[论文解读] Rydberg Matter clusters of alkali metal atoms: the link between meteoritic matter, polar mesosphere summer echoes (PMSE), sporadic sodium layers, polar mesospheric clouds (PMCs, NLCs), and ion chemistry

Frans Olofson, Patrik Andersson+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2010

Astro and Planetary Science参考文献 68被引用 4

一句话总结

本文提出，由流星尘粒输入形成的碱金属原子（主要为钠）的里德堡物质（RM）团簇，可将多种中间层现象联系起来：极地中气层夏季回波（PMSE）、突发钠层、极地中气层云（PMCs/NLCs）以及离子化学。RM团簇（如NaN，其中N = 19, 37, 61）悬浮于90公里高度，表现出强烈的射频相互作用，从而解释PMSE现象；在长波段高效辐射，使中间层顶冷却至约121 K；并作为冰晶的凝结核，从而统一了此前相互分离的理论。

ABSTRACT

A material exists which links together the influx of meteoritic matter from interplanetary space, the polar mesosphere summer echoes (PMSE), the sporadic sodium layers, the polar mesospheric clouds (PMCs, NLCs), and the observed ion chemistry in the mesosphere. The evidence in these research fields is here analyzed and found to agree well with the properties of Rydberg Matter (RM). This material has been studied with numerous methods in the laboratory. Alkali atoms, mainly Na, reach the mesosphere in the form of interplanetary (meteoritic, cometary) dust. The planar RM clusters NaN usually contain N = 19, 37 or 61 atoms, and have the density of air at 90 km altitude where they float. The diameters of the clusters are 10-100 nm from laboratory high precision radio frequency spectroscopic studies. Such experiments show that RM clusters interact strongly with radar frequencies: this explains the radio frequency heating and reflection studies of PMSE layers. The clusters give the low temperature in the mesosphere by efficient selective radiation at long wavelengths, which is observed in RF emission experiments. The lowest possible stable temperature of the mesopause is calculated for the first time to be 121 K in agreement with measurements, based on the strong optical activity at long wavelengths in RM. Sporadic sodium layers are explained in a unique way as due to shockwaves in the RM layers. Due to the high electronic excitation energy in RM clusters, they induce efficient reactions forming ions of all atoms and molecules in the atmosphere thus providing condensation nuclei for water vapour. This finally gives the visible part of the PMC structure. The present contribution fills the gap between and partially replaces the separate theories used to describe the various aspects of these intriguing phenomena.

研究动机与目标

• 在单一物理框架下统一解释多种分散的中气层现象——PMSE、突发钠层、PMCs、离子化学。
• 解释中气层顶温度极小值（约121 K）的成因。
• 通过涉及碱金属团簇的成核机制，解释PMCs和NLCs的形成。
• 通过提出里德堡物质（RM）团簇在中气层中的统一作用，解决现有理论中的不一致之处。
• 证明RM团簇能够同时解释雷达后向散射（PMSE）以及上层大气中观测到的光学与射频辐射现象。

提出的方法

• 分析实验室研究中获得的里德堡物质（RM）团簇的实验数据，特别是高精度射频光谱数据。
• 基于观测到的光谱共振，对RM团簇的稳定性和结构进行建模，重点关注含N = 19, 37, 61个原子的碱金属（Na, K）团簇。
• 利用RM的强长波段光学活性和辐射冷却特性，计算中气层顶可能达到的最低稳定温度。
• 利用RM团簇与电磁辐射的相互作用，解释雷达后向散射（PMSE）和射频加热效应。
• 应用RM团簇的高电子激发能，解释电离及反应路径，从而形成大气离子和凝结核。
• 基于观测到的层状形态和时间特征，将RM层动力学与激波诱导的钠层形成相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 碱金属的里德堡物质团簇如何解释80–90公里高度极地中气层夏季回波（PMSE）的形成？
• RQ2 RM团簇通过何种物理机制导致中气层顶观测到的121 K温度极小值？
• RQ3 RM团簇如何作为水汽的凝结核，导致极地中气层云（PMCs/NLCs）的形成？
• RQ4 RM团簇在激波相互作用下，如何在突发钠层的形成中发挥作用？
• RQ5 中气层中的离子化学如何由RM团簇的高电子激发能所驱动？

主要发现

• 碱金属（特别是Na）的里德堡物质（RM）团簇，当N = 19, 37或61时，具有稳定性，悬浮于90公里高度，其密度与该高度空气密度一致。
• 实验室射频光谱实验确认，RM团簇与雷达频率强烈相互作用，为PMSE后向散射提供了直接解释。
• 基于RM的强长波段光学活性和辐射冷却效率，计算得出中气层顶温度极小值为121 K。
• RM团簇能高效发射长波段辐射，从而解释中气层中观测到的低温环境。
• 突发钠层被解释为激波穿过RM层时引发的局部钠富集所致。
• RM团簇中高电子激发能驱动高效的电离和反应路径，形成离子，并为PMCs中的水冰提供凝结核。