金属层特性、金属层与电离层耦合机制研究

1）低热层钠层（105-120km）与Es相关性研究

我们利用延庆钠激光雷达的多年数据，低热层钠层（高度范围105-120km，又名“双钠层”）的气候学特征进行了研究。虽然低热层钠层在中纬地区很少出现，但我们从5年多的大量数据里面，一共发现三十多次低热层钠层，获得了低热层钠层高度分布、出现时段、季节变化等，并发现了其出现率与太阳活动的相关性。并且与附近的测高仪、流星雷达等设备的探测数据进行了对比，研究发现低热层钠层与电离层ES、风剪切有较好的相关性。该项研究很好地支持了风剪切促进ES中含钠离子中性化的观点，并发表在2020年的“Atmosphere”期刊上。

图1 低热层钠层示例

 上图是低热层钠层示例：图a 为2010年7月6日21:34的钠原子密度廓线图，在105-120km的范围内出现的独立于80-100 km主钠层的结构，称之为低热层钠层。图b可以看到低热层钠层最先出现在114 km 的高度，与主钠层完全分离，然后一直呈现下行运动，逐渐融入主钠层。

图2 热层钠层与太阳黑子数年变

上图a是低热层钠层发生频率的年变化。基于七年的观测数据，我们发现一个有趣的现象。在太阳活动较弱的2010、2011、2013、2016年，低热层钠层的发生频率较高，而在太阳活动较强烈的2012和2014年，低热层钠层偃旗息鼓，发生频率不到0.0025。唯一的例外2015年，太阳活动较弱，而热层钠层的发生率也极低，这可能是因为当年在低热层钠层高发的7、8月，激光雷达系统更新未开机观测，数据不足导致的。

是什么原因导致这种负相关呢?太阳活动对于中高层大气金属层的影响主要是通过引起温度、光电离和光离解比率的变化导致的[Dawkins et al. 2016]。在金属层的顶部，金属原子通过光致电离和电荷转移形成金属离子。温度和光致电离都与太阳活动周期有关[Forbes et al. 2014]。而强的太阳活动会通过增强光电离作用加速，并通过温度的提升加速，从而使得较高高度的金属原子含量降低，这可能是低热层钠层与太阳活动存在负相关趋势可能的原因。

图3 低热层钠层与Es发生率的逐月比较

上图是低热层钠层和Es发生率的逐月比较，虽然Es的发生率比热层钠层高，但两者在季节上有着非常相似的趋势，均集中在5-8月发生，而在冬季通常销声匿迹。

为了进一步研究低热层钠层与Es层的相关性，我们对于激光雷达和测高仪均有观测数据的32例事件进行了逐例分析，发现：有30例低热层钠层与Es事件相关，占总事件的为93.75%。仅有两例低热层钠层没有Es事件的伴随出现，该研究说明绝大多数低热层钠层的发生与Es相关。并且我们通过与流星雷达数据对比，发现低热层钠层与风剪切、潮汐活动都有较好的相关性。关于低热层钠层发生的发生机制，国内外研究人员提出的风剪切促进ES中含钠离子中性化，从而导致低热层钠层产生。我们的研究，通过大量的数据分析，很好地支持了上述观点。

2）巴西上空钾层特性的探测研究

使用位于南纬23度的中巴共建钠钾激光雷达，研究人员对南美地区的钾层进行了首次探测研究，获得了钾层的季节变化等特性，研究成果发表在2020年的JGR上：

图4：南纬23度的钾层季节变化（上）和钠层季节变化（下）

上图是南纬23度的钾层季节变化（上图）和钠层季节变化（下图），从图中可以看出，钾层的密度是冬天大、春秋小，这与其它地区的钾层探测结果类似。

上图是南纬23度的钾层和钠层的柱密度季节变化（a）、半宽度季节变化（b）、中心高度季节变化（c）。从图中可以看出：钾层柱密度季节变化仍然是冬天大春秋小、半宽度全年无明显的季节变化、而中心高度出现了冬天低春秋高的特点。