离地球表面约80~110千米高度的中间层与低热层区域，长期存在着受流星烧蚀释放出多种金属原子的金属层。这一高度范围也是富含自由电子和离子的底部电离层区域，复杂的光化学反应及动力学和电动力学过程，使得中间层/电离层在这一高度区域存在紧密的物质能量耦合。在金属原子层中，由于钠原子具有较大的共振荧光散射截面、较高的浓度和较长的生命周期，利用钠原子作为示踪，并借助激光雷达对中高层大气及底部电离层进行探测，对我们研究空间天气和大气的相互耦合过程提供了有效的观测手段。为此，在国家重点研发计划重点专项“极地环境观测/探测技术与装备研发”项目支持下，中国极地研究中心于2019年初在南极中山站（69.4°S, 76.4°E）部署了国际首套南极地区的全昼夜三方向钠荧光多普勒测温测风激光雷达系统（图1）。

图1：我国南极中山站部署的钠荧光多普勒测温测风激光雷达系统

在研究金属钠层的各种动力学变化中，最为显著的现象则是突发钠层（Sporadic Sodium Layer, Nas）的出现和消逝。突发钠层事件是指在极狭窄的高度范围内，钠层密度在极短时间（大约在5分钟内）迅速增加至同一高度平均背景钠密度2倍以上的一种突发现象，持续约十几分钟或数小时。突发钠层的形成机制目前仍存在多种争议，大部分学者认为其与电离层突发E层（Sporadic E layer, Es）的出现导致快速的钠离子中和有关。

近日，极区空间物理与天文研究所（筹）极地大气与空间物理学研究团队（高空团队）在地球物理国际主流期刊Journal of Geophysical Research: Space Physics发表了“Dynamics Properties of a Sporadic Sodium Layer Revealed by Observations Over Zhongshan, Antarctica: A Case Study”的研究论文。该项工作首次利用了中山站钠荧光多普勒激光雷达数据，并结合同站点国家重大科技基础设施（子午工程）电离层数字测高仪数据，观测证实了中山站上空极区突发钠层与电离层突发E层存在紧密的耦合关联（图2）。观测研究发现，在极区突发钠层形成和演化过程中，其强度直接受到来自电离层突发E层的电子密度调制；而形成后的突发钠层则更多的受到来自中层大气向上传播的重力波和水平中性风场的影响（图3）。

该论文第一作者为中国极地研究中心陈相材助理研究员，与中山站钠荧光激光雷达设备负责人黄文涛为共同通讯作者，其他合作者分别来自中心高空团队、中国科学院大气物理研究所、南非国家航天局和澳大利亚南极局。研究工作得到了国家重点研发计划（2016YFC1400300、2021YFE0106400），国家自然科学基金（41774166、41831072），以及子午工程中山站数据等的支持。

图2：于2019年11月14日14:00-24:00 UT在南极中山站上空80-105 km高度利用钠荧光多普勒激光雷达探测到的金属钠层主层及突发钠层高度-时间-强度变化。蓝色星号表示从同站点数字测高仪DPS-4D（图b）得到的电离层突发E层高度变化

图3：激光雷达在南向、垂向和西向方位上获取的突发钠层高时空分辨率（15秒45米）光子数时序变化

相关论文：

1. Chen, X., Huang, W., Ban, C., Kosch, M. J., Murphy, D. J., Hu, Z., et al. (2021). Dynamic properties of a sporadic sodium layer revealed by observations over Zhongshan, Antarctica: A case study. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126, e2021JA029787. https://doi.org/10.1029/2021JA029787