本文選題：鈉熒光測風測溫激光雷達　切入點：突發(fā)鈉層　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：中間層頂及低熱層(80-105 km)是大氣的一個過渡區(qū)域,由于太陽輻射的影響,該區(qū)域存在短期(周日變化,半日變化)及長期(大氣年震蕩,半年震蕩)變化,并受太陽11年活動周期影響。另外中間層及低熱層區(qū)域的大氣成分也十分復(fù)雜,它不只有大氣中的中性成分(氧氣分子和氮氣分子),由于這個高度有很強的光解作用,會產(chǎn)生大量的氧原子,另外由于流星常年飛過該區(qū)域時發(fā)生流星消融過程,在該區(qū)域注入很多金屬粒子(例如:鈉、鐵、鉀等),使得該區(qū)域形成了一個金屬層。這些金屬層的密度不僅會受動力學(xué)過程影響,同時還會受到化學(xué)過程的影響。鈉熒光測風測溫激光雷達,利用金屬原子熒光共振散射,可以同時測量中間層頂及低熱層(MLT,Mesopause and Lower Thermosphere)區(qū)域的溫度,風場及中性鈉原子密度。在鈉原子層某些高度,鈉原子的密度會突然增加幾倍甚至十幾倍并持續(xù)幾分鐘到幾小時,這種現(xiàn)象稱為突發(fā)鈉層。另外,最近在110-160公里高度,激光雷達觀測到有中性金屬原子存在,且金屬原子密度很低,這種現(xiàn)象叫做熱層金屬層。本論文利用兩套鈉熒光測風測溫激光雷達(]、中國合肥;2、智利)的觀測對突發(fā)鈉層及熱層鈉原子層的形成機制進行研究。利用中國合肥中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自主研制的鈉測風測溫激光雷達、武漢流星雷達及衛(wèi)星數(shù)據(jù)對一次重力波破碎及其之后發(fā)生的鈉層突發(fā)現(xiàn)象進行個例研究。發(fā)現(xiàn)該次重力波破碎事件影響范圍較廣,對大氣風場和溫度場有很強的作用。重力波破碎45分鐘之后,發(fā)生了的鈉層突發(fā)現(xiàn)象,突發(fā)鈉層首先在激光雷達西向通道被觀測到,兩分鐘之后才在東向通道出現(xiàn),出現(xiàn)高度及強度都有延遲,且該延遲持續(xù)一段時間,由此我們認為該次突發(fā)鈉層事件應(yīng)該是一次高密度鈉原子團傳輸形成的,根據(jù)激光雷達及流星雷達的大氣風場數(shù)據(jù),對該鈉原子團的傳輸方向、傳輸速度及水平尺度等參數(shù)進行了分析。美國Embry-Riddle Aeronautical University在智利的鈉測溫測風激光雷達,于2015年4月連續(xù)觀測到熱層鈉原子層現(xiàn)象,同時首次得到110-140km連續(xù)觀測的大氣風場數(shù)據(jù)。利用TIEGCM模式與激光雷達觀測的大氣風場進行對比,我們發(fā)現(xiàn)模式可以很好的模擬觀測的風場結(jié)果。利用模式水平風我們對熱層鈉原子層的成因進行了研究,經(jīng)過分析,我們發(fā)現(xiàn)熱層鈉出現(xiàn)在離子最大發(fā)散區(qū)附近,這說明鈉離子-電子中和理論無法解釋智利觀測到的熱層鈉原子層現(xiàn)象(因為鈉離子-電子中和理論需要在離子匯聚區(qū)發(fā)生并產(chǎn)生更多的鈉原子)。同時我們對不同季節(jié)、不同地點的熱層金屬原子層進行分析,發(fā)現(xiàn)中低緯度的熱層金屬原子層大都出現(xiàn)在離子最大發(fā)散區(qū)附近。在120 km以上,由于空氣密度很低,流星濺射過程可以直接注入金屬原子,另外大氣分子離子(NO+和O2+)可以通過化學(xué)反應(yīng)消耗鈉原子。根據(jù)以上結(jié)果,我們提出一種可能的熱層鈉原子層形成機制:首先流星濺射過程將金屬原子注入大氣中,而后在離子發(fā)散區(qū),大氣分子離子密度降低,增加鈉原子的化學(xué)壽命,使得鈉原子密度變大,從而被激光雷達觀測到。根據(jù)這一理論,我們進行了簡單模擬,模擬的熱層鈉原子層和觀測很一致。最后,我們就熱層鈉原子層的傳播特性進行了簡單分析。
[Abstract]:The middle and upper and lower thermosphere (80-105 km) is a transition region of the atmosphere, because of the influence of solar radiation in the region, there are short-term (Sunday, semidiurnal variation) and long-term (annual atmospheric turbulence, the first half of the shock) changes, and affected by the sun 11 year cycle of activity. In addition the middle layer and the lower thermosphere region the composition of the atmosphere is very complex, it is not only the neutral components in the atmosphere (oxygen and nitrogen molecules), because this is the height of photolysis is very strong, will produce a large number of oxygen atoms, also due to the flow of the ablation process occurred over the perennial star meteor in the region, in the region into many metal particles (such as: sodium, potassium, iron, etc.) the area formed in a metal layer. The metal layer will not only affect the density by kinetic process, but also affected by chemical process. The sodium fluorescence lidar wind temperature, using metal atomic fluorescence The resonance scattering can be measured at the same time, the middle and upper and lower thermosphere (MLT, Mesopause and Lower Thermosphere) the temperature, wind and neutral sodium atom density. In some highly sodium atomic layer, the density of sodium atoms will suddenly increase several times or even ten times and lasts a few minutes to several hours, this phenomenon is called burst the sodium layer. In addition, recently at an altitude of 110-160 km, the laser radar observed the presence of neutral metal atoms, and the metal atom density is very low, this phenomenon is called hot metal layers. This paper uses two sets of sodium fluorescence lidar (wind, Chinese Hefei; 2, Chile) observation to study the formation mechanism the sudden sodium layer and heat insulation layer. Using the sodium sodium atom wind lidar China Hefei developed by University of Science & Technology China, the Wuhan meteor radar and satellite data of a gravity wave breaking and after sodium Case studies found that the layer burst phenomenon. Gravity wave breaking events affecting a wide range, with a strong role of the atmospheric wind field and temperature field. After wave breaking 45 minutes, the sudden sodium layer phenomenon, sudden sodium layer first in the west to laser radar channel was observed after two minutes only in the East Channel, high intensity and delay, and the delay for a period of time, so we think that the sudden sodium layer events should be a high density of sodium atoms to form transmission, according to the atmospheric wind field data of laser radar and meteor radar, the transmission direction of the sodium atoms the transmission speed and the horizontal scale are analyzed. The Embry-Riddle Aeronautical University in the sodium temperature lidar in Chile in April 2015, observed a continuous layer of hot sodium layer phenomenon, and for the first time by 110- 140km atmospheric wind field data of continuous observation. Compared with the atmospheric wind field model and TIEGCM laser radar observations, we found that the simulation results of wind field observation mode can be very good. We are the causes of hot wind layer sodium atomic layer were studied using the model, through the analysis, we found that the thermal layer appears sodium in the vicinity of maximum ion divergence zone, indicating that the sodium ion electron neutralization theory cannot explain the observed thermal layer Chile sodium atom layer phenomenon (because the sodium ion - electron neutralization theory needs to produce more sodium atoms in the ion accumulation area and). At the same time we in different seasons, analyze the thermal layer of metal atomic layer in different locations the hot layer of metal atomic layer in the low latitude mostly appears in the nearby area. Ion maximum divergence is over 120 km, because the air density is very low, the meteor can be injected directly into the metal atom sputtering process, In addition the atmospheric molecular ions (NO+ and O2+) can consume sodium atoms by chemical reaction. According to the above results, we proposed a possible formation mechanism of sodium layer thermal atomic layer: the first meteor sputtering process metal atoms into the atmosphere, and then in the ion diffusion area, atmospheric molecular ion density decreases, increase the life of sodium atom chemistry so, the sodium atom density change, which was observed by laser radar. According to this theory, we conducted a simple simulation, simulation of the thermal layer sodium atomic layer and observation is very consistent. Finally, we made a simple analysis on the propagation characteristics of hot layer sodium atomic layer.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P35

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本文編號：1635782