地球空间环境与大地测量教育部重点实验室

偶发金属层首次同时共体积的三激光雷达观测

   偶发金属原子层是指中间层/低热层中在狭窄高度区域内所发生的强暂态密度增长现象。这种现象以其快速的金属原子/离子产生和消失,多变的分层形态特征吸引了各国研究者的关注。虽然经过三十多年的观测和理论努力,其形成机制迄今不明。

    我们武汉大学激光雷达研究组在国际上首次开展了偶发金属层三激光雷达共体积同时观测[Yi et al., JASTP, 2013]。通过中性原子和离子的高精度和高分辨测量发现:偶发金属层通常是由多种金属原子/离子组成的混合体,三个不同种类金属原子或离子的密度增长出现在重叠的高度范围并呈现相同的运动。该结果建议,这些金属种类是相同源过程的产物。强的多金属偶发层被发现在更为细致的高度上显示出规则的高度关系( 1 2)Nas最高,FesNas0.1-~1kmCasFes低几百米, Cas+最低。这个高度次序与热消融理论中沸点依赖的差致消融一致(在流星消融的增温过程中,Na易熔,先期被释放,Fe属较难熔的金属,随后释放,三者中最难熔Ca,再后释放,产生离子需要更高的温度,因而Ca+最后出现),而与当今主流的理论解释-风剪切Es中离子中性化机制相矛盾(由于金属离子不同的质量,并且Fe相关的离子-分子化学反应比CaNa慢许多,按该理论不可能出现我们观测到的规则高度关系)。对于那些较弱或变形的多金属偶发事件,例外的情形可能出现,这一般可归结为主层密度分布和其它的暂态密度增长导致的层扭曲。

 1  武汉大学激光雷达同时测量的Na, FeCa密度剖面。注意三种金属的偶发层出现在相同的高度范围,但它们的垂直结构稍有不同(Nas峰最高,Fes峰比Nas峰低0.1-~1kmCas峰比Fes峰低几百米)

 2  武汉大学激光雷达同时测量的Na,FeCa+密度剖面。注意Cas+层更狭窄,其峰出现在比Fes峰更低的高度

 

我们的观测还表明,中层顶不存在持久的Ca+离子层,但存在持久的Ca原子层, Ca+离子以偶发层的形式出现。几个观测例子表明,Ca离子层的形成和变化滞后相伴的中性原子层5-10 min。这种滞后行为违背当今偶发金属原子层主流解释(偶发金属原子层是Es中的离子中性化形成)要求的因果关系。偶发Ca离子层与相伴的偶发铁和钠相比,层宽更窄,高度更低。我们的观测显示:弱单一种类的Ca离子层常常出现在100km以上的高度(见 2)。我们建议,它们是由高速微流星溅射消融直接产生。

我们在国际上首次全面质疑现有金属层理论框架和传统观念,指出现有理论中的关键假定与观测事实相悖,并基于观测事实提出了新概念(思想)[Yi et al.,JASTP,2013,见pp172-173 pp181-183]。分析武汉大学激光雷达多金属的观测结果并重新审视(revisit)早期发表的观测数据,根据基本的物理,我们推测:(1)由于常规的动力学(风和波)没能在偶发金属层上留下印记,偶发金属层的产生、维持和消除受非常快的过程所控制,层中金属原子的生命期非常短。(2)对于同时存在的金属原子/离子层,仅观测到它们密度(浓度)同时的增加和减少,未见到相反的变化。另外,不同金属种类相同的层整体运动特征和细致的高度差异与当今主流的偶发层形成理论(风剪切Es中离子中性化机制)不一致。这些结果表明,偶发层中的金属离子和原子来自相同的源过程。我们提出了新的偶发金属层形成机制:Ns/Eslarge swarms of micrometeoroids (cosmic dust)的直接消融的产物。我们的质疑和提出的新概念可能给金属层的认识以及整个中层顶区域基本物理过程的理解带来全新的改变。

[Yi et al., JASTP, 2013]发表后,巴西空间研究院的研究者对该工作进行了大量的引用和评价[Liu Clemesha et al., AG, 2013]。他们写道:

“Simultaneous and common-volume three-lidar observations of sporadic metal layers indicate that the sporadic metal layers are usually a mixture of multiple metal atom and ion species, and that the density enhancements of all the sporadic metal atom and ion species occur in an overlapping altitude range and move following almost the same track, suggesting that all these metal species in a mixture are a product of the same or similar source processes (Yi et al., 2013)”

       “Considering the extensive observations of the synchronous changes of metal atoms and ions/electrons, we question the suggestion that Nas layers are formed through the neutralization of Es layers and find it more probable that ionized Es layers and neutral Nas layers are formed by a common or similar source process: the direct ablation of large swarms of micrometeoroids as proposed by Liu and Yi (2009) and Yi et al. (2013).”

 

 

 

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