地震岩石层—大气层—电离层耦合机理研究

【摘要】： 近年,国内外很多卫星观测结果表明地震产生的溢出气体、地表颤动、电磁辐射等能够在电离层产生扰动。地震电离层前兆研究受到各国科学家的重视,很可能发展成为地震短临预报的重要手段。地震引起电离层扰动的机理问题也受到普遍关注,被称为“地震岩石层-大气层-电离层耦合机理(Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling Mechanism Related to Earthquakes)”。LAI耦合机理的研究可以为从卫星观测数据中提取地震异常提供一定的理论依据。对该耦合系统的认识依赖于实验观测、理论分析和数值模拟等综合研究工作,其中,数值模拟起着重要作用。目前国内外进行的地震LAI耦合数值模拟主要包括直流电场耦合模拟、声重波耦合模拟以及电磁波耦合模拟。电磁波耦合是诸多LAI耦合模型中唯一不需通过不同物理量相互作用而实现地震LAI耦合的方式。本文将重点研究地震LAI电磁耦合模拟。 很多卫星在电离层中记录到明显的甚低频(Very Low Frequency)、极低频(Ultra Low Frequency)、超低频(Super Low Frequency)频段地震电磁信号。法国、美国、俄罗斯等国相继发射了地震电磁卫星DEMETER,QuakeFinder,Compass-2等来观测地震引起的地球空间电磁环境的变化。中国的地震电磁卫星计划正在紧锣密鼓的推进。以往国内的地震电离层电磁前兆研究主要是对卫星数据的处理分析,缺乏数值模拟方面的理论研究。本论文是我国首次开展地震电离层耦合机理研究,填补了空白,可以为将来的中国地震电磁卫星的数据资料分析处理以及地震电离层试验网的立项论证提供理论及技术支撑。 本文的研究内容、具体研究方法、研究结果及结论如下: (1)从各向异性介质中的麦克斯韦方程组出发,把电离层模型简化为均匀不分层,推导计算均匀不分层电离层的反透射系数及折射率表达式。分析了VLF频段入射电波频率、入射角,地磁倾角、电子碰撞频率、电子浓度等介质参数对均匀不分层电离层的反透射系数及折射率的影响。计算发现:电离层电导率矩阵必须满足一定的色散关系时,其中才有可传播的电磁横波;另外,计算结果还表明:电波入射角越小,越容易进入电离层;频率越高,在电离层界面的穿透能力越强,进入电离层后的色散和损耗越小。电离层电子浓度大,电波越不容易透射,在其中传播的电波的色散和衰减越大;电子碰撞频率越大,VLF电波越容易进入电离层,其中的寻常波色散越大衰越小,而非寻常波刚好相反。纵传播的衰减和色散最小,横传播相反,所以电波倾向于沿着磁力线传播。地磁倾角越大,透射越强,所以磁赤道处,电波很难进入电离层。 (2)在此基础上把电离层看做更接近物理实际的水平分层电离层,利用传播矩阵法与革兰-施密特(Gram-Schmidt)正交化相结合的全波法数值求解斜向地磁场影响下水平分层电离层中的麦克斯韦方程组,构建了电波在电离层中的传播模型。分析了VLF频段电波反射系数、极化、电离层中的场结构和能量随高度及电波频率的变化特性。计算结果表明:电离层中有两种特征波,其中右旋极化波传播速度小衰减也很小,左旋极化波刚好相反。任意极化的VLF电波进入电离层后都会发生极化倒转,变为稳定的左旋和右旋的圆极化。电波在电离层各层中,由于D层带电粒子与中性粒子之间的强烈碰撞而被严重吸收且其中的电波特性不稳定;左旋极化波被电离层D层强烈吸收,为不可传播模,而右旋极化波在电离层中为可传播模,可见碰撞对电波能量的衰减起决定作用。另外,电波频率越低垂直方向的坡印廷能流密度越大,这说明地震辐射的低频电磁波更易被卫星观测到。 通过与均匀不分层电离层计算结果的比较发现,为保证今后进一步定量计算的精度,必须采用分层电离层模型。 (3)电波在电离层以下的传播,采用三维球面地-电离层波导模型。将其与基于全波法的电离层电波传播模型相结合,构建了LAI电磁耦合模型。借助澳大利亚长波导航台发射的导航信号,计算了卫星高度的场强,验证了论文建立的地震LAI电磁耦合模型的正确性。结果表明:地面VLF人工源在电离层中激发的场地面VLF人工源在电离层中激发的场由于地-电离层波导作用呈现一组同心圆环;圆环具有明显的南北不对称性,北大南小,这说明人工源激发的哨声模容易沿磁力线传播;同心圆环中心在地面的投影相对于发射源,沿磁力线偏向磁赤道方向,偏移量与发射源所在纬度有关。计算结果与观测结果趋势一致性良好,但计算值稍大。可能是因为模型计算时没有考虑电离层不均匀体对电波的散射造成的能量损耗,也有可能是电离层分层层数不足造成的,另外我们把发射源理想化为垂直电偶极子也可能造成误差。 通过以上研究得到以下初步认识:地震辐射的电波频率越低越易被卫星接收,与国外专家的相关研究结果及卫星观测结果一致,可为中国地震电磁卫星观测提供了理论依据。并且只有垂直、右旋极化的低频电波才能进入电离层深部被卫星观测到。在高纬观测到地震电离层电磁异常的几率比在低纬大。地面VLF人工源在电离层中激发的场中心在地面的投影相对于发射源的偏移量与发射源所在纬度有关,这种偏移规律可能为解决地震定位这一难题提供依据。