[PDF] 气辉对重力波响应的模式研究'.pdf

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1、第卷第期年月地球 物理学报汀卜】,气辉对重力波响应的模式研究王咏梅王英鉴中国科学院空间科学与应用研究中心,北京摘要重力波是 中间层大气的重要能量来源,气辉观测为研究中间层重力波特性提供了极好的方法本文利用最新的气辉激发机制,建立了一个较完整 的光化、动力模式来分析重力波传播对气辉的影响 结果表明,化学反应速率系数不定性对坷比振幅的影 响较小,但淬灭过程 的影响必须考虑助比的振幅和相位均依赖于波周期,其振幅在和住之间变化这表明气辉亮度的相对变化大于温度的相对变化一般情况下,重力波引起 的温度扰动超前于气辉亮度的变化与实测资料比较发现,两者变化趋势基本一致,在短周期波时吻合较好关键词气辉,重力波,

2、光化动力模式,中间层温度,短周期波引言中高层大气光化、动力 及其藕合过程是 近年来被广泛研究的热 门课题普遍 认为,发生在其间的一些不规则运动是重力波扰动和湍流所致弄清楚重力波特性有助 于对大气动力学以及光化一动力藕合的研究,气辉观 测 为研究中间层 重力波特性提供了极好的方法坷首先从理论上 把气辉变 化与重 力波 联系起来,定义 了比叮功乃,发射亮度增 量 与温度 增量之比,作为研究重力波对气辉影响的重要参量之后,许多科学家 对理论模式的建立 做了大量 工作一这些模式 的不 足 在 于物扩忽略了激发态的淬灭机制而仅考虑了激发态峰值高度处的发射亮度和温度扰动,模式结果与实际观 测相 差甚远用积

3、分亮度和有效温度对模式 进行 改进,使长周期波变化趋势与观测结果大体一致肠,又进一步考虑了涡旋扩散和科氏力的作用,所得结果与实测 比较,在短周期波时仍有较大差异后三个理论模式的共 同之处是 采用了相同的光化模式,即认 为不 同振动态的产生率相同,且只考虑 氧原子 的化学淬灭作用,这对光化模式作了较多 的简化理论分析指出,光化模式在气辉对短 周期重力波 响应上有明显的影响最近,提 出了一个较完整 的气辉光化学机制,充分地考虑激发态的产生和淬灭本文将利用这一最新机制,研究气辉受短周期重力波的影响国家自然科学基金资助项目年月日收到修改稿地球物理学报卷模式的建立光化模式大气中第种成分的浓度应满足连续性

4、方程刁、八丽一。了一“”一,一尤气元月,这 里,代表第种成分的数密度和分别是 该成分的产生率和损耗率为速度是涡旋扩散系数是大气总数密度户是动力输运项,在计算中只考虑重力波对微量成分分布的影 响,啊,是涡旋扩散项,在中层顶区域,涡旋扩散时间尺度与短周期重力波时间尺度相比,要大的多,因此在计算中省略此项对气辉,为计算式 中的产生和损耗率,采用提 出的激发态的光化学机制,与以往的光化模式相比较,它 的最大优点是分别考虑不 同振动态的产生和淬灭过程且 除考虑 了化学淬灭外,还增加了碰撞淬灭和辐射递降对不同振动态的淬灭作用同时,补充了基态的产生和损失光化反应考虑非扰动背景大气,不 同振动态,间跃迁的体发

5、射率为,其中,是气辉带的爱因斯坦 自发跃迁几率。,。是处于振动能级下 的平衡态数密度从式 的一级近似可得各微量成分的相对变化臼二。,二,。,而。,一一二一一二,。”。这里,分别为速度场的水平、垂直扰动量,、分别为水平和垂直波数,臼为扰动频率,为高度其中,下标带的各参量分别相应于平衡态下 的值,由此可得气辉体发射率的相对变化人,了。,刁,。一允杯一二二一二洲一二,。刃司,。八一口。口式 中,下标带的各参量分别相应于振动态,产间跃迁的值根据定义,很容易求得气辉视亮度 的相对增量。、,凡,方,一这里为视线长度重力波模式采 用托绝热、无摩擦、无背景风,不考虑地球自转的等温大气重力波模式,其色散方程为期

6、王 咏梅等气辉对重力波响应的模式研究,。二、。,一。己叮二甲万一】一一一了一,曰其中、为绝热声速,犷丫尸。,在中高层大气中,一般取、一。二一犷为一频率帆为声波截止频率这里,一尸,和分别为定压比热和定容比热,几、。为背景大气压力、密度,为重力加速度,为大气标高各扰动量 的表达式为,一、一苦一痴一一“叹扩一斌而“一协一气”,一、曰、一六一一、痴一气习,一。一卜一苦一一痴,其中,为振幅常数由气体状态方程,可得重力波所引起的温度扰动琴一成一,。、奕一、“公,一、一、习乙根据、和式,可以求得重力波参数的解析解,将其代人和式,即得到各微量成分数密度和气辉带发射亮度 的扰动量温度波动及叮的计算理论上采用比值

7、法来分析转动温度及其变化,首先选定两条转 动谱线和,对天顶方向,其谱线亮度之比为瓦丁。、风小这里,、飞分别为处于转动态“、的分子数密度在局地热平衡条件下,它可由所处振动态,的数密度。,给 出,即,一旦 竺垫、气了,其中,乃为处于振动态,的分子 的转动配分函数,为转动项值,为转动温度,为普朗克常数,气为波尔兹曼常数,。为光速,代表。和为了考虑整层发射亮度,在计算转动温度 时,采用积分亮度代替体发射率,这样得到地球物理学报卷的温度又称为有效转动温度不。,二凡一气了。几、凡、去人其中凡。、凡。为平衡态时。、的谱线积分亮度由重力波扰动引起的转动温度 的变化为不。不。,。气凡一凡丛一竺、乓。乓。其中。拭

8、凡十甲甲二 丫二一二一,。气了了找。式中几,。为平衡态下 的有效转动温度这里么就是重力波传播引起的大气温度扰动根据定义,可以给出比刀,。,。叮一二下二一丁不一一。口叮一价,当沪时,重 力 波 引起 的温度变化超前于气辉亮度变化价时,气辉亮度的变化超前于温度变化结果计算与分析平衡态时数密度的垂直分布采用美国标准大气作为背景大气,利用类似于几的一维光化模式,采用成分 族方 法计算可得 到奇氧和奇氢成分的数密度分布由于感兴趣 的是夜气辉,选取计算高 度范围为一晚、高度分层,反应速率系数选 用的值图给出了平衡态 时不同振动能级数密度 随高度的分布情况,由图可 见,气辉最大发射层高度为一,发射层厚度为一

9、,这个分布与实际探测结果基本一致对不同振动能级而言,数密度的分布在量上有很大差别随着振动能级的增加,的最大发射层高度也有所增高形成这种分布特点可以从氧原子对气辉的化学淬灭作用得到解释由于振动能级越低,激发态分子的寿命越长,受氧原子 的淬灭 也就越明显图给出 了淬灭过程 的影响当不考虑淬灭过程 时,发射层会有所升高,不同的振动能级,峰值高度基本相 同 更 明显的一点是,淬灭过程对激发态的产生率有很大的影响,且 振动能级越低,数值变化越大,当二时,两种情况下的数密度相 差 约可见,在分析气辉时,淬灭过程是不应该忽略的重力波传播对气辉的影 响期王咏梅等】气辉对重力波响应的模式研究一一一一壑壑注多月月

10、侧玉一一一一一一】卜卜一一一、么么二二二已洲、议图平衡态时,数密度的高度分布光化平衡时不同振动能级的高度分布有无淬灭时,平衡态数密度的比较实线有淬灭,虚线无淬灭由重力波的色散方 程可知,给定水平波长或水平相速度,均可分析习随周期的演变情况但若给定水平波长,由于重力波垂直波长近似和周期万成反比,其垂直波长随周期变化剧烈更重要 的是,当重力波 的垂直尺度变得 与气辉发射层半宽相 当,将 引起“干涉现象”若给定水平相速度,由于垂直波长与水平相 速度基本无关,垂直波长变化不 大只要水平相速度选取适 当,其垂直波长将比发射层半宽大得多,没有“干涉现象”发生,因此,通过给定水平相 速度,可以分析不 同振

11、动态成分对重力波的响应程度和化学反应速率以及淬灭等不同条件下重力波对气辉的影响图是相速度称,其它参量相同的重力波条件下,用一和一所给化学反应速率系数的计算结果,其中图与分别为沈朗均比振幅刀和相位叻随波周期的变化可以看 出,不同反应速率条件下,刀和沪的差别均依赖于波周期 两者相比,叮的差异不大,但相位之差最大可达鬓、飞,一,二光封儿乙决心王留图化学反应速率系数对比的影响气振幅引随重力波周期的变化相位沪随重力波周期的变化实线为一的结果,虚线为礴的结果咬咬,少少图淬灭作用对比的影响称叫随的变化特性沪随的变化特性实线有淬灭,虚线无淬灭地球物理学报卷“对不 同振动级 的分析表明,其相对变化不超过,这为我

12、们将理论结果 与观测结果比较提供了方便图给出了淬灭作用对刀的影响,可以看出,随着周期的增加,振 幅和相位的变化基本一致 但不考虑淬灭作用 时,刀的振幅和相位都比考虑淬灭时的大,最大可相差,图所描绘的情况又一次证明了在分析气辉对重力波 响应的时候,淬灭机制是不应该被忽略的如果将水平波长作为参数,我们重新分析叮随波周期的变化,图给出了冲在水平波长兄二分别为、和条件下 随汹演变,其中图、分别代表叮和砂的变化可以看 出,不 同水平尺度的重力波,对气辉的影响不同,但随着的增加,勺均趋于逐渐 增大,当时,开始 出现“干涉现象”,在 图中相位变化也有类似的现象一一二二二一一月狐二。龙龙呱二二二、廷廷环衅犷犷

13、图比对不同尺度重力波的响应剑随汹变化特性沪随汹变化特性曲线,分别表示水平波长、和的重力波与观测资料和 其他模式结果的比较根据化和托的研究表明,在 中高层大气 中重力波的水平和垂直特征尺度之比一般是兄二兄全,也 即是说,如利用气辉来研究重力波特性,则所观测到的重力波 的水平尺度应在以上,这个结论与目前国外 的观测结果相一致 然而,由于响应参数刀随水平相 速 和水平波长的变化不 同,因此,在检验理论模式时需要提供观测 时的水平 相 速或水平波 长,如缺乏这个前提,将给理论结果的验证带来一定的困难为了检验我们的模式结果,这 里选用了洲在助,日耐。峋的观测资料图中的圆点值,与我们的理论结果比较,如图所

14、示 可以看出,在整个周期范围内,叮的变化趋势较一致,短周期波 时吻合较好,结果比其他模式一理想,这归功于计算中采用了较完整 的光 化 模 式但对长 周期 波,也 有类 似于的“干 涉 现象”,比较 结果差于托,模式,可见,对较长周期和较小垂直尺度波来说,涡旋扩散和潮汐的影响是应予以考虑 的再将我们 的理论模式 与最新的观测结果进行比较,所观测 的叮,的振 幅范围为一,平 均值为,与我们的计算基本相符相位差沪,但未给 出具体数值,无法做进一步的比较通 过 上 面 的分析比较可以看出,无论是理论还是实测结果,即说明气辉亮度相对变化比温度相对变化大,因此,用气辉发射亮度变化来分析重力波特性更加可靠由

15、沪的变 化 可 知,一般是 重力波引起的温 度扰动超前于气辉亮度的变化 从模式检验结果来期王咏梅等气辉对重力波响应的模式研究看,短周期波比较理想,长周期波仍有待改进。呱二二二”之之孵优优二二,、吸一二二二一一沐沐名孤爹二二二图粉比实测结果与理论模式的比较振幅随周期变化特性的比较相位随周期变化特性的比较曲线,分别表水平波长、和的重力波,圆点为实测值参考文献沙印彻,一组民坟,而叽关勺几,一,勿一而团一石伦,一】呱扣代,沃妞伦,一托街加廿山,几,一托儿勿面沃凡,一公,巧城而街忱笔沃即勺掩,厌一比夕,一,丁眠一一对,兔,快亡峨山比通扮丈叩伦,一氏哪一妞一汰印勺及,一践,吧,明域,匆凡。,一地球物理学报卷丫丫卜一今卑,凡,口及,扩,面,而一翻州习而,叮,叮,加加丽五,汀,而一刀,作者简介王咏梅,女,年生,年毕业于中国科学院空间科学与应用研究 中心,获空间物理专业硕士学位,主要从事中高层大气光化学研究,现任空间中心中高层大气研究室助理研究员