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(zhèn)江 212100 4 海南師范大學物理與電子工程學院,海口 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(fā),在80～105 km區(qū)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(tài)存在;在80 km以下,金屬元素通常會和一些分子化合物結(jié)合,以化合物的形態(tài)存在;只有在80～105 km高度之間,金屬元素通常以穩(wěn)定的原子形態(tài)存在,其豐度取決于化學反應(yīng)和動力學之間復(fù)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(yīng)形成循環(huán),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(xù)存在的金屬原子氣候?qū)W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(yīng),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(fā)的綜合數(shù)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(qū)域內(nèi)K和Na對太陽活動的長期響應(yīng),并且使用了由Odin衛(wèi)星上光學光譜儀和紅外成像系統(tǒng)(Optical Spectrograph and InfraRed Imaging System,簡稱OSIRIS)測量的Na和K密度來驗證WACCM模型預(yù)測的Na和K層的太陽活動長期響應(yīng),WACCM模擬數(shù)據(jù)顯示K原子柱密度的變化與太陽活動呈現(xiàn)出顯著的反相關(guān),而Na原子柱密度卻并沒有明顯的太陽周期響應(yīng),OSIRIS觀測數(shù)據(jù)得到的趨勢與WACCM模擬數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對WACCM模型預(yù)測的趨勢進行了驗證,但是缺少長期的Na激光雷達數(shù)據(jù).

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(yīng)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(xiàn)階段高空大氣激光雷達需要人工值守、調(diào)試,長期、連續(xù)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(zhì)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(xiàn)6.8 K/10a的降溫趨勢(去掉Pinatubo火山爆發(fā)造成的偶發(fā)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(jié)果,發(fā)現(xiàn)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(nèi),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(yīng)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?qū)W變化的研究提供了重要的數(shù)據(jù)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(jīng)積累了11年的數(shù)據(jù).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(yīng)、鈉層的質(zhì)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(guān)趨勢,鈉層質(zhì)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(shù)據(jù)反演

1.1 實驗儀器

本文所用到的激光雷達原始數(shù)據(jù)來源于國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程數(shù)據(jù)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(fā)射單元、信號接收單元、數(shù)據(jù)采集單元以及系統(tǒng)控制單元等四部分組成.激光發(fā)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(fā)出1064 nm的激光,經(jīng)過倍頻晶體產(chǎn)生532 nm的激光,再通過泵浦染料激光器產(chǎn)生589 nm的激光,通過擴束鏡調(diào)整好激光的發(fā)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(shè)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(jīng)過光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號;數(shù)據(jù)采集單元采用光子計數(shù)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(shù)字信號的形式儲存到工控機中;系統(tǒng)控制單元通過計算機控制整個激光雷達系統(tǒng)的時序和延時,將激光發(fā)射單元、信號接收單元和數(shù)據(jù)采集單元有機地結(jié)合起來.如表1所示為延慶鈉共振熒光激光雷達的參數(shù).

表1 延慶鈉共振熒光激光雷達的參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)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(shù),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(jù)采集到的鈉原子原始回波光子數(shù),可以反演得到高空大氣的鈉原子數(shù)密度,反演方法如下:

(1)

其中z為共振熒光散射區(qū)的高度,zR為瑞利散射區(qū)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(shù),NR(λ,z)為zR處的回波光子數(shù),NB為噪聲高度處的回波光子數(shù),取150～180 km光子數(shù)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(shù)據(jù)的信噪比,反演過程中我們采用的光子數(shù)時間分辨率為5.5 min,空間分辨率為960 m.柱密度CS、質(zhì)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(shù)密度.

對于延慶鈉共振熒光激光雷達,鈉原子數(shù)密度的探測誤差,主要考慮光子數(shù)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(shù)密度,NC(z)為高度z處的回波光子數(shù).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(shù)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(shù)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(yīng)

2.1 鈉原子密度的太陽活動長期響應(yīng)

Dawkins等(2016)通過WACCM模型評估了MLT區(qū)域內(nèi)鈉和鉀原子的太陽活動長期響應(yīng),太陽活動對金屬原子的影響主要體現(xiàn)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(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)的活化能不同,所以溫度變化對其反應(yīng)速率的影響存在差異.由于鉀的化合物轉(zhuǎn)換出鉀的反應(yīng)活化能過高,在MLT區(qū)域內(nèi)的溫度狀態(tài)下,含鉀化合物向鉀原子的轉(zhuǎn)化很難發(fā)生,而相應(yīng)的鈉元素的反應(yīng)較容易發(fā)生.綜合以上兩方面的影響,鉀層與太陽活動呈現(xiàn)出顯著的反相關(guān),而鈉層則沒有相對明顯的相關(guān)性.

為了研究鈉層的太陽活動長期響應(yīng),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(shù)據(jù),我們求出2010—2021年太陽黑子數(shù)的月均值;最后將鈉原子柱密度月均值與相應(yīng)的太陽黑子數(shù)月均值進行比較,得到鈉原子柱密度月均值與太陽黑子數(shù)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(cè)的縱坐標為鈉原子柱密度,右側(cè)的縱坐標為太陽黑子數(shù),圖中顯示,除了2019年鈉原子柱密度的變化與太陽黑子數(shù)相關(guān)性較弱,其余年份則都呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢.對于平滑后的鈉原子柱密度和太陽黑子數(shù),我們求出其皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.199,表明了鈉原子柱密度與太陽黑子數(shù)具有相對較弱的正相關(guān)性.這與Dawkins等(2016)的模擬結(jié)果不同,在MLT區(qū)域內(nèi)溫度變化對鈉元素化學反應(yīng)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(zhuǎn)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(shù)月均值的平滑曲線

針對2019年鈉原子柱密度與太陽黑子數(shù)相關(guān)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(jié)變化呈現(xiàn)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(shù)相關(guān)性的比較結(jié)果.

圖3 2019年的鈉原子柱密度實線代表數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xù)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(xù)到8月15日,并在7月30日達到極大,這可能增加了突發(fā)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(jié)鈉原子密度的太陽活動長期響應(yīng)

由于鈉原子密度具有冬季大,夏季小的季節(jié)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(qū)域鈉原子密度的太陽活動長期響應(yīng).我們分別取2.1節(jié)中冬季和夏季的鈉原子柱密度的月均值與相應(yīng)的太陽黑子數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢,而夏季的相關(guān)性則比較弱.我們求出其冬季時皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.367,而夏季時皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.056,冬季相關(guān)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(shù)據(jù).

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

3 鈉層質(zhì)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(qū)域(約50～70 km)介于-2～-2.5 K/10a,而在中層頂區(qū)域降溫趨勢逐漸減小,并在接近100 km時氣溫變化趨勢轉(zhuǎn)為逐年增加.Yuan等(2019)對1990—2018年的鈉激光雷達溫度數(shù)據(jù)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(nèi)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(zhì)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(fā)現(xiàn)鈉層質(zhì)心高度的下降與鈉層底部凸起有關(guān),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(zhì)心高度的下降趨勢,在對大氣鈉層垂直分布的研究中,發(fā)現(xiàn)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(jié)果表明鈉層質(zhì)心高度下降并非高層大氣長期全球冷卻的直接結(jié)果.

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

(6)

其中ci表示置信區(qū)間,mean表示樣本均值,std表示樣本標準差,N(ppf)表示正態(tài)分布的百分點函數(shù),α是顯著性水平,α的取值跟樣本量有關(guān),本文的樣本量為130,因此取α為0.05,對應(yīng)的置信度為95%,計算得到置信區(qū)間為(91.35,91.60),即有95%的把握相信鈉原子質(zhì)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(zhì)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(zhì)心高度呈現(xiàn)出上升的趨勢,并且在這段期間,延慶鈉層質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(dǎo)致高層大氣長期冷卻,那么冷卻將導(dǎo)致等壓層高度的降低,從而導(dǎo)致該層的大氣燒蝕源高度的降低,進而造成鈉層質(zhì)心高度的降低,而本文得到的結(jié)論中,大氣鈉層質(zhì)心高度是升高的.Clemesha等(1992,1997,2003)的結(jié)論和我們的結(jié)論中鈉層的質(zhì)心高度下降和上升的幅度都很小,但是結(jié)果不盡相同,這可能是由于所用的數(shù)據(jù)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(zhì)心高度與溫度的相關(guān)性.

圖5 2010—2021年鈉層質(zhì)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(xiàn)象,再結(jié)合本文第3節(jié)中的一個結(jié)論:鈉層的質(zhì)心高度在升高,我們猜測鈉層質(zhì)心高度的升高是否與鈉層上邊界的提高有關(guān)?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(fā)性鈉層的發(fā)生率增加有關(guān).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(yīng)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(xiàn)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?nèi)「鱾€年份鈉層垂直分布的半高全寬對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shù)據(jù)可以看出,鈉原子密度均值的十分之一集中出現(xiàn)在106～108 km范圍內(nèi);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(xiàn)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(shù)據(jù)進行分析,得出鈉層上邊界在大多數(shù)情況下可以達到120 km.鈉層上邊界的季節(jié)變化表現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)除以對應(yīng)年份采集數(shù)據(jù)的天數(shù),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(shù)據(jù)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(xiàn)逐年增加的趨勢.該結(jié)果表明鈉層的上邊界提高并不是鈉層質(zhì)心高度的升高引起的,近年來更高高度金屬層被發(fā)現(xiàn)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(jié)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(shù)據(jù)進行分析,結(jié)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(shù)都呈現(xiàn)出正相關(guān),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(zhuǎn)化.通過對相關(guān)性較弱的2019年的空間天氣進行分析,發(fā)現(xiàn)流星雨會對鈉原子密度的觀測產(chǎn)生顯著影響.延慶鈉層質(zhì)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(guān).在對鈉層垂直分布的分析中,發(fā)現(xiàn)從2018年開始半高全寬上邊沿的高度出現(xiàn)了升高,但是升高的幅度不大.通過對鈉層上邊界的分析,發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)的主要原因.在后續(xù)的研究中,我們將進一步探索鈉層質(zhì)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(yīng)是否僅存在于北京延慶地區(qū),不同緯度的鈉原子對太陽活動的響應(yīng)是否存在差異.

近些年來,激光雷達的發(fā)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(lián)的Juramy等(1981)、加拿大的Pfrommer和Hickson(2010)、中國科學技術(shù)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(fā)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(guī)模的激光雷達可以發(fā)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(shù)據(jù),使MLT區(qū)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(chǔ)設(shè)施子午工程科學數(shù)據(jù)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.