張振霞，李新喬，吳書貴，馬宇蒨，申旭輝，陳化然，王 平，游新兆，袁亞紅

1 地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測工程研究中心，北京 100036

2 中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049

3 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

4 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

5 中國科學(xué)院空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

智利地震前DEMETER衛(wèi)星對(duì)空間高能粒子的觀測

張振霞1，5，李新喬2，吳書貴1，馬宇蒨2，申旭輝4，陳化然3，王 平2，游新兆1，袁亞紅3

1 地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測工程研究中心，北京 100036

2 中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049

3 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

4 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

5 中國科學(xué)院空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

在地震的孕育或發(fā)生期間，地球內(nèi)部巖石圈的活動(dòng)可能會(huì)發(fā)出電磁輻射，引起空間電磁擾動(dòng)，并通過波粒相互作用引起高能電子的投擲角散射，導(dǎo)致高能電子的沉降.本文基于法國DEMETER衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，研究了智利周圍區(qū)域在智利地震期間空間高能電子的通量、能譜的分布及演化，發(fā)現(xiàn)在智利地震發(fā)生前第11天和12天，在以震中為中心，經(jīng)度跨度10°，在DEMETER衛(wèi)星軌道高度上L跨度0.1的區(qū)域內(nèi)，有超出背景4到6倍的高能帶電粒子暴的出現(xiàn)，期間在其北半球磁鏡像區(qū)域也觀測到了顯著的電子通量漲高.粒子暴對(duì)應(yīng)的能譜與2010年前三個(gè)月的平均能譜存在較大差異.同時(shí)觀測到在出現(xiàn)粒子暴的兩條軌道上VLF（Very Low Frequency，甚低頻）電場頻譜分別在300Hz以下以及13～20kHz的頻段存在顯著增強(qiáng)，此擾動(dòng)在時(shí)間和地理位置上與高能粒子暴是一致的.基于回旋共振耦合作用的準(zhǔn)線性擴(kuò)散理論，本文對(duì)所觀測事例的電子能量與電磁場擾動(dòng)頻率做了分析計(jì)算.觀測數(shù)據(jù)和理論計(jì)算有較好的一致性，表明該粒子暴源自ICE（Instrument Champ Electrique，電磁探測器）觀測到的空間電磁擾動(dòng)，這是典型的空間波粒耦合事例.進(jìn)一步分析排除了可能引起粒子暴和VLF電場擾動(dòng)的環(huán)境因素，本文認(rèn)為本次粒子暴和電場擾動(dòng)的觀測可能與智利地震的震前地殼活動(dòng)存在一定關(guān)聯(lián).

DEMETER衛(wèi)星，高能帶電粒子暴，VLF電場擾動(dòng)，智利地震，波?；匦舱耨詈?/p>

1 引 言

電離層擾動(dòng)這一現(xiàn)象與地震活動(dòng)的關(guān)系已經(jīng)被研究了幾十年，其中包括空間電磁場在水平和豎直方向的變化、粒子密度的變化、溫度的變化以及高能粒子通量的改變等.1982年1月21日，Intercosmos－Bulgaria－1300衛(wèi)星在地震帶的震中上空赤道附近觀測到甚低頻電磁波擾動(dòng)［1］.Parrot等人通過對(duì)GEOS－2衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在距離衛(wèi)星在經(jīng)度20°范圍內(nèi)的極低頻ELF電磁信號(hào)增強(qiáng)與4.7級(jí)以上地震相關(guān)系數(shù)為0.54［2］.Intercosmos 19衛(wèi)星觀測到了低頻（0.1～16kHz）無線電波發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度的反常增強(qiáng)，這個(gè)增強(qiáng)和地震活動(dòng)的相關(guān)系數(shù)大于0.8［3］.Moshe Merzer等人報(bào)道了秘魯?shù)卣鹎?2天觀測到了大于10倍本底的ULF（Ultra Low Frequency，超低頻）磁場擾動(dòng)現(xiàn)象［4］.此外，還有很多衛(wèi)星觀測到電離層擾動(dòng)和地震活動(dòng)存在關(guān)聯(lián)［5－10］.

文獻(xiàn)［11］介紹了用天然石英巖塊等進(jìn)行的電磁波發(fā)射實(shí)驗(yàn)，提出巖層突然破裂和斷層兩側(cè)巖石劇烈摩擦是產(chǎn)生地震電磁波的一種重要機(jī)制.并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出，巖石所發(fā)射的電磁波頻率值從幾千赫茲到幾百千赫茲.另外，文獻(xiàn)［11］還指出了1978年9月16日伊朗發(fā)生的7.4級(jí)地震期間，在距震中1200km的前蘇聯(lián)達(dá)吉斯坦觀測站，三套不同波段上（頻帶是104到105Hz）的接收機(jī)，在震前55min分別接收到27、385、1600kHz的電磁波.由此可見，當(dāng)夜間電離層吸收較弱時(shí)，地球巖石碰撞的電磁輻射可以傳播到距離地面幾百公里空間.

地震對(duì)空間電子和等離子體密度的擾動(dòng)也有很多報(bào)道.Akhoondzadeh等發(fā)現(xiàn)DEMETER和GPS（Global Positioning System）分別觀測到的電子和離子密度在四個(gè)大地震附近出現(xiàn)的異常擾動(dòng)是一致的［12］.更早的，Gokhberg等報(bào)道了AE－C和ISIS－2衛(wèi)星觀測到震前當(dāng)?shù)氐牡入x子體擾動(dòng)［13］.另外2008年5月12日發(fā)生8.0級(jí)汶川地震以后，Shivalika Sarkar等報(bào)道了與汶川地震發(fā)生相聯(lián)系的等離子體擾動(dòng)和電場擾動(dòng)異常［14］.

在高能粒子的觀測方面，Voronov等［15－16］第一次分析了MARIA實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，并且報(bào)道了短期的近地空間的高能帶電粒子暴與地震活動(dòng)之間的關(guān)聯(lián).利用MARIA－2、GAMMA－1、ELECTRON和PET實(shí)驗(yàn)裝置的新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Aleksandrim等觀測到了地震活動(dòng)中的空間高能帶電粒子暴，并證實(shí)了粒子暴與地震活動(dòng)在時(shí)域和地域上的關(guān)聯(lián)性［17］，其觀測分析結(jié)果表明，高能帶電粒子暴所在的磁殼層位置和地震所在的磁殼層位置幾乎是一樣的.另外，李新喬等人通過分析DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在汶川地震期間震中附近的NWC（North West Cape）電子沉降帶上，電子的通量和能譜上都出現(xiàn)顯著增高，并伴隨了在震中區(qū)域的400Hz磁場的與電子演化相反趨勢［18］.

回顧近年來的電離層擾動(dòng)和地震活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性研究，與地震活動(dòng)相關(guān)的電磁場和等離子體擾動(dòng)的報(bào)道較多，而高能粒子通量擾動(dòng)則很少.有限幾個(gè)事例表明，當(dāng)?shù)卣鸹顒?dòng)伴隨了電磁輻射并傳播到空間，可以通過波粒作用引起空間高能帶電粒子的通量變化.

DEMETER（Detection of Electro－Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions）衛(wèi)星的目的是對(duì)地震和火山活動(dòng)引起的地球電離層擾動(dòng)進(jìn)行觀測和研究.它攜帶有探測電場、磁場、等離子體以及高能電子的多種探測器［19－21］.其中，高能粒子探測器IDP（the Instrument for the Detection of Particles）可以探測其所在位置的高能電子，給出通量和能譜信息，并給出大致的投擲角范圍；電場分析儀ICE（Electric Field Instrument）可以提供電離層中的不同頻段的電場信息.

發(fā)生于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年2月27日凌晨3∶34的智利地震是至今歷史上所記錄到的十大地震之一，里氏震級(jí)達(dá)到8.8級(jí)，震中位于（36.1°S，72.9°W），在DEMETER衛(wèi)星高度對(duì)應(yīng)的磁殼層參數(shù)L的值約為1.32.本文對(duì)智利地震期間DEMETER衛(wèi)星IDP探測器的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在智利地震發(fā)生前的第11和12天，高能電子通量存在顯著漲高，對(duì)應(yīng)能譜相對(duì)3個(gè)月同區(qū)域平均譜有4到6倍增強(qiáng)，增強(qiáng)的能區(qū)在這兩天有明顯差異.與之對(duì)應(yīng)的，通過分析電場分析儀（ICE）數(shù)據(jù)，本文觀測到相同兩天的VLF電場存在對(duì)應(yīng)的增強(qiáng)，并用波粒耦合理論研究了電子暴與電場增強(qiáng)之間的關(guān)系.

2 DEMETER數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)選取

DEMETER衛(wèi)星的軌道是準(zhǔn)太陽同步軌道.從北半球到南半球的半軌為降軌（downward），而從南半球到北半球的半軌則稱為升軌（upward），降交點(diǎn)與升交點(diǎn)分別為10∶15和22∶20［18］.本文選擇升軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)貢r(shí)間的夜晚，此時(shí)電離層對(duì)VLF電磁波的吸收較小，來自地面的VLF電磁波可以穿透電離層到達(dá)輻射帶.首先本文選取了2010年1至3月的IDP高能粒子探測器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按三個(gè)能段90.7～600keV、600～1000keV和1000～2351keV對(duì)帶電粒子平均計(jì)數(shù)率分別統(tǒng)計(jì).分析區(qū)域?yàn)檎鹬校?6.1°S，72.9°W），以L＝1.32為中心，經(jīng)度上東西±5°和L值±0.05的區(qū)域（本文稱之為南半球分析區(qū)域）.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年前三個(gè)月經(jīng)過該區(qū)域的衛(wèi)星升軌軌道共有42條，它們的飛行軌跡見圖1.

2.2 電子通量隨時(shí)間的演化

圖1 2010年前三個(gè)月的經(jīng)過智利震中上空的所有升軌軌道黑色五角星是智利地震震中位置（36.1°S，72.9°W）.Fig.1 Orbits over epicenter region of Chile earthquake in the first three months of 2010 The black pentagram denotes the epicenter position of the quake（36.1°S，72.9°W）.

衛(wèi)星在每一個(gè)軌道飛過智利地震震中上空所選區(qū)域的時(shí)間約幾分鐘.2010年前三個(gè)月，每天在智利地震震中上空的高能粒子平均計(jì)數(shù)率見圖2.從圖中可以看到，三個(gè)能段上粒子計(jì)數(shù)率存在顯著增高.這對(duì)應(yīng)了連續(xù)兩天觀測到的粒子暴，圖2a能區(qū)為90.7～600keV，2010年2月16日的“峰”來自軌道號(hào)為30109的升軌數(shù)據(jù)；圖2b和圖2c分別對(duì)應(yīng)600～1000keV和1000～2351keV能區(qū)，2月15日的“峰”均來自軌道號(hào)為30094的升軌數(shù)據(jù).圖中表明，這三個(gè)能段上的漲高都超過平均值4到6倍.

在輻射帶帶電粒子在地球準(zhǔn)偶極地磁場中的運(yùn)動(dòng)理論中，帶電粒子有三種絕熱運(yùn)動(dòng)：螺旋運(yùn)動(dòng)、彈跳運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)［22］.本文認(rèn)為，由于電子彈跳運(yùn)動(dòng)，在北半球的鏡像區(qū)域也應(yīng)測到粒子暴.因此，本文對(duì)經(jīng)度和L值范圍與南半球區(qū)域相同的北半球區(qū)域進(jìn)行了分析，結(jié)果也觀測到了明顯的粒子計(jì)數(shù)率漲高的現(xiàn)象，見圖3.圖3a表明，在90.7～600keV能區(qū)存在超過了6倍平均值漲高，時(shí)間為2月14日，圖3c表明在1000～2351keV能區(qū)也存在明顯漲高，對(duì)應(yīng)軌道號(hào)30079.

圖2 2010年智利震中上空的三個(gè)不同能段的高能帶電粒子計(jì)數(shù)率分布實(shí)線表示三個(gè)月的平均計(jì)數(shù)率的值.（a）中的峰是發(fā)生在2月16日的30109軌道的粒子暴.（b）、（c）中的峰是發(fā)生在2月15日的30094軌道的粒子暴.Fig.2 The distribution of high energy charged particle counting rates in 2010for three different energy regions The solid line denotes the mean value of counting rates.The peak in（a）occurred on 16th February from orbit 30109and the peaks in（b）（c）occurred on 15th February from orbit 30094.

圖3 2010年智利震中上空北半球鏡像點(diǎn)的三個(gè)不同能段的高能帶電粒子計(jì)數(shù)率的分布實(shí)線表示三個(gè)月的平均計(jì)數(shù)率的值.（a）中的峰是發(fā)生在2月14日的30079軌道的粒子暴.Fig.3 The distribution of high energy charged particle counting rates of the northern hemisphere mirror points conjugate of Chile earthquake in 2010for three different energy regionsThe solid line denotes the mean value of counting rates.The peak in（a）occurred on 14th February from orbit 30079.

2.3 同軌道的VLF頻段空間電場觀測

在空間波粒耦合理論中，當(dāng)傳播到輻射帶的VLF電磁波頻率與輻射帶高能帶電粒子的回旋頻率滿足一定關(guān)系時(shí)，可以與輻射帶高能帶電粒子發(fā)生回旋共振相互作用，引起高能帶電粒子的投擲角散射，形成粒子沉降.因此，本文高能帶電粒子通量漲高可能伴隨著VLF電場的擾動(dòng).

本文選擇30094和30109軌道上ICE的升軌數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間演化分析，在智利地震震中上空位置觀測到了VLF電場增強(qiáng)的信號(hào)，見圖4.圖4a為2月16日30109軌道的電場頻譜演化，增強(qiáng)頻譜的頻率范圍為13～20kHz.圖4b為2月15日30094軌道的電場頻譜演化，增強(qiáng)頻譜的頻率范圍在300Hz以下.從頻率－能量對(duì)應(yīng)關(guān)系上定性來看，這一結(jié)果和空間波粒相互作用理論的預(yù)期是一致的，即相對(duì)高頻電磁波與低能電子耦合，而相對(duì)低頻電磁波與高能電子耦合.必須要說明的是，本文還對(duì)經(jīng)過震中上空的衛(wèi)星其他軌道進(jìn)行了逐條分析，其他軌道上在同區(qū)域并未觀測到顯著的電場擾動(dòng).這兩條軌道上的VLF電場增強(qiáng)具有唯一性，并且與高能粒子沉降存在強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性.

本文比較了高能粒子暴和VLF電場頻譜擾動(dòng)的時(shí)間關(guān)系.將粒子暴三個(gè)能段的平均計(jì)數(shù)率大于2倍本底平均值的部分做出其經(jīng)緯度分布，并且標(biāo)記了起止時(shí)間，如圖5所示.2010年前三個(gè)月，在南半球分析區(qū)域內(nèi)共有42條升軌軌道，本底計(jì)數(shù)率平均值由除去30094和30109兩條軌道的另外40條軌道進(jìn)行計(jì)算.從圖5中可以看出，在南半球，粒子暴出現(xiàn)的位置中心與智利震中的經(jīng)度相同.粒子暴以及電場增強(qiáng)的時(shí)間關(guān)系如表1所示.

圖4 震中上空的VLF電場頻譜分布（a）2月16日，30109軌道；（b）2月15日，30094軌道.Fig.4 The disturbance of the VLF electric spectrum in ionosphere over the epicenter detected by the DEMETER satellite（a）Orbit number 30109on 16th February；（b）Orbit number 30094on 15th February.

表1 高能粒子暴與VLF電場增強(qiáng)的觀測時(shí)間對(duì)比Table 1 The observation time contrast between high energy particle burst and VLF electric enhancement

從表1中可看出，粒子暴和VLF電磁擾動(dòng)幾乎是同時(shí)觀測到的.對(duì)于地面VLF源及空間粒子沉降的位置關(guān)系，國際上和國內(nèi)都有過相應(yīng)研究.Sauvaud等人對(duì)NWC地面VLF人工站引發(fā)空間電子沉降帶的研究中，通過DEMETER衛(wèi)星ICE探測器觀測了NWC（美國海軍發(fā)射站）發(fā)射出的VLF電磁波信號(hào)［23］.李新喬等人對(duì)NWC地面人工站所引發(fā)的電子沉降帶的性質(zhì)和分布范圍也有比較系統(tǒng)的研究［24］.基于上述文獻(xiàn)，本文觀測到的粒子暴和電磁擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系符合之前的觀測及理論.因此，本文認(rèn)為，ICE觀測到的電場擾動(dòng)應(yīng)該是前述粒子暴的起因.

2.4 對(duì)粒子暴其他可能起因的排除

圖5 粒子暴發(fā)生當(dāng)天的各條軌道在不同位置的平均計(jì)數(shù)率（Signal）相對(duì)三個(gè)月內(nèi)重訪軌道平均值（BG）漲高倍數(shù)隨軌道的變化及起止時(shí)間選擇條件：Signal／BG≥2，從上到下三個(gè)圖分別對(duì)應(yīng)15、16日兩天的不同能量段.黑色五角星代表智利地震震中的地理位置.Fig.5 The distribution of position and the duration UT of the energetic particle burst in which the value of Signal over average background is equal or larger than 2 for three energy ranges respectively The black star denotes the position of the epicenter of Chile earthquake.

由于異常區(qū)電子的正常狀態(tài)下的形態(tài)不清楚，首先需要排除這些高能帶電粒子通量的漲高屬于統(tǒng)計(jì)漲落的可能.為此，本文分析了DEMETER衛(wèi)星在南半球分析區(qū)域內(nèi)在2007年至2009年的1到3月的高能粒子探測器所獲取的數(shù)據(jù).圖6是這三年的前三個(gè)月內(nèi)，南半球分析區(qū)域的高能粒子平均計(jì)數(shù)率隨時(shí)間的演化，從左到右三欄依次對(duì)應(yīng)2007年、2008年和2009年的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的能段劃分與前面相同.從圖中可見，在這三年的前三個(gè)月中，在此區(qū)域內(nèi)不存在三個(gè)能區(qū)相匹配的高能粒子通量超過3倍以上的漲高的現(xiàn)象.

大的太陽活動(dòng)和磁暴也可能會(huì)引起高能粒子暴的出現(xiàn).一般情況下，Kp數(shù)值不大于4表示只有很小的擾動(dòng)，可以不考慮磁暴的影響.通過對(duì)GOES衛(wèi)星數(shù)據(jù)（http：／／www.swpc.noaa.gov／）的查閱，在2010年2月15日和16日的附近幾天都沒有出現(xiàn)磁情指數(shù)大于4的情況.同時(shí)，本文還調(diào)研了智利地震之前半個(gè)月內(nèi)的太陽活動(dòng)，包括高能電子通量、質(zhì)子通量和太陽耀斑，期間也沒有能引起粒子暴的足夠劇烈的太陽活動(dòng).所以，本文觀測到的這次粒子暴事件不是由磁暴或者太陽活動(dòng)的影響引起.

3 波粒耦合理論計(jì)算

3.1 粒子暴的能譜特征

圖7為IDP（Instrument for Detection of Particles，高能粒子探測器）觀測得到的南半球分析區(qū)域的平均能譜.能譜已根據(jù)IDP的有效幾何因子隨能量變化曲線進(jìn)行過修正，是入射譜.圖中黑色的“十”字線表示除去30094和30109軌道后的2010年前三個(gè)月升軌的平均譜，這里將其作為背景譜；紅色的是2月16日軌道30109的升軌能譜，由此可看出，通量的漲高主要分布在250keV以下的低能段，并且相對(duì)背景譜在200keV以下有5倍乃至超過10倍的增強(qiáng)；綠色的是2月15日軌道30094的能譜，粒子通量的漲高主要分布在150keV以上，一直延伸到2.5MeV的較高能段.

3.2 波?；匦舱耨詈献饔?/h3>

在前面的分析中，討論了震前10天的兩次粒子暴以及與之對(duì)應(yīng)電磁信號(hào)增強(qiáng).在空間波粒相互作用理論中，當(dāng)電磁波的頻率與高能帶電粒子的回旋頻率、能量、磁殼層參數(shù)等滿足一定關(guān)系時(shí)，發(fā)生回旋共振耦合引起高能帶電粒子的投擲角散射，會(huì)引起高能帶電粒子的沉降.本節(jié)將基于波?；匦詈献饔玫臏?zhǔn)線性擴(kuò)散理論，對(duì)本文中的高能粒子能量與電磁波耦合頻率的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算.

文獻(xiàn)［25－27］中介紹的準(zhǔn)線性粒子擴(kuò)散相對(duì)論理論給出了與任何模式、任何波譜分布的場向電磁波發(fā)生共振的粒子的準(zhǔn)線性擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式.文獻(xiàn)［26］介紹了關(guān)于拋射角擴(kuò)散系數(shù)的一般表達(dá)式來定量分析通過地基高頻電波誘導(dǎo)ELF／VLF波使輻射帶相對(duì)論電子發(fā)生沉降的效果.文獻(xiàn)［28］也基于上面的理論做了一些簡化性的假設(shè)計(jì)算了電子與高斯分布的R模式ELF／VLF哨聲波回旋共振的當(dāng)?shù)貟伾浣菙U(kuò)散系數(shù)的表達(dá)式.文獻(xiàn)［29］對(duì)該理論還有更詳細(xì)的介紹.

本文要用到的等離子體擾動(dòng)的準(zhǔn)線性理論忽略了等離子體之間的互相碰撞，并使每次散射時(shí)粒子的投擲角、能量改變都很小.假設(shè)參與相互作用的波相位之間沒有關(guān)聯(lián)，粒子可看作在相空間中無規(guī)行走，粒子分布函數(shù)的演化就可用擴(kuò)散方程描述.在相空間中粒子流從高密度向低密度區(qū)域擴(kuò)散，擴(kuò)散率正比于波的功率.弱等離子準(zhǔn)線性擴(kuò)散理論可以近似地描述回旋共振波粒相互作用.

根據(jù)前面文獻(xiàn)對(duì)基于回旋耦合作用的準(zhǔn)線性擴(kuò)散理論描述，電磁波與電子發(fā)生耦合改變其投擲角，繼而發(fā)生沉降要滿足回旋共振條件：其中，ω，κ分別為波頻率和波矢，v為電子速度，α是投擲角.Ωe為電子回旋頻率，Ωe＝Be／me，B為當(dāng)?shù)氐拇艌觯琫是電子電荷量，me是電子質(zhì)量.γ＝是相對(duì)論因子.n取整數(shù)為相互作用耦合階數(shù)，這里只考慮占主導(dǎo)作用的一階耦合n＝1.包含了波粒耦合作用的電子磁殼層位置L、動(dòng)能E和投擲角α以及電磁波頻率的回旋共振耦合理論需要滿足上面耦合條件（1）及電子－質(zhì)子等離子體中右旋R模式波的色散關(guān)系：

其中，ε＝me／mp，是電子和質(zhì)子靜質(zhì)量之比.α＊＝Ω2／是等離子體參量，這里ωpe＝（N0e2／ε0me）1／2是等離子體振蕩頻率，ε0是真空介電常數(shù)，N0是等離子體密度，是一個(gè)具有很大不確定性的值.文獻(xiàn)［30］給出在磁殼層L＝2時(shí)N0＝3000cm－3，L不同時(shí)，按冪率變化N0＝3000（L／2）－4cm－3，沒有考慮隨緯度的變化.智利位于南大西洋異常區(qū)附近，粒子密度比相同L值的其他地區(qū)要高很多.從DEMETER二級(jí)數(shù)據(jù)的觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，智利地震前震中上空的電子濃度達(dá)到了105cm－3量級(jí)的水平.另外，等離子體密度隨著季節(jié)等很多因素的變化都會(huì)有較大的改變.所以這里我們用了文獻(xiàn)［30］中的值增大10倍后的值N0＝30000（L／2）－4cm－3.

在具體計(jì)算中，假設(shè)VLF電磁波沿與地磁場平行方向傳播，設(shè)投擲角α＝0°，只考慮投擲角擴(kuò)散發(fā)生在赤道面.這里只考慮電子，可以得到電磁波頻率和與之發(fā)生回旋共振耦合進(jìn)而引起沉降的高能電子的最小能量之間的關(guān)系，見圖8.

本文中所觀測到的高能電子通量的增強(qiáng)能區(qū)分別位于大于150keV直到兆電子伏量級(jí)的高能區(qū)和小于250keV的低能區(qū)，而觀測到的電場頻譜擾動(dòng)的頻率則分別位于300Hz以下和13～20kHz.從圖8中可以看出，電磁波頻率在13～20kHz時(shí)，與之耦合發(fā)生沉降的高能電子的最小能量在幾十千電子伏，能量范圍與圖7的觀測結(jié)果幾十至200keV相符；電磁波頻率在300Hz以下時(shí)，與之耦合發(fā)生沉降的高能電子的最小能量在103量級(jí)，圖7所顯示的最小耦合能量分布在102keV到103keV的量級(jí)，甚至到更高的能量，在量級(jí)上也是符合的.所以，本文認(rèn)為，觀測到的粒子沉降和VLF電場擾動(dòng)現(xiàn)象與波?；匦舱耨詈献饔玫睦碚撚?jì)算具有較好的一致性，也驗(yàn)證了波?；匦舱耨詈献饔眠@一理論模型的正確性.

4 結(jié)論與討論

本文基于DEMETER衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，在對(duì)智利地震前后的智利上空輻射帶高能粒子進(jìn)行分析中發(fā)現(xiàn)，在震前12天至11天在智利上空分析區(qū)域內(nèi)，觀測到顯著的帶電粒子平均通量的漲高（即粒子暴），同時(shí)在其北半球共軛區(qū)域也觀測到此現(xiàn)象.本文對(duì)粒子暴的起因做了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)此期間的空間環(huán)境進(jìn)行了相關(guān)研究，排除了統(tǒng)計(jì)因素、太陽活動(dòng)和磁暴等因素.基于波粒耦合的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)粒子暴進(jìn)行了空間電場的演化分析，在與之對(duì)應(yīng)的時(shí)段上觀測到位于不同頻段的電場強(qiáng)度增強(qiáng).從空間位置上來看，粒子暴位置、震中和電場增強(qiáng)位置三者的關(guān)系與之前相關(guān)文獻(xiàn)中的VLF波粒耦合觀測結(jié)果一致.通過波?；匦舱耨詈夏Ｐ陀?jì)算，結(jié)果表明，電場增強(qiáng)的頻率對(duì)應(yīng)的所觀測區(qū)域磁殼層的高能電子能量恰好與本文對(duì)高能粒子探測器所觀測的粒子暴能譜的增強(qiáng)能段吻合，確認(rèn)了本次粒子暴起源于所觀測到的空間電磁擾動(dòng)，是一次典型的空間波粒耦合事例.

圖8 用準(zhǔn)線性粒子擴(kuò)散相對(duì)論理論計(jì)算的R模式右旋電磁波頻率和與之耦合進(jìn)而改變投擲角發(fā)生沉降的高能電子的能量下限之間的關(guān)系兩個(gè)圖分別表示不同頻率范圍的耦合關(guān)系.Fig.8 The calculation result of quasi－linear theory of gyroresonant wave－particle interaction which describes the relation between the frequency of R－mode electromagnetic wave and minimum energy of particle precipitated due to pitch angle scattering induced by wave These two plots express the different coupling range of frequency and energy，respectively.

從時(shí)間上來看，本次DEMETER衛(wèi)星觀測到空間粒子暴和電磁擾動(dòng)出現(xiàn)在智利地震發(fā)生前的約十天.文獻(xiàn)［4］也曾報(bào)道過震前超過十天的包括地磁異常在內(nèi)的數(shù)次觀測結(jié)果.排除了一些可能的引起此粒子暴的因素之后，本文認(rèn)為，本次粒子暴和電場擾動(dòng)的觀測可能與智利地震的震前地殼活動(dòng)存在一定關(guān)聯(lián).

致 謝 感謝法國DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)下載服務(wù).感謝空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的支持.感謝劉靜博士對(duì)本工作給予的幫助.

（References）

［1］ Chmyrev V M，Isaev N V，Bilichenko S V，et al.Observation by space－borne detectors of electric fields and hydromagnetic waves in the ionosphere over an earthquake centre.Phys.Earth Planet.Inter.，1989，57（1－2）：110－114.

［2］ Parrot M，Lefeuvre F，Corcuff F Y，et al.Observations of emissions at the time of earthquakes in the Kerguelen 1985 Modelling the ionospheric disturbance caused by an explosion on the ground.Ann.Geophys.，1985，3：695－704.

［3］ Larkina V I，Migulin V V，Molchanov O A，et al.Some statistical results on very low frequency radiowave emissions in the upper ionosphere over earthquake zones.Phys.Earth Planet.Inter.，1989，57（1－2）：100－109.

［4］ Merzer M，Klemperer S L.Modeling low－frequency magnetic－field precursors to the Loma Prieta earthquake with aprecursory increase in fault－zone conductivity.Pure and Geophysics，1997，150（2）：217－248.

［5］ Parrot M，Mogilevsky M M.VLF emissions associated with earthquakes and observed in the ionosphere and the magnetosphere.Phys.Earth Planet.Inter.，1989，57（1－2）：86－99.

［6］ Parrot M，Berthelier J J，Lebreton J P，et al.Examples of unusual ionospheric observations made by the DEMETER satellite over seismic regions.Physics and Chemistry of the Earth，Parts A／B／C，2006，31（4－9）：486－495，doi：10.1016／j.pce.2006.02.011.

［7］ Parrot M.Anomalous seismic phenomena：View from space in Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes.Trivandrum：Transworld Research Network，2009：205－233.

［8］ Némec F，Santolík O，Parrot M，et al.Spacecraft observations of electromagnetic perturbations connected with seismic activity.Geophys.Res.Lett.，2008，35：L05109，doi：10.1029／2007GL032517.

［9］ Němec F，Santolík O，Parrot M.Decrease of intensity of ELF／VLF waves observed in the upper ionosphere close to earthquakes：A statistical study.J.Geophys.Res.，2009，114：A04303，doi：10.1029／2008JA013972.

［10］ Zhang X M，Qian J D，Ouyang X Y，et al.Ionospheric electro－magnetic disturbances prior to Yutian 7.2earthquake in Xinjiang.Chinese J.Space Sci.，2009，29（2）：213－221.

［11］ 鄭聯(lián)達(dá).地震電磁波發(fā)射的一種機(jī)制.地震學(xué)報(bào)，1990，12（1）：78－86.Zheng L D.The mechanism of electromagnetic wave radiation during an earthquake.Acta Seismologica Sinica（in Chinese），1990，12（1）：78－86.

［12］ Akhoondzadeh M，Parrot M，Saradjian M R.Electron and ion density variations before strong earthquakes（M＞6.0）using DEMETER and GPS data.Nat.Hazards Earth Syst.Sci.，2010，10（1）：7－18.

［13］ Gokhberg M B，Pilipernko V A，Pokhotelov O A.On seismic precursors in the ionosphere.Izvestiya USSR Academy of Sciences.Phys.Earth Ser.，1983，10：17－21.

［14］ Sarkar S，Gwal A K.Satellite monitoring of anomalous effects in the ionosphere related to the great Wenchuan earthquake of May 12，2008.Natural Hazards，2010，55（2）：321－332，doi：10.1007／s11069－010－9530－9.

［15］ Voronov S A，Galper A M，Koldashov S V，et al.Registration of sporadic increase of high energy particle flux near Brazilian anomaly region.Proc.of 20th ICRC，1987，4：451－452.

［16］ Voronov S A，Galper A M，Koldashov S V，et al.Observation of high energy charged particle flux increases in SAA region in 10September 1985.Cosmic Res.，1989，27（4）：629－631.

［17］ Aleksandrim S Y，Galper A M，Grishantzeva L A，et al.High－energy charged particle bursts in the near－Earth space as earthquake precursors.Ann.Geophys.，2003，21（2）：597－602.

［18］ 李新喬，馬宇蒨，王煥玉等.空間電磁衛(wèi)星的粒子探測與汶川地震.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53（10）：2337－2344，doi：10.3969／j.issn.0001－5733.2010.10.007.Li X Q，Ma Y Q，Wang H Y，et al.Observation of particle on space electro－magnetic satellite during Wenchuan earthquake.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2010，53（10）：2337－2344，doi：10.3969／j.issn.0001－5733.2010.10.007.

［19］ Cussac T，Clair M A，Ultré－Guerard P，et al.The DEMETER microsatellite and ground segment.Planetary and Space Science，2006，54（5）：413－427.

［20］ Lasoutte D，Brochot J Y，De Carvalho D，et al.The DEMETER science mission centre.Planetary and Space Science，2006，54（5）：428－440.

［21］ Sauvaud J A，Moreau T，Maggiolo R，et al.High－energy electron detection onboard DEMETER：The IDP spectrometer，description and first results on the inner belt.Planetary and Space Science，2006，54（5）：502－511.

［22］ Li X L，Temerin M A.The electron radiation belt.Space Science Reviews，2001，95（1－2）：569－580.

［23］ Sauvaud J A，Maggiolo R，Jacquey C，et al.Radiation belt electron precipitation due to VLF transmitters：satellite observations.Geophys.Res.Lett.，2008，35：L09101，doi：10.1029／2008GL033194.

［24］ Li X Q，Ma Y Q，Wang P，et al.Study of the North West Cape electron belts observed by DEMETER satellite.J.Geophys.Res.，2012，117，A04201，doi：10.1029／2011JA017121.

［25］ Summers D，Thorne R M，Xiao F L.Relativistic theory of wave－particle resonant diffusion with application to electron acceleration in the magnetosphere.J.Geophys.Res.，1998，103（A9）：20487－20500.

［26］ Wanliss J A，Anh V V，Yu Z G，et al.Multifractal modeling of magnetic storms via symbolic dynamics analysis.J.Geophys.Res.，2005，110：A08214.

［27］ Summers D，Ni B，Meredith N P.Timescales for radiation belt electron acceleration and loss due to resonant waveparticle interactions：1.Theory.J.Geophys.Res.，2007，112：A04206.

［28］ 顧旭東，趙正予，倪彬彬等.地基高頻加熱激勵(lì)ELF／VLF波對(duì)輻射帶高能電子的準(zhǔn)線性散射.物理學(xué)報(bào)，2008，57（10）：6673－6682.Gu X D，Zhao Z Y，Ni B B，et al.Quasi－linear diffusion of the radiation belt energetic electrons by ground－based HF heater－induced ELF／VLF emissions.Acta Physica Sinica（in Chinese），2008，57（10）：6673－6682.

［29］ 王平，王煥玉，馬宇蒨等.地基人工VLF電波對(duì)輻射帶電子的調(diào)制.物理學(xué)報(bào)，2011，60（3）：039401.Wang P，Wang H Y，Ma Y Q，et al.Remediation of radiation belt electrons caused by ground based man－made VLF wave.Acta Physica Sinica（in Chinese），2011，60（3）：039401.

［30］ Imhof W L，Reagan J B，Voss H D，et al.Direct observation of radiation belt electrons precipitated by the controlled injection of VLF signals from a ground－based transmitter.Geophys.Res.Lett.，1983，10（4）：361－364.

DEMETER satellite observations of energetic particle prior to Chile earthquake

ZHANG Zhen－Xia1，5，LI Xin－Qiao2，WU Shu－Gui1，MA Yu－Qian2，SHEN Xu－Hui4，CHEN Hua－Ran3，WANG Ping2，YOU Xin－Zhao1，YUAN Ya－Hong3
1 National Earthquake Infrastructure Service，China Earthquake Administration，Beijing100036，China
2 Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China
3 Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100081，China
4 Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing100036，China
5 State Key Laboratory of Space Weather，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China

The lithosphere activity during seismogenic process or occurrence of one earthquakemay emit electromagnetic waves which propagate to ionosphere and radiation belt，then induce disturbance of electric and magnetic field and the precipitation of high energy charged particles induced by pitch angle scattering from interaction of wave and particle.This paper，based on the data detected by DEMETER satellite，presents the high energy charged particle burst（PB）with 4to 6times enhancement over the average value observed about ten days before Chile earthquake in the center of epicenter within longitude 10degrees and Mc Ilwain L0.1.The obvious particle burst was also observed in the northern hemisphere mirror points conjugate of epicenter.The energy spectra of the PBs are different from average value within the first three months in 2010.At the same time，the disturbance of the VLF electric spectrum under 300Hz and in 13～20kHz frequency band in ionosphere over the epicenter detected by the DEMETER satellite are also observed in the same two orbits.Finally we calculated the coupling relation between the energy of PBs and frequency range of VLF electric spectrum disturbance by wave and particle cyclotron resonant interaction，then obtained the consistent result of observation and theoretical calculation.It is indicated that the PBs are indeed caused by VLF electromagnetic wave in ionosphere possibly transmitted from earth′s surface or lithosphere，which is a typical wave and particle coupling event.Eliminating the possible origin of PBs including magnetic burst and solar activities，we think the PBs and VLF electric spectrum disturbance are likely to have a certain link with Chile earthquake.

DEMETER satellite，Energetic particle burst，VLF electric spectrum disturbance，Chile earthquake，Wave and particle cyclotron resonant interaction

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.016

P315

2011－09－21，2012－04－02收修定稿

中國地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH12066）、中國科學(xué)院空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目、國家科技支撐計(jì)劃（2008BAC35B01，2008BAC35B05）資助.

張振霞，女，1980年生，副研究員，2008年于北京大學(xué)物理學(xué)院獲得博士學(xué)位，2008至2010年于中國科學(xué)院高能物理研究所做博士后，現(xiàn)在從事空間高能粒子物理的地震相關(guān)研究工作.E－mail：zxzhang＠neis.gov.cn

張振霞，李新喬，吳書貴等.智利地震前DEMETER衛(wèi)星對(duì)空間高能粒子的觀測.地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（5）：1581－1590，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.016.

Zhang Z X，Li X Q，Wu S G，et al.DEMETER satellite observations of energetic particle prior to Chile earthquake.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1581－1590，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.016.

（本文編輯 何 燕）