中间层金属钠层对低层大气雷暴活动响应研究新进展

发布日期: 
2017-09-25

      近日,地空学院窦贤康教授课题组薛向辉教授首次利用子午工程海口钠荧光共振激光雷达和全球闪电定位系统观测数据报道了低纬海口地区中间层金属钠层对低层大气雷暴活动存在明显响应,钠层密度显著增强的现象。该研究成果以 “The enhancement of neutral metal Na layer above thunderstorms” 为题发表于国际顶级地球物理期刊《Geophysical Research Letters》(GRL,DOI: 10.1002/2017GL074977)。该研究论文的通讯作者为薛向辉教授,第一作者为我院博士研究生于秉坤。

      地球中间层大气(Mesosphere)是距地球海平面以上约50-100 km的大气,该区域不仅有大气中的中性成分,同时由于流星在该区域注入烧蚀,形成了诸如钠、铁、镁、钾等金属层。钠荧光共振激光雷达,利用金属钠原子的荧光共振后向散射信号,可以测量中间层顶及低热层(MLT, Mesopause and Lower Thermosphere)区域中性钠原子密度。中间层和热层的金属钠层的形态结构和时空变换规律,一直是高层大气研究中的一个重要的关注点。该区域不仅受到大气动力学过程和化学过程的影响,同时还受到低层大气强对流活动和雷暴活动的影响。

      电离层的变化普遍认为是由太阳辐射和地磁活动变化引起的,而最近的一些研究表明对流层的雷暴等一些强对流天气以及与闪电有关的sprites 、elves 高层大气光学现象也可能对低电离层产生影响。中高层大气瞬态发光现象(TLEs, Transient Luminous Events)是对流层闪电在40-90 km中间层激发的光学现象,成为对流层强雷暴活动影响中高层大气和低电离层的直接观测证据,对于地球大气各区域间的耦合机制讨论成为这一研究的重要问题。

      该研究团队利用子午工程海南观测站的钠荧光共振激光雷达和全球闪电定位系统(The World Wide Lightning Location Network) 2010到2013年观测数据,分析了在激光雷达观测站点地理经度纬度1度(约一百公里)范围内的闪电分布情况(图1)。利用时序叠加统计研究首次发现了闪电发生之后金属钠层均值和中值密度都出现显著增强的现象(图2)。该研究结果揭示了低层大气通过强雷暴活动和中高层大气中的金属原子成分耦合的新现象,表明雷暴活动可能通过激发重力波向上传输能量以及闪电的强电磁效应对中间层金属钠层产生影响。

图1. 钠激光雷达观测站点范围内的闪电分布

图2. 中间层金属钠层密度(84-100km)与对流层闪电关系。(a)钠层密度均值变化,(b)钠层密度中值变化,(c和d)将钠层密度随机后的均值和中值变化。

 

该研究工作得到了国家自然科学基金、科学院青年创新促进会的资助。论文链接如下:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL074977/full