2011, Vol. 54
2. 北京航空航天大学宇航学院,北京 100191;
3. 中国地震局地震预测研究所,北京 100036;
4. 中国地震局地球物理研究所,北京 100081
2. 2. School of Astronautics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China;
3. 3. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
4. 4. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
在太阳同步轨道高度卫星既可以探测到来自空间的电磁波动(包括:电磁离子回旋波、哨声波、嘶声、合声、地磁脉动等)信号，也可以探测到来自地面电磁扰动(如:人工VLF电磁波、电力输运线路的谐频电磁波、雷电激发地磁扰动等)信号[1].早在19世纪末期，英国地震学家Milne发现源于地球内部的地震活动也会产生局部近地空间的电磁扰动.随着地震电磁扰动探测事例的增加[2~8]，人们开始关注空间对地观测，并期望这种地震前就开始产生的电磁异常扰动可以应用于地震的短临预报.
在太阳同步卫星轨道上监测电离层粒子和电磁波背景场的地震响应是近年来针对地震现象开发的新的研究项目，法国2004 年发射的DEMETER 卫星[9](600~700km 高度的圆轨道极轨卫星)是执行上述使命，并迄今仍在巡游太空的专业卫星.通过国际合作，我们下载了DEMETER 卫星的连续探测数据，用于建立太阳活动低年电离层电磁探测背景场.
一般来说，来自空间的电磁波动具有大尺度的全球分布特性，并随着地磁活动增强而增强；来自地面的电磁扰动的时空尺度相对较小，具有一定的地理分布特征.为了从来源众多的磁场VLF波中识别地震异常信号，我们需要首先建立地磁宁静条件下的磁场VLF 波背景场，并研究来源不同的磁场VLF波的扰动特性.
利用搭载在DEMETER 上的磁场搜索线圈[10](InstrumentMagnetometerSearchCoil, IMSC)连续探测数据分析了磁场VLF波功率谱的空间分布.在排除地磁扰动影响(Dst≤-30nT，Kp≥3，AE≥200nT)的前提下，我们给出2007年(太阳活动极小年)，春、夏、秋、冬四个不同季节，对应的日侧和夜侧磁场VLF波功率谱背景场和统计误差分布.本文考虑了3种不同的地磁活动指数:Dst指数是对磁暴环电流强度的量度，太阳活动低年发生率不高；Kp指数代表除日变化和暴时变化长期分量外其他现象引起的扰动变化；AE指数是对亚暴极光电急流强度的量度，其发生率很高几乎每天都会出现.同时考虑3种不同的地磁活动指数以期排除所有地磁扰动影响.在采样过程中3种不同的制约会有重叠，但不同的制约基本反映了各自的地磁活动特性.磁场VLF 波功率谱全球分布的经度变化主要是磁倾角引起的，卫星轨道覆盖区在地磁坐标系里的纬度覆盖范围是从-65°~+65°.我们还讨论了磁场VLF波功率谱空间分布的频谱特性和季节变化，以及磁场VLF波功率谱在地球磁场异常区域(如:百慕大三角区、南大西洋异常区)的分布特性.
2 地磁宁静期间磁场VLF 波功率谱的全球分布DEMETER 是一颗圆轨道极轨卫星[9]，运行高度670km, 升交点位于地方时10∶00~10∶30，环绕地球的轨道周期约为100 min.由于地球自转，相邻轨道的经度相差约25°(在670km 高度处，1°~123km).DEMETER 卫星轨道覆盖的重访周期为16天，每个季节卫星轨道全球覆盖次数约为5.6次.我们把2007年2月4日到2008年2月3 日的DEMETER卫星数据按春、夏、秋、冬四个不同季节，分日侧和夜侧，对应不同地磁活动指数进行统计采样，采样结果由表 1给出.日侧和夜侧地磁活动与宁静的采样数比率大致相同:亚暴(AE≥200nT)~0.25，磁暴(Dst≤ -30nT)~0.05，太阳风高速流引起的高纬度极区的地磁扰动(Kp≥3)~0.23，其中，地磁活动采样数比率在秋季偏低，冬季偏高.这样亚暴期间(AE≥200nT)的采样时段的总和约有1.12个卫星轨道重访周期.考虑到亚暴时段分布的不均匀性，很难得到一幅完整的全球覆盖分布图像.高纬磁扰动(Kp≥3)与亚暴的情况差不多，约为1.03个卫星轨道重访周期；而磁暴(Dst≤-30nT)的采样时段总和只有~0.22个卫星轨道重访周期.采样高度约为672±10km.采样的地方时(每轨的地方时在赤道附近白天是10∶30，夜间是22∶30)时区日侧接近正午(~10.2±2h)，夜侧接近午夜(~22.2±2h).
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表 1 采样情况统计表 Table 1 Statistical table of the sampling status |
我们把全球面分成90×90均匀网格，每个网格均为4°(经度)×2°(纬度)，在±65°纬度范围的有效统计网格内，每个网格的平均统计样本数:地磁宁静条件下约为75 个，地磁活动条件下约为16 个.其中，秋季的平均统计样本数只有上述采样数目的一半.
2.1 磁场VLF波功率谱的地理分布我们把磁场VLF 波(0.02~20kHz)的功率谱均分成8个频率宽度为2.5kHz的频段，取每个频段功率谱的平均值代表该频段的频谱特性.来自空间的离子回旋波、哨声波、嘶声和合声，以及地磁脉动等，频率通常小于2.5kHz, 均包含在磁场VLF波的第一频段.以第一频段(0.02~2.5kHz)为例，我们给出了2007年地磁宁静期间磁场VLF波功率谱密度(图 1)及相对误差(图 2)的统计全球分布.为了表现磁场VLF波功率谱的地域分布特性，这里均采用地理坐标系描述电离层磁场VLF 波功率谱的分布.
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图 1 2007年地磁宁静期间磁场VLF波功率谱的全球平均分布 图组左边为日侧，右边为夜侧；从上到下分别表示春、夏、秋、冬四个季节. Fig. 1 Global distributions of magnetic VLF power spectrum for geomagnetic quiet status during 2007 The panels at the left are shown for the daytime, the right the nighttime, where those panels from top to bottom are shown separately for spring, summer, autumn and winter. |
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图 2 2007年地磁宁静期间磁场VLF波功率谱相对统计误差的全球分布图组排列方式与图 1相同. Fig. 2 Global relative error distributions of magnetic VLF power spectrum for geomagnetic quiet status during 2007 Those panels are arranged by using the same fashion employed in Fig. 1. |
磁场VLF波功率谱的空间分布特性随磁纬度升高而增强.在百慕大三角附近区域，夜侧出现磁场VLF波功率谱增强，其中，以秋季(图 1 右侧第三幅)最为显著.
地磁宁静期间磁场VLF 波功率谱的相对统计误差分布形态与图 1 相似(图 2)，功率谱密度大的区域相对误差也比较大(约为30%).大部分中低纬区域(除去少数磁场VLF 波辐射异常区)的磁场VLF波功率谱相对误差在10% 以下，甚至更低.
地磁宁静期间磁场VLF 波功率谱和相对统计误差的地理分布可以作为判定特定时段某个地震敏感区域磁场VLF波辐射异常的背景参照.为了进一步分析磁场VLF波功率谱的频谱特性和季节变化，以及地磁活动响应特性，我们对地磁宁静期间和对应不同地磁活动指数所采集的磁场VLF 波功率谱在地理坐标系中的全球平均分布进行了纬度(≤65个格点)和经度(≤90 个格点)的统计.统计平均值和统计误差用带误差棒的曲线表示，并针对不同研究课题把上述统计分布曲线进行了分组组合分析如下.
2.2 磁场VLF波的频谱特性和季节变化在太阳同步卫星高度(670km)地磁宁静期间磁场VLF波功率谱密度随频率升高而降低，但在10.0kHz和20.0kHz附近有反常变化.电离层离子回旋波的频率(Ωi =eB/mi ∝B)约为几百赫兹，包括波粒相互作用产生的哨声、嘶声和合声均包含在0.02~2.5kHz的频段(图 3A0 和B0 中的黑色曲线).由于上述波动与磁场相关，随着纬度升高磁场增强，对应的磁场VLF 波功率谱密度增加.磁场VLF波功率谱密度增强的区域在纬度±40°以上的高纬度区，日侧增强幅度较大，夜侧相对弱一些.
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图 3 2007年地磁宁静期间磁场VLF波功率谱的频谱特性组图的第一个标号A为日侧，B为夜侧.左边图组（第二个标号0)表示磁场VLF波功率谱低频端4条谱线：黑色为0. 02～2. 5 kHz，红色为2. 5～5. O kHz，绿色为5. 0～7. 5 kHz，蓝色为7. 5～ 10.0 kHz.右边图组(第二个标号1)表示磁场 VLF 波功率谱髙频端4条谱线：黑色为10.0～12.5 kHz，红色为12.5～15.0 kHz，绿色为15.0～17.5 kHz，蓝色为17.5～20.0 kHz.每组曲线图左边为纬度变化，右边为经度变化;从上到下分别表示春、夏、秋、冬四个季节. Fig. 3 Four set of spectral characteristic graphs of magnetic VLF power spectrum for geomagnetic quiet status during 2007 are named A0, A1, B0 and B1 The first tab “A” means daytime, “B” nighttime; the secondtab “0” stand for 4 lowbandofmagneticVLFpower spectrumwith frequencyof 0. 02～2. 5 kHz (black)，2. 5～5. 0 kHz (red)，5. 0～7. 5 kHz (green) , 7. 5～10 kHz (blue) ; and “1” 4highbandwith frequencyof10. 0～12. 5 kHz (black)，12. 5～15. 0 kHz (red)，15. 0～17. 5 kHz (green)，17. 5～20 kHz (blue). In each graph series the lett panels display latitude variations , the right panels longitude variations； the panels from top to bottom are shown separately for spring , summer，autumn and winter. |
在电离层高度，当低混杂波的频率 
磁场VLF波功率谱密度的经度分布(每组图右侧的曲线)常和地球表面的磁场结构有关.图 3A1和B1的12.5~15.0kHz和15.0~17.5kHz频段，在经度:-90°~ +30°，纬度:-20°~ -60°区域里，磁场VLF波功率谱密度曲线(图 3A1红色和绿色)有一个隆起对应着南大西洋磁场异常区(将在2.3节讨论).图 3B0和图 3B1中夏秋两季多个频段在经度290°附近有个峰值对应着图 1的百慕大磁场异常区.
子午面里地磁轴的方向是随着季节变化的(这里季节是按北半球的状况来规定的，南半球则正好相反)，在地理坐标系里的中高纬度区域我们看到夏季北半球磁场VLF波功率谱密度增加大于南半球.而冬季则相反，南半球磁场VLF波功率谱密度增加大于北半球，因为北半球的冬季是南半球的夏季.在低纬度赤道区各个频段的功率谱季节变化不大.只有10.0~12.5kHz频段(图 3A1上和图 3B1上)的低混杂波冬季的功率谱(黑色曲线)明显降低，而夏季则略有升高.一般来说，磁场VLF 波功率谱密度经度分布的季节变化不大，只有百慕大附近(经度240°~310°)夜侧的夏(图 3B0 和B1 中第2 行)秋(图 3B0和B1中第3行)两季多个频段的磁场VLF波功率谱密度增长明显.
2.3 磁场VLF波在特定异常区的地源性特征磁场VLF波功率谱密度的经度分布(图 3中每组图右侧的曲线)变化常和地球表面的某些特殊磁场结构有关.图 3A1和B1右侧(12.5~15.0kHz, 红色和15.0~17.5kHz, 绿色)，在经度:270°~360°和0°~30°，纬度:-20°~ -60°区域里，磁场VLF波功率谱密度曲线有一个隆起，对应着图 4 中看到的南大西洋磁场异常区.在南大西洋异常区，同一高度处的磁场比邻近区域弱，使磁漂移壳产生畸变形成了一个“磁漏斗".这样，在此区域被捕获粒子总量增加，成为低轨道卫星粒子(主要是质子)辐射损伤的重灾区[11].由磁场VLF 波功率谱的频谱特性(2.2节)，我们知道670km 高度全球平均功率谱增强的频率在10kHz附近，而DEMETER 卫星在南大西洋异常区探测到的磁场VLF 波功率谱增强频移到15kHz附近，据此判断南大西洋异常区的离子数密度至少是周围环境的1.2倍.
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图 4 12.5～15.0kHz频段（A)和15.0～17.5kHz频段（B)，2007 年地磁宁静期间磁场VLF波功率谱的全球平均分布图组每组图的排列方式都与图 1相同. Fig. 4 Global distributions ofmagneticVLFpower spectrum with frequency band 12.5～15.0 kHz (八）and 15.0～17.5 kHz (B) for geomagnetic quiet status during 2007 In each graph series the panels are arranged by using the same fashion employed in Fig. 1. |
另一个地球磁场异常减弱的区域就是百慕大三角区.夜侧(图 3B0和图 3B1)秋、夏两季多个频段的磁场VLF波功率谱密度经度分布在百慕大磁场异常区(经度290°)附近有一个峰值，对应的功率谱密度极大区向东延伸覆盖了墨西哥湾的大片区域.图 4中，图组右侧的中间两幅在该区域的功率谱增强也十分明显.由于该区域磁场VLF波功率谱密度增强的频段很多，且季节特征明显，我们判断功率谱增强和多种成分离子的声波相关，并受到了气象因素的影响.
除上述两个地磁异常区外，在图 4A和B 的夜侧(右边)陆地与海洋的边缘附近我们还看到一些分布斑驳的磁场VLF波功率谱密度增强带(浅蓝色亮点形成的带状分布)环绕亚洲板块和部分南亚到澳洲的区域.根据以往的经验，地震结构产生的电磁扰动在电离层同步高度的响应位置与地面相比总有一定程度的偏差[12].从分布形态判断，这也许和板块边缘的地磁结构变化有关，有待进一步考证.
3 磁场VLF波的地磁活动全球响应图 5给出太阳活动低年(2007年)，8个不同频段(图组的第一个标号:A~H)，日侧(图组的第二个标号为0)和夜侧(图组的第二个标号为1)，不同季节的磁场VLF波功率谱地磁活动的纬度和经度响应曲线，对应的统计误差用误差棒表示.磁场VLF 波功率谱密度的地磁活动增加幅度与地磁活动指数类型有关:磁暴(Dst≤ -30nT)期间，统计采样约占总采样的4%，磁场VLF 波功率谱密度(图 5中的绿色曲线)的地磁活动平均增幅最高；亚暴(AE≥200nT，统计采样约占到总采样的20%)，和一般性磁扰动(Kp≥3，统计采样约占到总采样的18%)期间，磁场VLF波功率谱密度(图 5中用红色和蓝色曲线表示)的地磁活动平均增幅明显小于磁暴期间的平均增幅，其中，高纬磁扰动平均增幅略高于亚暴平均增幅.磁场VLF波功率谱密度的地磁活动平均增幅越大，对应的扰动幅度(统计误差)也越大.这里对应的量值变化都用图表示.
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图 5 2007年磁场VLF波功率谱的地磁活动响应曲线 组图的第一个标号，A～11，8组曲线图依次表示从低到髙8个频段（A:0. 02～2. 5 kHz，B:2. 5～5. 0 kHz，C:5. 0～7. 5 kHz，D:7. 5～10. O kHz，E:10. 0～12. 5 kHz， F:12.5～15.0 kHz,G:15.0～17.5 kHz，11:17.5～20.0 kHz).左边图组（第二个标号0)表示日侧，右边图组(第二个标号1)表示夜侧.每组曲线图左边为纬度变化，右边为经度变化;从上到下分别表示春、夏、秋、冬四个季节. Fig. 5 16 set of geomagnetic activity response curve graphs of magnetic VLF power spectrum for geomagnetic quiet status during 2007 are named A0 , A1 , to H0 and H1 successively The first tab “ A” means0.02～2. 5 kHz frequency band , B： 2.5～5.0 kHz，C: 5.0～7. 5 kHz , D： 7. 5 ～10. 0 kHz，E： 10. 0～12. 5 kHz , F： 12. 5～15.0 kHz，G: 15.0～17. 5 kHz , H ： 17. 5 ～ 20. 0 kHz； “ B”； the second tab “0” stand for daytime , and “L” nighttime. In each graph series the lett panels display latitude variations , the right panels longitude variations； the panels from top to bottom are shown separately for spring , summer , autumn and winter. |
在代表离子回旋波、嘶声、合声和哨声的低频段(0.02~2.5kHz, 图 5A0 和A1)，磁场VLF 波功率谱密度的地磁活动响应幅度最大.磁暴期间功率谱的最大增幅达8倍左右.亚暴和高纬磁扰动期间，功率谱的最大增幅也有3~4倍.随着频率升高磁场VLF波功率谱的地磁活动响应幅度趋于平缓，在磁场VLF波功率谱的频谱末端(17.5~20.0kHz, 图 5H0和H1)，除去夜侧墨西哥湾附近的百慕大磁场异常区，功率谱密度纬度分布的地磁活动响应最大增幅下降到地磁宁静期间功率谱密度的10%以内.
磁场VLF波功率谱密度的地磁活动响应区域，我们分日侧和夜侧分别进行讨论.在日侧，磁场VLF 波功率谱密度的地磁活动响应主要表现在高纬度区域.随着频率的升高地磁活动响应区域的低纬边界向高纬方向移动，从约25°(图 5A0)移到约45°(图 5H0).夏季北半球的磁场VLF 波功率谱地磁活动响应幅度大于南半球；而冬季则相反，北半球的磁场VLF波功率谱地磁活动响应幅度小于南半球.在夜侧，总的功率谱地磁活动响应分布变化趋势与日侧相同.夜侧高纬度区域的功率谱地磁活动响应幅度比日侧低，但响应范围向低纬方向有所延伸.
图 5中，组图右侧的功率谱地磁活动响应经度分布曲线上的大部分锯齿形起伏是采样时段的大尺度(天量级)不连续性造成的.对于2.3节提到的两个地球磁场异常区，情况就不同了.在12.5~15.0kHz和15.0~17.5kHz频段看到的南大西洋磁场异常的区域里，图 5F0和5G0中看不出特殊的功率谱地磁活动响应增强.对于夜侧(图 5F1和图 5G1)，尤其是在秋、夏两季，多个频段都能看到的百慕大地磁异常区，功率谱表现出明显的地磁活动响应增强(如图 5中组图第二个标号为1 的，秋季的功率谱纬度分布在北纬20°附近有一个地磁活动响应的隆起；夏、秋两季的功率谱经度分布在290°附近也有一个对应的地磁活动响应隆起)，并显示出与高纬极区相同的地磁活动响应观测特性；其中，以磁暴响应曲线(绿色)最为突出.
总之，地磁活动引起的磁场VLF波功率谱扰动增强主要表现在磁场VLF波的低频段；扰动响应区域出现在高纬度区，并具有明显的全球响应特征.在低纬赤道区附近(纬度:~ ±40°之间)，地磁活动的日侧响应很小，但夜侧等离子体片方向磁场VLF波功率谱表现出明显的磁暴增强.
4 结论在670km 高度，电离层磁场VLF 波的频谱大致分两个频段，即离子回旋波的频段和低混杂波频段.电离层离子与不同波模相互作用产生磁声波及合声使得磁场VLF 波的功率谱得到不同程度的加强.我们选取太阳活动低年(2007 年)的磁场VLF波功率谱卫星探测数据建立了地磁宁静条件下的磁场VLF波背景场.
地磁宁静期间磁场VLF 波功率谱密度随频率升高而降低，随着纬度升高而增强.磁场VLF 波功率谱密度最大的频段主要出现在离子回旋波频段(0.02~2.5kHz).磁场VLF 波功率谱增强的区域在纬度±40°以上的高纬度区，其中，日侧功率谱增强幅度大于夜侧.随着频率升高磁场VLF波功率谱的经纬度变化趋于平缓，但功率谱密度在10.0kHz附近(对应低混杂波频率)有一次小幅增强.
在地理坐标系里的中高纬度区，夏季北半球磁场VLF波功率谱密度增加大于南半球.而冬季则相反，南半球磁场VLF 波功率谱密度增加大于北半球.在低纬度赤道区各个频段的功率谱季节变化不大.在10.0~12.5kHz频段，冬季的功率谱明显降低，而夏季则略有升高.
地磁活动引起磁场VLF波功率谱密度增高.在0.02~2.5kHz频段，磁暴(Dst≤-30nT)期间功率谱的最大增幅达8倍左右；亚暴(AE≥200nT)和高纬磁扰动(Kp≥3)期间，功率谱的最大增幅也有3~4 倍.随着频率升高磁场VLF 波功率谱的地磁活动响应幅度趋于平缓.在日侧，磁场VLF 波功率谱密度的地磁活动响应主要表现在高纬度区域.随着频率的升高地磁活动响应区域向高纬方向移动.在夜侧，总的功率谱地磁活动响应分布变化趋势与日侧相同.夜侧高纬度区域功率谱地磁活动响应的增强幅度比日侧低，但响应范围向低纬方向有所延伸.
在12.5~15.0kHz和15.0~17.5kHz频段，磁场VLF波功率谱增强的全球分布清楚地给出了南大西洋磁场异常区的分布轮廓.百慕大地磁异常造成磁场VLF波多个频段在该区域夜侧的功率谱增强，这个磁场VLF波功率谱增强区域还表现出与高纬区相同的地磁活动响应特征.
卫星磁场VLF波功率谱探测背景研究表明，源于空间的地磁扰动和源于地球的局部地磁异常都会引起电离层磁场VLF 波功率谱的变化.特别是在12.5~17.5kHz频段，我们发现了沿板块边缘附近分布的电离层磁场VLF波功率谱增强带，这将为我们探寻由板块运动引起的地球突发事件的电离层响应增加探测依据，为定量甄别此类事件的电离层异常信号积累实用的背景参照.
致谢感谢法国DEMETER 数据中心在网上提供的卫星探测数据.
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