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铁、钠流星尾迹的激光雷达观测研究及钠层全天时观测技术

曾令旗  
【摘要】:每天大约有100吨的流星体物质从外太空注入地球大气并且最终落在地球表面,但是我们对流星体的消融过程了解甚少。此外,由流星消融引起的Na、Fe、K、Ca等金属的注入量—金属层模型中的重要参量—尚未得到测量。尽管聚集在中间层顶区域80-110km的金属原子层被认为来源于流星消融,但是还没有发现流星注入和金属原子层的变化有明显的联系。偶发层是指在一个狭窄的高度范围里出现的大幅度增长的密度层。多年来,人们已经提出了多种偶发层形成机制,但是尚未有一种机制能完全解释观测到的所有偶发层现象。深入研究偶发层的特征对探明其形成机制非常重要。共振激光雷达在中间层顶金属层的研究中发挥着重要作用,但是受太阳辐射背景的影响,大部分雷达只能在夜间工作,研制能全天时工作的激光雷达很有必要。 本论文首先介绍共振荧光激光雷达对武汉上空Fe、Na流星尾迹近两年观测的研究结果,接下来介绍了基于Fabry-Perot标准具的激光雷达Na层全天时观测技术,最后描述了偶发Fe、Na层的短时变化的特点。主要研究内容如下: 1.通过近两年的激光雷达观测,得到了武汉上空(30°N,114°E)铁、钠原子流星尾迹的分布特征和流星体的差分消融特征。分别从260小时的铁光了计数剖面和320小时的钠光了计数剖面里,筛选出了155个Fe尾迹和136个Na尾迹,铁、钠流星尾迹的出现率分别为0.6 h-1,0.42 h-1。分别给出了钠、铁尾迹的高度分布,发现多数尾迹,特别是峰值密度大的尾迹,倾向于出现在常规金属层的峰值附近,而相对较弱的尾迹倾向于出现在常规金属层的顶部和底部。钠流星尾迹的平均高度要比铁尾迹高~2kmn。根据观测到的流星尾迹计算得到Fe、Na原子注入率分别为1.5×105cm-2 s-11和1.4×104cm-2 s-1。这两个量为中层顶的金属层模型里的参数—Fe、Na元素注入量—提供了当前唯一的基于观测的数值。在210小时的同时共体积观测中,仅有8个双元素尾迹被探测到。双元素尾迹中Fe和Na原子的丰度比的平均值为9.0,小于碳质流星中Fe/Na含量的平均值。尾迹的这些特征表明,在流星体消融的过程中,性质不同的Fe、Na元素是在不同的阶段释放出来的,观测结果与差分消融理论一致。 2.在夜间上作的钠共振荧光激光雷达的基础上,通过采用法布里-珀罗标准具(Fabry-Parot Etalon)作为窄带滤光器,同时压缩激光束发散角,缩小接收视场,实现了钠层密度的24小时连续观测。与国外常见的使用腔长可调的法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Parot Interference)不同,我们选用腔长固定的法布里-珀罗标准具,通过调节角度选择所需波长。这种方式的优点在于降低了系统复杂度和成本。除此之外,比起钠原子法拉第滤光器技术,该技术方式具有透过波长可调谐、抗干扰性好、透过率高等特点,所以能方便地将该技术应用到低空激光雷达的全天时观测。 3.通过分析铁、钠同时共体积观测数据,描述了偶发铁层和钠层的短时变化特征。研究发现,虽然偶发铁和偶发钠层的时空变化非常快,但是它们的变化形态却很相似。研究还发现,每一例偶发铁、钠层均由一系列的小时间尺度的爆发性密度增长组成,并且偶发铁层密度的小时间尺度变化要比钠更加剧烈。在流星体消融的过程中,释放的铁原子也要比钠原子丰富的多。这为偶发层的潜在形成机制—流星消融—提供了实验证据。


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