地球大氣為人類生存和發(fā)展提供了非常重要的保障，研究該區(qū)域中的大氣環(huán)境與物理和化學過程，對于航天、國防、人類生活以及地球生物圈的安全至關重要。
識風須追風
中高層大氣研究關注的主要參數(shù)包括中性大氣的密度、溫度和風場、電離成分、微流星體、輻射場等。
“研究中高層大氣的結構和變化特征對于理解發(fā)生在這個區(qū)域中的基本物理過程，保障航天器和航天活動的安全具有重要意義。”武漢大學教授易帆對《科學時報》記者說，“這些航天器在高層大氣環(huán)境中能否正常工作，將直接影響通信中繼、電視轉播、導航定位等。近年來，平流層飛艇由于多用途和低能耗被稱為‘多功能綠色航空器’，要保證其在節(jié)能條件下穩(wěn)定運行，該高度上大氣風場信息極為關鍵。因此，這一研究與人類生活密切相關。”
中高層大氣的主要熱源來自太陽的極紫外輻射和X射線對氧分子的加熱以及高能粒子在大氣層中的沉降。太陽活動劇烈時，高能粒子在大氣層中沉降事件增加，這會加熱高層大氣并使之密度上升，從而增加低軌道飛行器的阻力并降低其軌道。此時如果飛行器不能及時變軌，將大大影響飛行器的使用壽命。對于低軌道飛行器來說，中高層大氣的密度、成分溫度和壓力會影響到飛行器的軌道定位、軌道衰減速率和在軌壽命。
另外中高層大氣也會影響到飛行器表面的溫度和姿態(tài)控制，其化學組分——例如原子氧等——也有可能對飛行器造成化學損傷，另外，飛行器表面的輝光現(xiàn)象也與大氣成分有關。所以，設計飛行器時，必須根據(jù)其飛行高度和飛行時間研究中高層大氣對飛行器的影響，確定攜帶軌道修正推助器的質量，以及合適選用的表面材料和必要的防護措施。
儀器是利器
因為中高層大氣離人類住居的地表較遠，通常需采用無線電和光學遙感探測技術才能實現(xiàn)對其參數(shù)的測量。由于起步較晚，我國中高層大氣激光雷達探測技術曾經(jīng)十分薄弱。
“探測是中高層大氣研究的基礎和出發(fā)點，而我國缺乏大型探測設備和自主觀測資料等因素，極大地限制了該學科的發(fā)展。”易帆說，“80km至100km高度范圍的金屬成分是流星消融的產(chǎn)物，其行為（結構和變化）反映了大氣和太空的過渡區(qū)域中的物理特征。當前人們對金屬成分的認識還很膚淺，許多問題都無法解釋。”
由于中高層大氣研究對大型儀器的依賴，我國中高層大氣觀測相對其他領域顯得薄弱一些。
“對中高層大氣重要參數(shù)，其中包括動力學參數(shù)（風速、溫度、密度）、化學成分分布和大氣輻射的研究都依賴觀測儀器。國際上也存在同樣的問題。這一領域很多一手資料都是近些年才積累起來的。” 中科院空間科學與應用研究中心研究員徐寄遙對《科學時報》記者說，“觀測技術本身就是一個很大的研究課題。因此儀器研制也成為中高層大氣研究的重要部分。”
近年來，在基金委、教育部和科技部的支持下，我國科技工作者自主研發(fā)出多種不同功能的大型激光雷達，將我國的中高層大氣遙感探測和研究推向國際前沿。
以武漢大學為主的研究團隊經(jīng)過十多年的艱苦努力，研制出7臺大型激光雷達系統(tǒng)，形成了當今亞洲功能最強大的中高層大氣激光雷達綜合探測平臺。他們研制的世界第二臺鐵波爾茲曼中層頂測溫激光雷達系統(tǒng)，在我國首次實現(xiàn)了80km~100 km中層頂大氣溫度的激光雷達測量。
該團隊完全采用激光雷達技術，實現(xiàn)了對3km~100km高度范圍大氣溫度的同步遙感探測。這是國際上第二次完全采用激光雷達技術，實現(xiàn)從近地面到100km大氣溫度剖面的測量。這種激光雷達綜合探測技術可廣泛應用于大氣科學研究，對環(huán)境變化研究具有重要意義。他們研制出的偏振激光雷達與國際上的星載激光雷達進行了細致的比對，獲得了定量的一致，表明他們完全掌握了偏振激光雷達技術。最近，我國繼韓國之后，研制出世界上第二臺全水譜拉曼激光雷達，能測量云中水的相態(tài)（液態(tài)或氣態(tài)），在天氣預報中具有重要意義。
中國科學技術大學研究團隊先后建立了米/瑞利/鈉熒光雙波長激光雷達系統(tǒng)和車載多普勒測風激光雷達系統(tǒng)。該雷達所達到的技術指標與國際上唯一報道的一臺車載平流層多普勒測風雷達技術指標相當。
2010年2月， 中國科學技術大學車載多普勒測風激光雷達系統(tǒng)通過專家鑒定，專家組一致認為：該儀器首次在國內(nèi)實現(xiàn)了多普勒測風激光雷達對40km高度平流層大氣風場的探測，且具有可重復部署性。
由這些激光雷達構成的探測平臺使我國的中高層大氣探測能力進入國際前沿。激光雷達觀測導致了一些新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，也給我國的國防、航天和大氣空間環(huán)境研究提供了數(shù)據(jù)基礎。
有術更有效
我國學者在過去十年里自主研制出多臺不同功能的大型激光雷達系統(tǒng)，這些雷達系統(tǒng)能觀測該區(qū)域多種大氣參數(shù)和金屬原子層，建立了在國際上有影響的中高層大氣觀測站。
“近十年我國在中高層大氣研究方面進步很快，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，在中高層大氣觀測和模擬研究上也取得了有國際影響力的研究成果，總體上正逐漸逼近國際先進水平。”徐寄遙說，“這得益于我國儀器研制的成果和子午工程等的帶動。目前我國在主動光學探測儀器，例如測風測溫激光雷達，以及光學干涉儀和全天空氣輝成像儀等被動光學儀器的研制方面初步形成規(guī)模。”
在觀測研究方面，我國學者利用地球衛(wèi)星、激光雷達和車載多普勒測風激光雷達等加深了對中高層大氣動力學過程的理解。在中層頂金屬層激光雷達觀測研究，在0km~100 km 高度范圍大氣溫度的激光雷達測量，在車載多普勒測風激光雷達研究，在激光雷達和其他儀器的聯(lián)合觀測方面都取得了較有影響力的成果。
在模式研究方面，我國學者揭示了大氣波動非線性傳播行為的有效方法，建立了高精度的全非線性動力學模式，對重力波的非線性傳播研究取得一系列成果，已走在國際前列。我國自主建立了完全基于大氣探測數(shù)據(jù)的第一代臨近空間大氣動力學模式。該模式與國際上公開發(fā)表的大氣溫度和密度經(jīng)驗模式（NRLMSISE-00）以及大氣水平風場經(jīng)驗模式（HWM）相比，某些區(qū)域的精度有明顯提高。
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