2023, Vol. 43
电离层总电子含量(total electron content, TEC)是用来研究电离层时空变化的重要物理量之一。自Leonard等[1]研究美国阿拉斯加大地震发现震区上空电离层会在地震期间出现异常变化以来，电离层被广泛应用于地震研究中。此后，国内外学者对地震前震区上空TEC的变化特征进行大量研究[2-7]，这些研究为探索震前震区上空电离层的异常变化提供了参考依据。当前研究大多是利用震前电离层物理量的变化来分析震前异常，但由于地震事件的特殊性，在空间上存在的电离层中纬夏季夜间异常(mid-latitude summer night anomaly, MSNA)和电离层赤道异常(equatorial ionization anomaly, EIA)这两大异常现象的研究较少。电离层赤道异常对电场中所有变化都很敏感[8]，因此本文针对2019-05-26秘鲁北部MW8.0地震，利用全球电离层图(global ionospheric map, GIM)和GPS-TEC数据，研究此次地震前与地震活动有关的低纬度电离层异常变化规律。
1 数据来源及处理方法 1.1 CODE-TEC本文采用的TEC数据可从欧洲定轨中心(center for orbit determination in Europe，CODE)发布的GIM中获得。CODE中心根据IGS组织提供的时间分辨率为2 h、空间分辨率为5.0°×2.5°的全球TEC网格数据计算出相应的GIM。
1.2 GPS-TECGPS双频接收机能够有效消除电离层误差，从而获取更加准确的TEC数据。目前，基于GPS双频观测数据计算TEC值的方法有3种：根据伪距观测值反演电离层绝对TEC值、根据载波相位观测值反演相对TEC值、联合伪距观测值和载波相位观测值反演TEC值[9]。联合伪距观测值和载波相位观测值反演TEC方法与其他两种方法相比，具有时间分辨率更高、适用范围更广、可靠性更强等优势。因此本文采用第3种方法计算GPS-TEC。原始观测数据来自IGS数据服务中心(https://cddis.nasa.gov/archive/gnss/)。
2 太阳和地磁条件分析2019-05-26秘鲁北部发生MW8.0地震，此次地震位于秘鲁拉古纳斯东南约80 km，震中位于5.85°S、75.18°W，震源深度100 km，秘鲁首都利马震感十分明显。电离层活动与太阳和地磁场具有密切关系，为判断震前某一时段的电离层异常是否因孕育地震而引起，需要考虑该时期的空间环境状况，综合分析电离层异常变化的原因。针对此次地震，本文选取2019-05-19~30太阳10.7 cm辐射通量(F10.7指数)、地磁活动指数Dst、Ap和Kp指数，给出所选时间内Dst、Kp、Ap指数及F10.7指数相对该时期平均值的变化曲线，综合分析此次地震过程中太阳和地磁活动对电离层的影响(图 1)。
|
图 1 2019-05-19~30地磁和太阳活动状况 Fig. 1 Geomagnetic and solar activity from May 19 to 30, 2019 |
从图 1可以看出，在2019-05-19~30期间，F10.7指数波动较小，与均值的偏差均在-2~2 sfu之间。2019年正处于第24个太阳活动周结束前的太阳活动极小值期，太阳活动水平较低。因此，在此次地震过程中太阳活动对电离层异常变化并不会产生较大影响。对于地磁活动指数，在05-20~25期间，Kp指数均小于2 nT，Ap指数均小于7 nT，且Dst指数均大于-30 nT。根据磁暴强度划分标准可知[10]，此次地震前地磁活动较为平静。因此，太阳活动和地磁活动对此次地震前电离层异常变化均不会产生较大影响，从而为研究地震与震前电离层异常变化的关系提供了条件。
3 TEC异常变化分析为分析秘鲁北部地震前电离层TEC的变化情况，选取IGS组织提供的2019-05-21~26 CODE-TEC数据，绘制地震区域05-21~26 EIA变化明显时刻的TEC分布图。选择区域为40°S~40°N、50°~130°W，结果如图 2~7所示。
|
图 2 2019-05-21电离层TEC图 Fig. 2 Ionospheric TEC map on May 21, 2019 |
|
图 3 2019-05-22电离层TEC图 Fig. 3 Ionospheric TEC map on May 22, 2019 |
|
图 4 2019-05-23电离层TEC图 Fig. 4 Ionospheric TEC map on May 23, 2019 |
|
图 5 2019-05-24电离层TEC图 Fig. 5 Ionospheric TEC map on May 24, 2019 |
|
图 6 2019-05-25电离层TEC图 Fig. 6 Ionospheric TEC map on May 25, 2019 |
|
图 7 2019-05-26电离层TEC图 Fig. 7 Ionospheric TEC map on May 26, 2019 |
从图 2~7可以看出，2019-05-21~22期间，电离层存在明显的赤道异常现象：TEC在磁赤道南北15°~20°区域出现2个极大值，且TEC最大值约为29 TECu。而在05-23~26期间，“双峰”消失，且TEC最大值为20 TECu左右，与05-22前相比最大值减少9 TECu，电离层赤道异常极不明显。为更详细地分析震前电离层赤道异常的变化情况，选取秘鲁北部地区电离层赤道异常表现最明显的时刻20:00 UT，绘制05-20~28全球电离层TEC图(图 8)。从图中可以看出，在地震前3 d内，电离层赤道异常“双峰”消失，且TEC浓度显著减小，与05-20~22相比，TEC值减小10 TECu左右。而在地震后05-27又能观察到明显的电离层赤道异常现象，且峰值处TEC浓度恢复至29 TECu。
|
图 8 秘鲁北部地区电离层赤道异常最大显示时刻的全球TEC图 Fig. 8 Global TEC map of the maximum display time of EIA in northern Peru |
为更详细地分析地震前电离层赤道异常处电离层TEC的空间变化，绘制75°W处低纬区域电离层TEC随纬度的变化曲线，结果如图 9所示。从图中可以看出，与2019-05-10~20电离层TEC均值曲线相比，总体来看，2019-05-23~26电离层TEC值均有不同程度减小；在靠近震中区域，电离层TEC存在明显的下降趋势；在02:00~ 14:00 UT，与平均值相比，05-23~26期间电离层TEC在20°~40°N区域存在一个峰值，在02:00 UT，05-25与05-26峰值浓度最高，在08:00 UT和10:00 UT，05-23峰值浓度最高。本次地震发生在23:00 UT，可以看出在16:00~22:00 UT，电离层TEC在赤道附近出现明显的双峰现象，均值曲线双峰现象最明显，与均值曲线相比，除05-25能看出双峰现象外，05-23~24与05-26日双峰现象不明显，且05-23~26峰值处电离层TEC均减少约10 TECu；在22:00 UT，所选时间曲线与均值曲线符合最好。
|
图 9 75°W电离层TEC随纬度变化曲线 Fig. 9 Ionospheric TEC variation with latitude at 75°W |
为进一步研究地震前电离层TEC日变化异常，选取距离震中较近的RIOP和GLPS IGS跟踪站进行分析，表 1为所选取IGS跟踪站的相关信息。计算2019-05-10~20期间TEC日变化均值和05-21~26电离层日变化序列，结果如图 10~11所示。从图中可以看出，在地震前6 d，每日电离层TEC含量均小于TEC均值，在12:00 UT两者差值最小，而在18:00~22:00 UT差值较大，在20:00 UT最大差值可达10 TECu，且该现象在05-23~26最明显。
|
表 1 IGS跟踪站相关信息 Tab. 1 Information of IGS tracking stations |
|
图 10 RIOP站地震前电离层TEC日变化曲线 Fig. 10 Daily variation of ionospheric TEC before the earthquake at RIOP station |
|
图 11 GLPS站地震前电离层TEC日变化曲线 Fig. 11 Daily variation of ionospheric TEC before the earthquake at GLPS station |
选取2019-05太阳活动指数F10.7、地磁指数和CODE-TEC数据，对2019-05-26秘鲁北部地震前电离层赤道异常变化进行分析。研究结果表明，地震发生前3 d，电离层赤道异常发生变化，赤道两侧“双峰”消失，且电离层TEC浓度显著减小，与05-20~22相比，电离层TEC值减小10 TECu左右；且在05-23~26，电离层TEC值较05-10~20也减小10 TECu左右。在地震发生前，电离层TEC随纬度变化呈现双峰特征，震中附近存在一个低谷，这种现象在地震前几小时最为明显，推测可能为地震准备阶段，震中附近产生的异常电场可能使震中两侧产生“喷泉效应”，从而导致电离层赤道异常“消失”。因此，本文推测地震电离层效应可能是电离层赤道异常的一种特殊修正。
致谢: 感谢IGS组织提供观测数据和GIM电离层格网数据，NASA和IUGG提供太阳及地磁场数据。
| [1] |
Leonard R S, Barnes R A. Observation of Ionospheric Disturbances Following the Alaska Earthquake[J]. Journal of Geophysical Research, 1965, 70(5): 1250-1253 DOI:10.1029/JZ070i005p01250
(  0) |
| [2] |
祝芙英, 吴云, 林剑, 等. 汶川MS8.0地震前电离层TEC异常分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2008, 28(6): 16-21 (Zhu Fuying, Wu Yun, Lin Jian, et al. Study on Ionospheric TEC Anomaly Prior to Wenchuan MS8.0 Earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2008, 28(6): 16-21)
( 0) |
| [3] |
Aggarwal M. Anomalous Changes in Ionospheric TEC during an Earthquake Event of 13-14 April 2010 in the Chinese Sector[J]. Advances in Space Research, 2015, 56(7): 1400-1412 DOI:10.1016/j.asr.2015.07.007
( 0) |
| [4] |
Le H J, Liu L B, Liu J Y, et al. The Ionospheric Anomalies Prior to the M9.0 Tohoku-Oki Earthquake[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2013, 62: 476-484 DOI:10.1016/j.jseaes.2012.10.034
( 0) |
| [5] |
姚宜斌, 陈鹏, 吴寒, 等. 2011年3月11日日本地震震前电离层异常变化分析[J]. 科学通报, 2012, 57(5): 355-365 (Yao Yibin, Chen Peng, Wu Han, et al. Analysis of Ionospheric Anomalies before the 2011 MW9.0 Japan Earthquake[J]. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(5): 355-365)
( 0) |
| [6] |
Karia S P, Pathak K N, Yadav K S, et al. Modification in Atmospheric Refractivity and GPS Based TEC as Earthquake Precursors[J]. Positioning, 2014, 5(2): 46-52 DOI:10.4236/pos.2014.52006
( 0) |
| [7] |
王泽民, 孙伟, 安家春. 2015-04-25尼泊尔MS8.1地震前后电离层VTEC异常变化分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2016, 36(2): 133-137 (Wang Zemin, Sun Wei, An Jiachun. Anomaly Variation Analysis of the Ionospheric VTEC before and after the 25 April 2015 MS8.1 Nepal Earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2016, 36(2): 133-137)
( 0) |
| [8] |
冯建迪, 王正涛, 时爽爽, 等. 总电子含量赤道异常变化特性分析[J]. 测绘科学, 2016, 41(6): 44-47 (Feng Jiandi, Wang Zhengtao, Shi Shuangshuang, et al. Using IGS to Analyze the Variation of Equatorial Ionization Anomaly[J]. Science of Surveying and Mapping, 2016, 41(6): 44-47)
( 0) |
| [9] |
冯建迪. 电离层TEC经验模型的建立方法研究与实现[J]. 测绘学报, 2019, 48(10): 1339 (Feng Jiandi. Research and Implementation of Empirical TEC Models[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2019, 48(10): 1339)
( 0) |
| [10] |
Echer E, Gonzalez W D, Alves M V. On the Geomagnetic Effects of Solar Wind Interplanetary Magnetic Structures[J]. Space Weather, 2006, 4(6)
( 0) |