子午工程成果报道篇 | 大气中的金属离子：跨越天南地北，一直追逐夏日

地球大气层的金属物质从哪里来？它的空间分布和时间变化又是如何？大气金属层的存在对我们人类生活有哪些影响？这些都是大气和空间科学领域一直关注的问题。

近日，空间环境地基综合监测网（子午工程）建设团队成员—中国科学技术大学地球和空间科学学院、中科院近地空间环境重点实验室薛向辉教授研究团队，利用子午工程空间环境地基台站的电离层数字测高仪数据和GNSS无线电掩星数据，首次发现大气金属离子层（电离层突发E层，Es层）从冬季半球向夏季半球的子午输运过程，解释了长期未解决的电离层Es层随季节变化的原因和形成机制。该研究工作被欧洲地球科学联合会（EGU）和期刊选为亮点研究，并展示在EGU官网首页（https://www.egu.eu/）。

图1 全球金属离子（电离层Es）的跨半球子午输运示意图

地球大气金属成分的主要来源是消融的流星体，当流星体穿越地球大气层时与大气剧烈摩擦、烧蚀，从而形成富含钠、铁、钾、钙等金属原子和离子的金属层。金属层位于中间层顶，是地球大气最冷的区域，最低温度达到150K-180K（零下100摄氏度左右）。这一区域是中性大气到电离层的过渡区域，也是地球大气和外空间交汇的区域，既受到太阳活动和各种极端空间天气的影响，又受到地面红外辐射和低层大气扰动的影响，因此其中的动力学和光化学过程变得尤为复杂。大气金属原子和离子可以作为很好的示踪物，用来研究这一区域复杂多变的电动力学和化学过程。同时，稠密的金属离子层还会显著的影响无线电通讯，对卫星通讯导航和高精度定位造成严重干扰。因此，研究金属层的形成和时空演化过程将进一步加深我们对临近空间环境变化特性的理解。

中间层顶区域的研究一直受限于缺乏长期有效的观测，一方面卫星运行轨道太高，难以对该区域提供高精度的测量，另一方面地面上常规的探空气球等手段对低层大气观测有效，却无法观测到相对较高的中间层顶区域。近年来，我国子午工程建成了沿东经120°子午线，北起漠河，经北京、武汉，南至海南的空间环境地基监测系统，其中漠河、北京、武汉、邵阳、三亚多台站成链的数字测高仪在该研究中发挥了重要作用。研究团队利用COSMIC卫星无线电掩星数据，结合子午工程和英国卢瑟福•阿普尔顿实验室沿东经120°和0°本初子午线附近的地基观测台站数据，发现大气金属离子存在着从冬季半球向夏季半球的水平运动，金属离子以日行千里的速度（实际经向离子速度为1-10 m/s）跨越南北半球，一直追逐着夏日，这一全球金属离子跨半球的大尺度运动现象主要是受大气环流影响。此外，该工作还利用全大气化学耦合模式WACCM对大气金属离子的季节输运过程进行模拟，发现模拟结果与卫星和地基观测结果一致。该研究成果对进一步理解电离层等离子不均匀体的形成和演变提供了重要的观测和理论依据。

图2 大气金属离子层从冬季半球向夏季半球的水平运动变化（卫星观测）和低热层大气经向环流引起的离子运动（黄色箭头，模拟计算得到的离子垂直和经向运动速度）

图3 国内子午工程和英国卢瑟福•阿普尔顿实验室的地基台站观测到金属离子夏季峰值随纬度由低到高依次出现

子午工程是目前世界上跨度最长（跨越地球纬度范围达130°）、功能最全、综合性最高的空间环境监测链之一。已开工建设的子午工程二期将极大的扩展我国对空间环境的综合监测手段，从“链条”模式发展为“两横两纵”的地基监测网，这将极大的提高我们对空间环境的监测能力！

文章链接：

https://doi.org/10.5194/acp-21-4219-2021