋势转为逐年增加.Yuan等(2019)对1990—2018年的钠激光雷达温度数据进行研究,报道了中层顶温度超过2 K/10a的冷却趋势.Zhao等(2020)通过研究SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)观测仪所探测的2002—2019年的温度,报道了各纬度的中层顶温度在0～-0.14 K/a的范围内呈降温趋势,平均为-0.075±0.043 K/a,其中40°N处的降温趋势仅为-0.003 K/a.Clemesha等(1997)报道了São José dos Campos(23°S,46°W)上空1972—1994年间钠层质心高度平均每年下降37±9 m,并且通过对大气钠层垂直分布的分析,发现钠层质心高度的下降与钠层底部凸起有关,并不仅仅是由钠剖面的简单垂直位移引起的.Clemesha等(2003)报道了钠层质心高度的下降趋势,在对大气钠层垂直分布的研究中,发现以1979年和1995年为中心的钠层垂直分布的15年平均轮廓在大部分高度上几乎是相同的,这一结果表明钠层质心高度下降并非高层大气长期全球冷却的直接结果.

本文中,我们对北京延庆一个太阳活动周期的钠层质心高度变化进行分析.对钠原子质心高度做了月均值处理,并且对这些数据做了置信度分析,置信区间的计算公式为:

(6)

其中ci表示置信区间,mean表示样本均值,std表示样本标准差,N(ppf)表示正态分布的百分点函数,α是显著性水平,α的取值跟样本量有关,本文的样本量为130,因此取α为0.05,对应的置信度为95%,计算得到置信区间为(91.35,91.60),即有95%的把握相信钠原子质心高度的月均值位于91.35～91.60 km之间.如图5所示为2010—2021年的钠层质心高度的月平均值变化,从图中可以看出,从2010—2021年的钠层质心高度呈现出上升的趋势,并且在这段期间,延庆钠层质心高度的线性趋势总共上升了311.4±706.6 m,这与Clemesha等(1992,1997,2003)报道的在南半球巴西São José dos Campos(23°S,46°W)的钠层质心高度变化趋势不同,但可以支持Clemesha等(1997,2003)提出的大气钠层质心高度的趋势不是高层大气长期全球冷却的直接后果的观点.如果是由于温室气体浓度增加导致高层大气长期冷却,那么冷却将导致等压层高度的降低,从而导致该层的大气烧蚀源高度的降低,进而造成钠层质心高度的降低,而本文得到的结论中,大气钠层质心高度是升高的.Clemesha等(1992,1997,2003)的结论和我们的结论中钠层的质心高度下降和上升的幅度都很小,但是结果不尽相同,这可能是由于所用的数据处于不同的太阳周期或者不同的地理位置引起的,未来还需要更多的观测来做进一步分析,另外,我们团队钠层风温激光雷达从2017年起开展观测,未来,我们将进一步分析钠层质心高度与温度的相关性.

图5 2010—2021年钠层质心高度的月平均值变化实线代表拟合的线性趋势.

4 钠层的垂直分布及上边界延伸高度

近些年来,金属层的探测上限在不断提高,从Gong等(2003)观测到的120 km处的钠原子层,到Liu等(2016)观测到的140 km处的热层钠层,再到Chu等(2011)报道的155 km处的铁原子层,再到荀宇畅(2019)报道的200 km处的热层钠层,针对钠层上边界升高的这种现象,再结合本文第3节中的一个结论:钠层的质心高度在升高,我们猜测钠层质心高度的升高是否与钠层上边界的提高有关?于是我们对钠层的垂直分布以及上边界延伸高度进行了研究.

Clemesha等(2003)报道了103 km以上的密度增加可能与突发性钠层的发生率增加有关.针对103 km以上的密度增加,我们对北京延庆2010年1月—2021年8月的钠原子密度进行了处理,首先求出各个年份的钠原子密度年均值ny,然后计算每一个高度处的钠原子密度年均值nh,之后将各个年份每一个高度处的钠原子密度年均值除以其对应年份的钠原子密度年均值nh/ny,作为这一年这一高度处的归一化密度,将同一年不同高度处的归一化密度作出折线图,如图6a所示.从该图中可以看出,各个年份的钠层垂直分布都会出现变化,103 km以上的密度有增加也有减少.为了使得图像更容易观察,我们取各个年份钠层垂直分布的半高全宽对应的上下边界高度值进行比较,如图6b所示.从图中可以看出,2018年之前,钠层垂直分布范围有增大也有减小.自2018年起,半高全宽对应的宽度范围呈扩大趋势,且上边界的高度略有增加,增加幅度为0.332 km·a-1.

图6 (a) 2010—2021年各个年份的钠层垂直分布对比图; (b) 2010—2021年各个年份的钠层垂直分布的半高全宽对应的高度的变化

为了研究钠层上边界可延伸到的最高高度,我们研究了100～140 km的钠层垂直分布,得出了如表3所示的100～140 km的钠层垂直分布,从表中的数据可以看出,钠原子密度均值的十分之一集中出现在106～108 km范围内;以0.4 cm-3为探测阈值的上边界能够到达的高度并不是逐年增加的(表中“-”表示钠层上边界不在100～140 km高度范围,可能出现在了更高的高度).

表3 100～140 km的钠层垂直分布的研究

徐亦萌等(2022)通过对钠荧光激光雷达2018年11月—2019年12月的夜间数据进行分析,得出钠层上边界在大多数情况下可以达到120 km.钠层上边界的季节变化表现为5—6月份较高,2—3月份最低.我们基于北京延庆2010年1月—2021年8月的钠共振荧光激光雷达数据对钠层的上边界进行了分析,用各个年份探测阈值能达到0.4 cm-3的天数除以对应年份采集数据的天数,得出了如表4所示的2010—2021年的钠层上边界研究,从表中的数据可以看出,钠层上边界基本上都可以达到120 km;而上边界达到130 km的概率除了2013、2014和2015年,其余年份基本维持在60%左右;而上边界达到140 km的概率只有30%左右.上边界达到任何高度的概率均没有出现逐年增加的趋势.该结果表明钠层的上边界提高并不是钠层质心高度的升高引起的,近年来更高高度金属层被发现和广泛报道的主要原因更可能是激光雷达探测灵敏度的提升.

表4 钠层上边界可达到各个高度的概率

5 讨论与结论

本文中,我们通过对北京延庆2010年1月—2021年8月的钠共振荧光激光雷达数据进行分析,结果表明:钠原子柱密度的长期变化显著,且除了2019年之外,其余年份钠原子柱密度与太阳黑子数都呈现出正相关,太阳活动对钠层的影响主要是由于温度的变化会促进含钠化合物与钠原子之间的转化.通过对相关性较弱的2019年的空间天气进行分析,发现流星雨会对钠原子密度的观测产生显著影响.延庆钠层质心高度的线性趋势总共上升了311.4±706.6 m,长期变化趋势并不显著,这可能与流星消融的高度变化不大有关.在对钠层垂直分布的分析中,发现从2018年开始半高全宽上边沿的高度出现了升高,但是升高的幅度不大.通过对钠层上边界的分析,发现钠层上边界达到120 km的概率可以达到92.57%,但是从2010—2021年,钠原子层的上边界达到110 km、120 km、130 km、140 km的概率并没有逐年增加,以0.4为探测阈值的上边界也没有呈现逐年增加的趋势,因此,我们认为激光雷达探测灵敏度的提升是目前更高高度金属层被发现的主要原因.在后续的研究中,我们将进一步探索钠层质心高度变化的影响因素,以及钠层密度的太阳活动长期响应是否仅存在于北京延庆地区,不同纬度的钠原子对太阳活动的响应是否存在差异.

近些年来,激光雷达的发展突飞猛进,从1969年,Bowman等(1969)首次开始了激光雷达对于钠的探测,之后美国的Hake等(1972)、法国的Megie和Blamont(1977)、巴西的Simonich等(1979)、苏联的Juramy等(1981)、加拿大的Pfrommer和Hickson(2010)、中国科学技术大学的Dou等(2013)、中国科学院国家空间科学中心的焦菁(2015)、巴西的Andrioli等(2020)也开始利用激光雷达对钠原子进行探测,近几十年以来,全球范围激光器的脉冲能量在不断地提升,望远镜的直径也在不断地扩大,因此,激光雷达的探测能力在不断地增强,针对镍、钙、钾等密度较小原子的探测也在逐步开展.

推动激光雷达高灵敏度和多种类发展为中高层大气的探测和研究提供了更有效的示踪.未来,更大口径的望远镜、更强能量的激光器将会进一步推进激光雷达对更高高度、更微弱的大气金属层及以大气金属层为示踪剂的大气温度、风场、波动的探测.一些中等规模的激光雷达可以发展为全日覆盖和自主操作,这将有助于收集更为长期的观测数据,使MLT区域大气密度、温度、风场长期演化趋势及其受太阳活动影响等方面的研究成为可能.

致谢感谢国家重大科技基础设施子午工程科学数据支持,感谢评审专家在百忙之中提出的宝贵建议以及编辑给予的帮助.