我院中高层大气研究团队在中高层大气对低层大气响应研究中取得重要进展

地空学院中高层大气研究团队在中高层大气对低层大气响应研究中取得重要进展，揭示了中性大气、电离成分和低层大气雷暴活动耦合中的物理机制，相关成果以“The Intensification of Metallic Layered Phenomena Above ThunderstormsThrough the Modulation of Atmospheric Tides”为题于11月29日在线发表于《ScientificReports》。

地球大气中间层和低热层是覆盖从70公里到110公里垂直高度的地球高层大气区域。这一区域是大气从中性层向部分电离层的过渡区域，也是外空间和地球大气交汇的关键节点，既受到太阳活动和各种极端空间天气的影响，又受到低层大气强对流天气和雷暴活动的影响。深入理解这一区域的垂直耦合和能量输运过程，探索和完善临近空间区域的观测和理论体系，将为有关航空、航天飞行任务所需的临近空间环境保障，未来深空探测任务的安全实施，空间天气的准确预报提供重要的科学基础。

研究团队在前期工作中（Yuet al., 2017, GRL, 44, 19）首次发现了闪电发生之后中间层金属钠层均值和中值密度都出现显著增强的现象，证实了低层大气通过强雷暴活动与中高层大气存在相互耦合，该论文同时选为GRL当期Journal Highlights和Editor’s Highlight文章。但这一现象的物理机制一直没有得到很好的解释，值得进一步探索和研究。

大气中间层和低热层区域一直是传统大气观测的探测盲区，在最新的工作中，研究团队利用独立自主研制的激光雷达观测系统，蒙城地球物理国家野外观测台站和国家重大科技基础设施项目“东半球空间环境地基综合检测子午链”工程（子午工程）的多台站的空间环境地基监测系统观测数据，对中高层大气金属离子、中性金属原子和低层大气雷暴活动耦合过程中的动力学和化学过程进行了模拟（图1）和联合观测（图2）。雷暴，作为发生在低层大气对流层中最为剧烈、频繁的强对流天气系统，通过激发的大气波动和高能电磁辐射，实现低层大气到中高层的能量传输，影响电离层的电子分布和密度。在这一过程中，地球潮汐风场影响着金属成分的动力学过程。雷暴中增强的电离层突发E层中的大量金属离子和电子随着周日和半日潮汐的下行相位逐步下降到100公里以下的高度，粒子间的碰撞作用显著增加而带电粒子的磁回旋运动减弱，经过中间层金属中性成分、离子成分以及离子聚合物之间的一系列化学反应，产生了大量的中性金属原子，最终观测到与雷暴相关的中间层金属钠层钠原子密度增强的现象。

红色精灵(Redsprites)和精灵晕盘(Halos)等中高层瞬态发光现象同样发生在中间层和低热层区域，是最为直接、最为显著的雷暴活动和中高层大气相互作用的光学观测证据，而这样的现象和雷暴过程中的中高层大气金属成分显著增加是否相关，也值得进一步研究。

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等资助。同时，子午工程、中国电波传播研究所、武汉大学、武汉数学物理所、蒙城地球物理国家野外观测站为本研究提供数据支持。薛向辉教授为通讯作者，于秉坤博士为论文第一作者，论文链接如下：https://www.nature.com/articles/s41598-019-54450-1

相关论文：

Yu B., Xue X., Kuo C., Lu G., ScottC., Wu J., Ma J., Dou X., Gao Q., Ning B., Hu L., Wang G., Jia M., Yu C., andQie X. (2019). The intensification ofmetallic layered phenomena above thunderstorms through the modulation ofatmospheric tides, Sci Rep 9, 17907.doi:10.1038/s41598-019-54450-1

Yu B., Xue X., Lu G., Kuo C., DouX., Gao Q., Qie X., Wu J., Qiu S., Chi Y., and Tang Y. (2017). The enhancementof neutral metal Na layer above thunderstorms, Geophysical Research Letters,44(19): 9555-9563. doi:10.1002/2017GL074977

图1. 中高层大气金属成分受周日和半日潮汐调制的模拟

图2. 雷暴活动期间，多台站激光雷达、电离层数字测高仪、流星雷达对中高层大气金属成分和大气风场的联合观测