2010, Vol. 53
电波环境特性及模化技术国家级重点实验室, 青岛 266107
National Key Laboratory of Electromagnetic Environment, Qingdao 266107, China
地震预报（特别是地震短临预报）是目前全世界面临的科学难题.为了推进地震预报研究的发展，许多科学家不断地探索地震监测与预报的新方法，其中利用地震前的电离层异常现象以及地震电离层耦合理论来研究地震预报成为目前的热点之一.大量的研究发现：一般在5级以上地震发生前的5天到数小时内都会出现明显的电离层扰动，很可能与地震过程有关[1~6].
由于电离层本身是一个复杂的非线性时变系统，全面了解地震期间电离层扰动与变化特性需要大量的监测数据支持.目前研究震前电离层扰动主要集中在以下电离层参量[5]：（1）foF2（电离层F2层寻常波临界频率）；（2）TEC（电离层总电子含量）；（3）foEs（电离层偶发E层（Es层）寻常波临界频率）；（4）其他电离层等离子体参量，如电子温度，离子温度，离子成分等.
2008年5月12日14时28分在我国四川省汶川地区发生里氏8.0级大地震，震中位于（103.4°E，31.0°N，简写为WC），震源深度约为14km.此次地震由于震源较浅，造成的破坏力极大，给人民生命和财产造成重大损失.在震前数天内，国内多个电离层观测站都监测到明显的异常扰动现象，一些学者利用电离层TEC数据和个别电离层垂测站的数据对此次地震前后的电离层异常现象进行了分析与研究[7~11].目前的主要结论有：震前3天（即5月9日）震中附近地区的电离层参量出现异常现象，电离层TEC出现明显的异常增强，其异常扰动形态在南北半球呈现磁共轭结构，具有向磁赤道漂移的趋势.
本文利用此次地震震中附近的曲靖（103.8°E，25.6°N，简写为QJ）、重庆（106.5°E，29.5°N，简写CQ）、拉萨（91.2°E，29.6°N，简写为LS）和兰州（103.8°E，36.0°N，简写为LZ）4个电离层垂测站的多个电离层参量数据和全球TEC数据对震前电离层参量的扰动特征进行分析，得到了一些有益的结果.
2 电离层监测结果图 1给出了震中与四个电离层站的地理位置分布.其中重庆站距震中最近，约330 km，兰州和曲靖站距震中约600 km，拉萨站距震中较远，约1200 km. 4个站分布于震中的4个方位，可分析与地震有关的电离层参量扰动的区域分布特性.
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图 1 震中与4个电离层站的地理位置分布 图中黑色圆点表示电离层站，黑色星号表示震中位置. Fig. 1 The epicenter (black) and the four ionospheric station (black dot) |
太阳和地磁场的活动水平及其扰动是电离层状态的主要控制因素，在研究震前的电离层参量扰动现象时，首先应考察太阳和地磁活动水平及变化情况.图 2分别给出2008年5月1日~15日太阳辐射波长1~8Å软X射线辐射流量，地磁环电流指数Dst，极光带电急流指数AE和地磁指数Kp随世界时UT的变化.太阳耀斑是日地空间环境中最重要的现象之一，其主要表现是太阳耀斑爆发时远紫外辐射（EUV）和X射线辐射迅速增强，较之EUV辐射的变化，X射线辐射变化更显著.伴随太阳耀斑事件，地球电离层也会出现各种变化与扰动.电离层对太阳1~8Å软X射线辐射强度变化敏感，太阳耀斑X射线辐射级别可以大致反映其产生地球物理效应的能力.图 2显示除5月12日12:00UT~13日12:00UT内软X射线辐射通量从3.73× 10-9增强到最大6.78×10-8W/m2外，其他时间的辐射通量基本上维持在3.73×10-9W/m2的较低水平，表明此期间无太阳耀斑爆发事件发生[12].此外5月1日~15日期间的太阳黑子数在0~3之间缓慢变化，在地震前2~3天，SSN指数为1，且保持不变，表明太阳活动处于低水平状态.地磁活动也比较宁静，除5月6日的地磁Dst指数最大幅度约-20nT，其他时段的绝对值都小于15，5月7日以后Dst指数基本上大于0.Dst指数监测全球环电流的强度，目前普遍认为当Dst指数低于-50nT并持续2h以上时，表示磁暴可能发生，所以可排出磁暴发生的可能[13].AE反映了极区高速带电粒子流以及地磁亚暴等活动，5月6日以后AE均小于250 nT.Kp指数描述三小时的平均地磁活动强度，ΣKp指数表示每天的Kp指数之和.若ΣKp＞30，则认为当天的地磁活动强烈.5月6日以后Kp指数小于2，ΣKp远小于30，这表明震前地磁活动并不强烈.图 2中各指数在5月6日前的扰动与这期间的2个弱磁暴有关[14].可见控制电离层参量变化的两个主要因素在地震前后没有较大的变化.
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图 2 太阳与地磁活动指数变化曲线 Fig. 2 The variation of solar and geomagnetic index |
图 3~8分别给出2008年5月5日~15日期间电离层foE（E层寻常波临界频率），foF1（F1层寻常波临界频率），foEs，foF2，h ′F（F层最低虚高）和hmF2（F2层电子密度的峰值高度）相对月中值的变化曲线，月中值作为背景参考值在图中用实线表示，观测值用点线表示，黑色竖直短线表示地震发生时刻.
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图 3 地震前后电离层foE的变化曲线 黑色实线表示月中值，点线表示观测值，横坐标为2008年5月5日至15日和地方时，下同. Fig. 3 The variation of foE before and after the earthquake The black solid line and dot line represent the monthly median value and measured one respectively, the same as Fig.4~8. |
图 3显示地震前后foE相对月中值的变化很小，其中变化最明显的为重庆，在11:00LT相对变化约7.7%，增加0.25 MHz，其次是拉萨在10:00LT相对变化约6.3%，增加0.2 MHz.图 4显示地震前后foF1相对变化也较小，其中变化最明显的仍为重庆，在13:00LT相对变化约4.5%，增加0.2MHz，其次是拉萨，在11:00LT相对变化约4.5%，增加0.2MHz.其他站的foE和foF1扰动不明显.需要注意的是，foE和foF1扰动的区域分布与出现时间特点相似.离震中最远的拉萨站的foE和foF1也出现很明显的增强现象，而较近的兰州和曲靖未出现明显的正扰动.拉萨的最大正扰动出现时间提前于重庆约1~2 h.
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图 4 地震前后电离层foF1的变化曲线 Fig. 4 The variation of foF1 before and after the earthquake |
电离层foEs参量存在强烈的时空变化.台湾学者[15]分析了发生在台湾的6.0级以上大地震前foEs变化情况，发现震前foEs通常在日出和日落时段会有很大的异常增加.图 5显示地震前后在4个电离层站多次出现明显的foEs扰动，但无明确的规律性.重庆和曲靖的foEs在5月12日午后时段出现明显的突然增强现象，从约4MHz增加到10MHz以上.兰州站在5月10日~11日也出现显著的增加.拉萨站的foEs在震前白天与夜间多个时段出现显著的增加.各站在震后的5月14日与15日午后也出现明显的增强扰动.
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图 5 地震前后电离层foEs的变化曲线 Fig. 5 The variation of foEs before and after the earthquake |
图 6显示在震前2~3天的午后-日落时段，各站的电离层foF2均出现明显的增强现象.其中重庆站正扰动最明显，5月9日17:00LT，foF2达到12.5MHz，增加了6.1MHz，相对增强达95%. 5月10日16:00LT，foF2增加2.2MHz，相对增强30%.在太阳活动低年出现如此高的foF2是少见的，考虑到无磁暴和地磁扰动等事件发生，foF2剧烈扰动的原因很可能来自于地球内部的因素，如地震等.
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图 6 地震前后电离层foF2的变化曲线 Fig. 6 The variation of foF2 before and after the earthquake |
兰州和曲靖距震中的距离相近，而兰州离震中略近一点，但扰动幅度却更小一些.在5月9日17:00LT，兰州和曲靖的foF2分别增加了2.6和4.4MHz，相对增加为48%和55.7%.兰州在5月10日15:00LT，相对增加分别为22.4%；曲靖在5月10日16:00LT，相对增加为35.2%.拉萨站在5月9日16:00LT，foF2增加1.5MHz，相对增加20%；在5月10日15:00LT，foF2相对增强12%. 图 6中5月5日午后4个站均出现明显的增强现象，相对幅度约20%~35%，考虑到4个站foF2扰动变化的一致性和磁暴事件的全球性，认为它与5月3日的磁暴有关[14].
图 7显示震前各站的h ′F出现多次明显的增强现象，且主要出现在夜间，在出现日期分布上无规律性，从5月6日开始几乎每天夜间均有增强现象，最大正扰动未出现在离发震最近的时刻.重庆和曲靖的扰动次数最频繁，兰州最弱.重庆站在5月10日22:00LTh ′F最大值从月中值250 km上升到315 km，增加65 km，相对增强约26%；曲靖站在5月8日00:00LT最大增加45 km，相对增强约15.8%；而拉萨站在5月10日01:00LT最大增加46 km，相对增强约16.7%.
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图 7 地震前后电离层h′F的变化曲线 Fig. 7 The variation of h′F before and after the earthquake |
采用Dudeney[16]经验公式由M（3000）F2等参量估算电离层hmF2.图 8显示地震前后各站电离层hmF2均出现扰动现象，出现时间无明显规律性.重庆和曲靖的扰动次数最频繁，兰州最弱.
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图 8 地震前后电离层hmF2的变化曲线 Fig. 8 The variation of hmF2 before and after the earthquake |
图 9为5月9日和10日的电离层TEC扰动（用电离层TEC实测值与参考值之差表示）分布图，其中黑色五星表示震中位置，取5月5日~20日共16日的TEC数据中值作为参考值.图 9显示5月9日10:00UT时在震中附近的经度90°~130°E，纬度15°~35°N范围内出现了TEC显著增强，最大增加幅度达15TECU，增强的中心区域出现在汶川南部.在沿磁力线共轭的南半球出现面积几乎相等的电离层TEC增强区域，最大增加幅度略有减小，约12TECU.随UT时间变化，两个TEC增强区域表现出往磁赤道和往西方向的漂移趋势.5月10日的TEC扰动现象与5月9日类似，但出现时间有所提前，扰动幅度有所减小，最大增加幅度约8TECU.共轭区的面积似乎有所增加，共轭区最大扰动幅度几乎不变.另外，从全球范围来看此次TEC增强仅集中在以上两个区域，在全球其他地区未发现明显的TEC增强或减弱现象[11].
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图 9 地震前电离层TEC扰动的区域分布 Fig. 9 The regional distribution of the TEC variation before the earthquake |
以上分析表明，虽然本次大地震前电离层多个参量均出现不同程度的增强现象，但一般都规律性不明显或者扰动幅度不够强，只有foF2和TEC的震前异常现象很明显且具有独特规律性，作为地震电离层异常前兆参数是合适的.
3 分析与讨论对地震引起电离层扰动的物理解释目前尚存在较大争议，主要有内重力波理论和异常电场假说[1].其中前者存在一些局限，引起的电离层扰动幅度较小，范围有限.由于地震孕育区上方大气层中出现异常电场曾被实验观测到，异常电场假说被较多的研究者接受.电离层F2层主要由等离子体输运与扩散过程控制，同时受等离子体温度、热层风、大气波动等诸多因素的影响.以上分析发现，4个站在5月9日和10日的午后都出现了foF2的显著增强，同时也出现了hmF2的抬升，我们猜测可能与地震过程有关的异常电场引起等离子体向上漂移有关.
相对于电离层F2层的震前扰动而言，foF和foF1的扰动变化是较小的.此次地震前foF和foF1的明显增强仅在5月10日出现在离震中较近的重庆，其扰动幅度与区域相比较小.一般认为电离层E和F1层处于光化学平衡状态，与理论上的Chapman层符合的较好.电离层foF和foF1分别较规则地随太阳活动性变化，但也会出现扰动，可能与电磁运动有关.foF和foF1主要受光电离产生率、电子与分子离子的分解复合等因素的影响.其复合系数与等离子体温度、中性分子浓度等有关.与地震过程有关的异常电场可能导致某因素变化，进而导致foF和foF1的增强.
本次地震前TEC的增强区域主要出现于震中以南，同时在南半球磁共轭区出现覆盖面积几乎相等的TEC扰动区域.文献[17]报道低纬地区暴前电离层foF2和TEC同时出现强烈的增强，增强区域主要出现在南北驼峰区，在磁赤道区出现减弱趋势.而hmF2一般未出现明显变化.作者认为foF2和TEC的增强可能是增强的纬向电场和垂直等离子漂移所致，hmF2是由等离子漂移速度不同分量的反相关或“镜”效应所致.
地震前电离层foF2和TEC扰动的共轭分布现象已被多次观测到，即某个地震活动区上方的电离层异常现象会通过磁力线映射到另一半球的磁共轭区.而且震前呈共轭分布的foF2和TEC扰动的相位是不确定的，可能出现增强，也可能降低.伴随foF2和TEC扰动，电离层hmF2一般出现明显扰动.余涛等[11]认为地震活动区域上空的电离层扰动电场可通过磁力线映射到另一半球，造成电离层的扰动，形成共轭分布.而且增强的电离层电场可能导致喷泉效应的加强，从而有利于在沿磁力线对称的区域出现TEC增加.
我们知道电离层F层高度上的中性风场与电场对电离层结构形态有重要的影响，直接关系着电离层foF2和hmF2等参量的变化.我们根据文献[17]介绍的利用电离层参量推求F层垂直等效风场的方法来估算与地震有关的扰动电场信息.一般来说，东向电场E或子午向中性风U引起垂直向上的等效风场，使得hmF2增加，这样在更高的高度上离子损失系数小，从而使foF2增加.电离层F层垂直等效风场W可表示为[18]
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(1) |
（1）式中I为磁倾角，B为地磁场强度.另一方面可从电离层参量推导W[18]：
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(2) |
（2）式中qm为峰值高度处的电子产生率，βO2和βN2分别为峰值高度处O2和N2分子引起的离子损失系数，aO2和aN2为由实验数据获取的修正因子，H为氧原子标高，Wd为沿磁场方向的双极扩散速度，它们可由经验公式估算或观测数据获取.
根据月中值和实测值数据估算的等效风场分别为W1和W2，电离层峰值高度处的地磁场强度为Bm，则有
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(3) |
假设地震期间热层水平中性风和背景东西向电场变化较小，而与地震相关的过程所引起的电离层异常电场为ΔE，则
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(4) |
上文分析已表明此次地震前foF2和hmF2等参量出现显著的异常增加现象，我们以5月9日6:00UT的实测值数据代入（3）和（4）式来估算电离层异常电场ΔE的量级，结果见表 1.表 1的计算结果与Pulinets[1]等在量级上一致，这在一定程度上映证了地震异常电场假说的可能性.地震前地表异常电场引起的电离层扰动电场与众多因素有关，包括地表异常电场的幅度和水平尺度，震中在电离层高度的投影，地面异常电场向电离层传播的理论模型等，准确计算震前穿透到电离层的异常电场是非常复杂的问题.表 1显示随磁倾角增大，电离层异常电场增强.其中曲靖（磁纬14.2°N）位于赤道异常区，受低纬复杂的电动力学效应影响；兰州（磁纬24.7°N）位于中纬区，重庆和拉萨位于中低纬过渡区，受中性风场拖曳引起离子和中性成分运动以及电场引起等离子体漂移运动等影响.表 1仅是与地震过程所引起的电离层异常电场的数量级估算，对这些估算值的定量分析正在进一步研究中.
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表 1 据经验公式估算的F层异常电场 Table 1 The F region abnormal electric field estimated by the experiential formula |
地震过程不完全是一个突变过程.孕震期、临震前、主震和余震期间，形变和电磁等地球物理场都要发生不同程度的变化.这些变化将不同程度地影响震区周围的大气圈层，直到电离层高度.而且，地震前电离层参量扰动的幅度、相位、提前时间、扰动持续时间等与诸多因素有关，包括地震区不同的地壳构造，氡气辐射和异常电场的时间变化，不同的天气条件，季节，太阳与地磁活动，震中的经纬度，电离层观测站与震中的相对位置等[1].其中有的因素具有规则的变化，而其他的具有偶发性.
值得注意的是由于电离层本身较强的逐日变化，刘立波等[19]的研究结果显示在磁暴前的低地磁活动期间电离层可出现较大的增强，甚至在地磁非常平静的时期，电离层可出现高达200%的增强现象.目前我们尚无直接观测证据证明震前电离层参量的某些变化特征是由地震引起的.
低层大气中存在丰富的波动现象，如重力波、潮汐波和行星波等，这些波动可以上传到低电离层甚至F层高度，不仅为电离层提供重要的动量和能量源，还对电离层参量的空间时间分布产生重要影响.可通过从中低层大气参数（如风场）数据中分析低层大气波动，或从电离层参量foFs，foF2和h′F等数据分析潮汐波和行星波周期的分量，研究电离层对这些低层大气波动的响应，探索中低层大气对电离层影响的物理机制.本文的4个电离层站缺乏大气风场数据，我们仅采用最小二乘拟合等方法对foFs和foF2等参数的大气波动分量进行了初步分析，未发现明显的行星波和潮汐波扰动现象，相关工作正在进一步研究中.
虽然研究结果[1]表明震前电离层异常有可能作为地震前兆，但是由于震前岩石圈和电离层耦合的复杂性和电离层异常形态的多样性，若将震前电离层异常作为地震前兆用于实际地震预报中，在物理机理和电离层异常前兆信息的提取等方面还有许多工作要做.
4 结论本次地震前在震中以南区域存在电离层参量的明显异常扰动.其中电离层foF和foF1在大地震前的扰动程度与区域很小，主要于震前2天的正午时段在离震中较近的重庆出现显著扰动，显示了较强的规律性.电离层foFs，h ′F和hmF2在震前多次出现增强现象，扰动出现时间无明显的规律性.h ′F的较强扰动一般出现在夜间，在震前1~5日都出现.电离层foF2与TEC具有相似的扰动变化规律.各站的电离层foF2和TEC在5月9日和10日午后两次出现显著的增强，离震中距离越近，增强效应越明显.TEC的增强区域主要出现于震中以南，与电离层参量异常增加主要出现在震中以南的重庆，曲靖等地的现象是一致的.
考虑到震前2~3日的太阳和地磁等空间天气活动非常平静，基本可以排除地球外部空间等因素的影响，认为这些电离层参量扰动很可能与此次地震事件有关.其中foF2和TEC的扰动最明显，且具有独特规律，适合作为地震的电离层前兆异常参量.但本次地震前的电离层扰动是否一定由地震过程引起或地震引起此次电离层扰动的物理机制如何，尚需进一步研究.
致谢本文所用电离层垂测站数据由中国电波传播研究所数据中心提供，全球TEC数据由IGSCODE网站提供，太阳活动与地磁活动数据由世界数据中心（WDC）提供，在此表示感谢.
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