給我一雙「慧眼」，看一看中高層大氣
編者按："浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索"，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設「Calling太空」科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。
我們熟知的大氣中不都是些氣體分子、PM10、PM2.5之類的顆粒物么，遠在90km的大氣中哪來這麼多重重的金屬呢？
行星際中的宇宙塵埃不計其數，每天都有些誤打誤撞闖入了地球大氣，這些「小石頭」與地球大氣邊摩擦邊放熱邊被燒蝕邊降落邊與大氣成分反應，大部分金屬成分在中層頂附近剎住了車，有些沉降到了低層大氣和海洋中。
低層大氣，我們再熟悉不過，每天處在大氣邊界層里感受著風溫雨雪的變化，還有逃不掉的城市化污染。縱使我們坐飛機旅行，也才不過三萬英尺。中高層大氣被定義在10-300km的高空，上不屬天，而下不著地，它的變臉會影響我們的生活嗎？
火山噴發會改變平流層大氣輻射通量,對流層雷暴活動也會使中高層大氣產生擾動。太陽爆發的高能粒子輻射不僅危及宇航員的生命安全,也可能導致平流層臭氧減少, 臭氧減少會引起海陸生態系統嚴重失調，也會增加皮膚癌患者。再者，低電離層區域與中高層大氣的上部重合，電離層自然與我們的生活息息相關，電離層一方面讓導航通訊、雷達探測等成為可能，另一方面又可能突然「興奮」，給我們的生產生活帶來干擾。高層大氣風溫的變化，也會影響衛星軌道壽命，甚至會導致衛星提前墜毀。衛星的故障顯然會影響到我們的日常生活，氣象衛星幫我們決定明天出行該帶傘還是防晒帽，導航衛星的出現讓我們出行不再像個迷路的孩子。
中高層大氣里也有很多奇特的大氣光學現象，他們的美麗與多彩不僅吸引了專業研究者的科學研究，也吸引了眾多的攝影愛好者以及民間科學愛好者。處在較高緯度的地球村居民會看到散布在空中的綠色極光，有時綠色極光又會伴隨有美麗的紫色光帶。高緯度偶爾還會見到珠母雲，猶如陽光下貝殼閃耀的色帶，但它的美麗背後卻是對地球大氣和人類深深的傷害。珠母雲的出現預示著極地臭氧消耗加劇，意味著臭氧層這層紫外防護層防護效果更差，人類皮膚更易受到損傷。其他光學現象還有高層大氣閃電，夜光雲，氣輝等。
除了這些肉眼看得見的，我們怎麼去看清楚中高層大氣真正的內部特徵呢？激光雷達或許是一副幫助我們看清遙遠空間的激光眼鏡。
Mie散射激光雷達可以「看見」30公里以下大氣中的塵埃雲霧等氣溶膠粒子。
Rayleigh散射激光雷達可以「感知」30-80公里大氣的溫度和密度，進而也可以從溫度密度的擾動中「看到」大氣重力波在這一高度區域的活動特徵。
共振熒光激光雷達可用於獲取中層頂區域以及低熱層（80-170km）的原子離子密度以及中層頂的風溫信息。反應靈敏的原子離子密度是這一區域大氣動力學和化學的很好的示蹤劑。同時這一高度的金屬原子比如金屬鈉也作為鈉導星應用到了軍事和天文上。
近些年來還有子午工程種類功能多樣的激光雷達，最新提出的量子激光雷達，青藏高原的APSOS，南極中山站的鈉熒光多普勒激光雷達，南美實驗室的鈉鉀激光雷達，NASA的世界首台空基鈉激光雷達等。監測中高層大氣遠不止激光雷達這一類設備，還有全天空氣輝成像儀，流星雷達等。這些地基和空基監測設備都在為看清中高層大氣這片廣袤的無人區做著貢獻。這一區域既是探空氣球和衛星無法企及的區域，又因同時受著低空大氣活動和太陽活動影響而成為了一個十分重要且亟須看清的過渡區。
來源：中國科學院國家空間科學中心
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