卓 俊，牛勝利，潘常周，靳 平

（西北核技術(shù)研究所，西安710024）

強(qiáng)震前帶電氣溶膠逸出對電離層電場的影響

卓 俊，牛勝利，潘常周，靳 平

（西北核技術(shù)研究所，西安710024）

采用準(zhǔn)靜態(tài)模型近似描述地表異常電場傳播到電離層的過程，建立了強(qiáng)震前帶電氣溶膠排放產(chǎn)生的附加電流，造成大氣層電離層傳導(dǎo)電流擾動，最終造成電離層中電場擾動的計算方法；分析了電離層中電場發(fā)生明顯擾動的區(qū)域大小與帶電氣溶膠排放參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)我國川滇地區(qū)和大華北地區(qū)強(qiáng)震等震線的特點(diǎn)，計算了不同等震線長短軸比值下，電離層中電場擾動面積隨地震震級及帶電氣溶膠數(shù)密度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：強(qiáng)震前氣溶膠濃度遠(yuǎn)大于能引起電離層異常的最小氣溶膠濃度值，會在地表處產(chǎn)生一個幅值小于100V·m－1的異常電場，并在電離層內(nèi)產(chǎn)生幅值大于10mV·m－1的擾動電場；在相同氣溶膠粒子數(shù)密度和相同震級條件下，等震線長短軸的比值k越小，電離層中電場異常區(qū)域越大。

帶電氣溶膠；地表異常電場；電離層異常

地震前電離層異常已被大量觀測所證實［1-4］，因此，地震電離層前兆研究受到各國科學(xué)家的重視。電離層前兆監(jiān)測很可能發(fā)展成為地震短臨預(yù)報的重要手段。地震電離層前兆的物理機(jī)制研究，是一項十分緊迫的任務(wù)，國內(nèi)外學(xué)者在諸多觀測基礎(chǔ)上，提出了多種電離層異常物理機(jī)制假說，如巖石圈、大氣層和電離層的多層耦合模型［5-8］。該模型認(rèn)為：在大地震發(fā)生前，隨著能量的大量積累，地震孕育區(qū)正發(fā)生著十分復(fù)雜的變化，如，巖石受到壓縮或拉伸，巖石的空隙度和滲透性等發(fā)生變化，地球內(nèi)部的一些氣體和帶電氣溶膠突然大量向外釋放。其中，帶電氣溶膠進(jìn)入大氣層的過程中會在近地大氣層中形成附加電流，從而引發(fā)大氣電場異常。該異常大氣電場會在大氣層內(nèi)向上傳播并到達(dá)電離層，最終引起電離層中電場擾動以及電子密度的區(qū)域性變化［9-11］。

Sorokin等人利用該模型定性地解釋了震區(qū)上空由于電離層對異常大氣電場的放大作用引起的與地震有關(guān)的一些等離子體變化現(xiàn)象［12］，認(rèn)為電離層中擾動電場必須達(dá)到10mV·m－1，才會引起明顯的電離層異常。但地震震級與電離層異常之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。本文基于上述假說，使用電場在大氣中傳播的準(zhǔn)靜態(tài)模型，對強(qiáng)震前逸出的帶電氣溶膠數(shù)密度、地震震級等參數(shù)與電離層異常之間的關(guān)系進(jìn)行了計算研究。

1 計算模型

采用準(zhǔn)靜態(tài)近似，計算地表處附加電流引起的電離層異常電場。計算過程如下：首先，根據(jù)氣溶膠排放參數(shù)得到地表處的大氣附加電流，再結(jié)合氣溶膠在空氣中的黏性力、重力和靜電力的平衡關(guān)系求出地表垂直擾動電場的水平分布；然后，用準(zhǔn)靜電場近似下的麥克斯韋方程計算出電離層底部的垂直異常電流；最后，求出電離層中的電勢分布和水平電場分布［13-15］。計算模型如圖1所示。具體計算方法如下：

以垂直向上為z軸方向，以磁子午面平行方向為x軸建立直角坐標(biāo)系（x，y，z）。其中，z＝0為地表平面。假設(shè)在地表處存在一個帶電氣溶膠逸出區(qū)域，其引起的附加電流密度垂直分量在水平面（x，y，0）上的分布由關(guān)系式j(luò)E＝j(luò)E（x，y，0）確定。令φ為空間電勢分布函數(shù)，其在地表處為0。根據(jù)電流連續(xù)性方程和歐姆定律，可以得到電離層中準(zhǔn)靜態(tài)電場的電勢分布：

其中，σ（z）為空氣的電導(dǎo)率。在準(zhǔn)靜態(tài)近似下，沿著磁力線的方向是等電位的，因此，電離層中的電場分布和電離層上邊界處的場向電流將向其磁共軛點(diǎn)流動。流入磁氣圈的場向電流大小與共軛點(diǎn)處電離層及大氣層的電導(dǎo)率密切相關(guān)。電離層下邊界zL處的邊界條件，可以通過對電流連續(xù)性方程在電離層共軛區(qū)進(jìn)行積分給出：

其中，

式中，α為磁傾角；φL（x，y）為電離層下邊界處電場分布函數(shù)；σP為電離層的積分Pedersen電導(dǎo)率；Z為地面到電離層間單位面積累積空氣阻抗；σ（zL－0）為靠近電離層底部的大氣電導(dǎo)率；jL（x，y）為電離層下邊界處從大氣流入電離層的電流密度。式（1）滿足邊界條件φ｜z＝0＝0的解具有如下形式：

其中，ε為附加電流的電動勢。求解式（6）和式（2），可以給出電離層下邊界處的電勢分布函數(shù)φL（x，y）：

當(dāng)磁傾角α＝π／2時，式（9）轉(zhuǎn)化為二維泊松方程。電勢在電離層中分布的空間尺度與磁場的傾角相關(guān)。利用式（6）與式（9）可以求解地震前地面大氣電場異常導(dǎo)致的電離層電場擾動，擾動量與大氣電導(dǎo)率、積分Pedersen電導(dǎo)率及磁傾角相關(guān)，地面異常電場在水平方向上可以是任意分布的。

假設(shè)在孕震區(qū)上方的附加電流密度是由于斷層地表向大氣中釋放帶電氣溶膠引起的：

其中，sp（z）和sn（z）分別是帶正、負(fù)電氣溶膠粒子產(chǎn)生的附加電流密度的高度分布函數(shù)。將式（10）代入式（6）得：

地震前，大氣垂直電場大幅度異常（E≈1kV·m－1）的時間特征尺度一般小于1h，而時間特征尺度超過1d的大氣異常電場，一般具有范圍廣（幾十至幾百km）、變化幅度?。‥≈10～100V·m－1）的特點(diǎn)［16］。用垂直電場的擾動與近地表附加電流之間的反饋?zhàn)饔?，可以解釋地表異常電場幅度小的特點(diǎn)。形成反饋?zhàn)饔玫脑蚴窃诘乇斫缑嫣帋щ姎馊苣z通道上形成了勢壘。例如，帶正電的粒子從土壤中進(jìn)入空氣時，地表土壤就會帶負(fù)電，由此產(chǎn)生方向向下的電場會阻止帶正電粒子從土壤中逸出；同時，這個激發(fā)電場會使帶負(fù)電的粒子更易逸出地面。由于近地表電流存在這種反饋機(jī)制，所以附加電流的大小與地表電場垂直分量直接相關(guān)：其中eZp和eZn分別為氣溶膠所帶正、負(fù)電荷；η為空氣黏性系數(shù)；v為氣溶膠從地面逸出的速度；Rp和Rn分別是帶正、負(fù)電氣溶膠粒子半徑；帶正電氣溶膠的質(zhì)量mp＝（4／3）πR3pρ；帶負(fù)電氣溶膠的質(zhì)量為氣溶膠粒子的質(zhì)量密度。為了簡化計算，假定兩種帶正、負(fù)電荷的氣溶膠粒子的組分相同，則Ec，p＝Ec，n＝Ec。

其中，jp0（x，y）和jn0（x，y）分別為不考慮電場影響時，帶正、負(fù)電氣溶膠逸出引起的附加電流密度。臨界電場Ec，p，Ec，n可以從黏性力、重力和靜電力的平衡關(guān)系中求出。帶電粒子受到逸出土壤氣體的黏性力方向為垂直向上，重力方向為垂直向下，帶正電的逸出氣體受到的靜電力方向為垂直向下：

在給定jp0和jn0時，可以由式（20）計算出地表電場的垂直分量。通過求解式（18）和式（19），可以得到電離層底部從大氣層中流入的傳導(dǎo)電流密度。考慮到反饋?zhàn)饔?，則：

電離層中電勢的水平分布可以由式（9）求得。令ξ＝xsinα，將式（9）變?yōu)槎S泊松方程，即可用格林函數(shù)法求解。解的形式為

電離層中，水平電場分量為

將式（24）代入式（26）和式（27），得到直流電場在電離層中的水平分布：

求解式（22）、（23）、（28）和（29），可以得到電場在地表和電離層中的水平分布，該分布與磁傾角α及缺陷主軸方向與磁子午面夾角β有關(guān)。在計算中假設(shè)孕震區(qū)地表上方附加電流密度的空間分布為

其中，

a和b分別為附加電流在缺陷主軸方向上和垂直主軸方向上的空間特征尺度。假設(shè)：

則震中附近帶電氣溶膠逸出引起的附加電流密度為

其中，N為氣溶膠粒子數(shù)密度；hp＝20km；hn＝15 km；h＝5km。

2 計算結(jié)果與分析

汶川大地震前已觀測到明顯的電離層異?，F(xiàn)象［17 19］。汶川大地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上，龍門山斷裂帶呈西南－東北走向。為了對該模型的正確性進(jìn)行驗證，選取汶川地震前的斷層參數(shù)：a＝500km，b＝100km，N＝2×104cm－3，Z＝100，β＝45°，對帶電氣溶膠逸出引起的電離層異常電場進(jìn)行了計算。

圖2為帶電氣溶膠引起的附加電流作用下的地面垂直電場和電離層中靜電場的空間分布。從圖2可以看出：在地面產(chǎn)生的電場異常區(qū)域要比帶電氣溶膠排放的特征尺度更大，在這個異常區(qū)域內(nèi)，垂直電場強(qiáng)度與距震源的距離無關(guān)。計算得到的地面垂直電場在孕震區(qū)上方的波動量約為90V·m－1，此時，電離層的水平電場約達(dá)10mV·m－1。這種強(qiáng)度的電場擾動，會引起電離層異常現(xiàn)象［12］。因此，震前構(gòu)造斷層區(qū)域的帶電氣溶膠逸出可能是引起大地震前電離層異常的內(nèi)在原因。

為研究震前電離層中異常電場尺度的變化規(guī)律，計算了不同參數(shù)條件下，電離層中異常電場范圍與輸入?yún)?shù)的關(guān)系。圖3給出了保持上述斷層參數(shù)不變，電離層中異常電場幅值超過10mV·m－1的區(qū)域面積s隨地表排放氣溶膠粒子數(shù)密度N的變化情況。從圖3可以看出，在上述斷層參數(shù)對應(yīng)的地表氣體排放范圍下，當(dāng)氣溶膠粒子數(shù)密度超過1010m－3時，電離層中異常電場區(qū)域的面積將超過106km2。在1995年日本阪神7.3級大地震前測到大氣離子（主要是荷電氣溶膠）濃度比平時濃度高出200倍［20］，達(dá)到（20～30）×1010m－3，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出引起電離層異常的最小氣溶膠濃度值1×1010m－3。

震前放氣范圍的特征尺度a和b一般與震級有較大的聯(lián)系。為了研究不同震級對電離層異常特征量的影響，對不同震級對應(yīng)的放氣范圍進(jìn)行了計算研究。震前放氣范圍的半徑L與地震震級M之間存在關(guān)系［21］：

考慮到等震線的形狀通常為橢圓形，令橢圓的長軸a＝L，短軸b＝L／k，即長短軸的比值為k。k與地震所在地理位置關(guān)系較大，在川滇地區(qū)，k值較大，一般在5～10之間；在大華北地區(qū)，k值較小，一般小于3［22］。

保持其他參數(shù)不變，取k＝1，2，5，10，根據(jù)式（40），可以計算出不同氣溶膠粒子數(shù)密度N下電場異常面積s與震級M的變化關(guān)系，如圖4所示。從圖中可以看出，在給定的N值下，電場異常區(qū)域面積隨著震級升高而增大，但當(dāng)震級M小于某一特定值時，電離層中將不會出現(xiàn)異常電場，這一特定值的大小與放氣范圍的長短軸比值有關(guān)。例如，當(dāng)N＝2.0 ×1010m－3，k＝1時，震級小于5.5時，電離層中將不會出現(xiàn)幅值超過10mV·m－1的電場異常。這與國內(nèi)外的實際觀測結(jié)果相符，即：由地震活動引起的電離層變化確實存在，但與震級有關(guān)，一般只有在震級大于5的地震發(fā)生前才會發(fā)生電離層擾動［23-24］。

計算了不同震級下，電離層中電場異常區(qū)域面積隨氣溶膠粒子數(shù)密度N的變化，如圖5所示。可以看出：在相同N值下，k越大時，越難出現(xiàn)電離層異常。當(dāng)震級M＞5.5時，比較容易出現(xiàn)電場異?，F(xiàn)象。當(dāng)震級M＜5.5時，電離層中是否會出現(xiàn)電場異常與k值有密切關(guān)系：當(dāng)k≥5時，即使氣溶膠粒子數(shù)密度N高達(dá)2.5×1011m－3也很難出現(xiàn)電場異常；而當(dāng)k≤2，氣溶膠粒子數(shù)密度N＞5.0×1010m－3時，應(yīng)該能觀測到電場異?，F(xiàn)象。

3 結(jié)論

利用地表帶電氣溶膠逸出導(dǎo)致電離層電場異常的計算模型，對強(qiáng)震前地表帶電氣溶膠逸出特征參數(shù)對電離層電場擾動的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：1）震前帶電氣溶膠排放會在地表處產(chǎn)生附加電流，其在地表處引發(fā)的異常電場強(qiáng)度幅值一般在100V·m－1以下，在電離層內(nèi)引發(fā)的擾動電場強(qiáng)度幅值超過10mV·m－1；2）強(qiáng)震前氣溶膠濃度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了能引起電離層異常的最小氣溶膠濃度值；3）在相同氣溶膠粒子數(shù)密度和相同震級條件下，等震線長短軸間的比值k越小，電離層中電場異常區(qū)域越大。

隨后，我翻到了課件的下一頁：關(guān)于改變，關(guān)于夢想，我們的人生要有規(guī)劃和目標(biāo)。我向?qū)W生闡述了目標(biāo)的重要性，讓他們理解了職業(yè)規(guī)劃的重要性。他們在課后進(jìn)行思考，制作成課件，展示自己的夢想、目標(biāo)、規(guī)劃。

盡管本文計算結(jié)果顯示了帶電氣溶膠逸出與電離層異常之間有密切關(guān)系，但上述結(jié)論仍需要大量的實例來驗證。另外，電離層電場擾動與電離層電子、離子密度變化之間的關(guān)系也有待進(jìn)一步研究。

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Effects of Abnormal Aerosol Escaped from the Earth on Electric Field in the Ionosphere Before Strong Earthquakes

ZHUO Jun，NIU Sheng－li，PAN Chang－zhou，JIN Ping
（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China）

This paper presents the discussion of the possible physical mechanism of ionosphere anomalies caused by charged aerosol escaped from the earthquake regions before strong earthquakes.The propagation of the external electric current resulted from charged aerosol was investigated in quasi－static approximation.The electro－dynamic model and computational method for disturbances of electric field in ionosphere caused by the external electric current were built.Relationships between electric filed perturbations in ionosphere and characteristic parameters of aerosols injected before strong earthquake have been obtained.Moreover，the areas of electric field perturbation in ionosphere for different magnitudes of earthquakes and aerosol number densities in Sichuan－Yunnan areas and North China have been numerically calculated.The results show that the aerosol number densities before strong earthquakes are much larger than the least number density which can cause electric field disturbance in ionosphere.It has been found that the vertical component of abnormal electric filed on the earth surface is less than 100V·m－1，and the horizontal component of electric field in the ionosphere is up to 10mV·m－1.The area of disturbance region of electric field in ionosphere increases as the ratio of the length to the width of isoseismic line decreases.

charged aerosol；surface electric field disturbance；ionosphere perturbation

P315.72

A

2095 6223（2015）03 225 07

2015 04 07；

2015 06 27

卓?。?982－），男，浙江龍泉人，助理研究員，碩士，主要從事射線與物質(zhì)相互作用仿真技術(shù)研究。

E－mail：zhuojun＠nint.ac.cn