張學(xué)民 申旭輝

1)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

2)應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

引言

近地空間是與人類生存密切相關(guān)的圈層，也是地球與外空間能量傳遞交換的主要媒介。地震是發(fā)生在地殼巖石層的主要構(gòu)造活動(dòng)，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生命帶來了巨大的損失。因此，監(jiān)測(cè)地震的孕育發(fā)生過程，發(fā)展防震減災(zāi)有力措施是社會(huì)發(fā)展的迫切需求。隨著空間探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的大氣層、電離層探測(cè)技術(shù)開始應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)研究，尤其是衛(wèi)星探測(cè)的發(fā)展，以全覆蓋、高分辨率等特性為全球大量的震例研究奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為科學(xué)家研究巖石層—大氣層—電離層的耦合作用提供了有利的機(jī)會(huì)。

地震電磁學(xué)一直是地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用技術(shù)手段之一，在多次強(qiáng)震監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。自20世紀(jì)60年代以來，在全國(guó)就布設(shè)有電磁前兆監(jiān)測(cè)網(wǎng)。到目前為止，地磁場(chǎng)、地電場(chǎng)站點(diǎn)均超過100個(gè)，對(duì)人口密集地區(qū)形成了較好的空間覆蓋。2004年6月，世界第一顆用于地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的電磁衛(wèi)星DEMETER （Detection of Electromagnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions）發(fā)射升空[1]，它以其專業(yè)的軌道設(shè)計(jì)、全球覆蓋特性和高精度的多參量電磁測(cè)量技術(shù)，激發(fā)了全球科學(xué)家對(duì)地震電離層擾動(dòng)研究的興趣，地震電離層成為短臨監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。與此同時(shí)，大量的地基電離層探測(cè)技術(shù)也得以同步發(fā)展，人們開始從不同角度探測(cè)電離層中與地震相關(guān)的各種變化[2]。2018年2月，中國(guó)地震電磁衛(wèi)星CSES（China Seismo-Electromagnetic Satellite）成功發(fā)射，為地震電離層研究和立體地震電磁監(jiān)測(cè)體系建設(shè)提供了新的空間平臺(tái)[3-4]。在探測(cè)技術(shù)發(fā)展相對(duì)完善的今天，觀測(cè)數(shù)據(jù)日益豐富，對(duì)于地震圈層耦合機(jī)理的需求也更加迫切?；仡櫟卣痣婋x層耦合機(jī)理研究進(jìn)展，客觀認(rèn)識(shí)現(xiàn)有模型的優(yōu)勢(shì)和不足，對(duì)于未來地震電離層理論發(fā)展尤為關(guān)鍵，也是本文目的所在。

1 地震—電離層圈層耦合機(jī)理模型

1.1 多途徑巖石層—大氣層—電離層耦合模型

以日本科學(xué)家Hayakawa[5]為首的研究小組在前期研究工作的基礎(chǔ)上，于2004年提出了由多路徑組成的巖石層—大氣層—電離層耦合模型（圖1），其中包括地球化學(xué)（電場(chǎng)）途徑（藍(lán)色）、聲重波途徑（紅色）和電磁波途徑（粉紅色）。由于孕震過程中巖石層微破裂增加、流體擴(kuò)散和壓力變化等，在近震中區(qū)產(chǎn)生氣體釋放，從而改變大氣成分，并產(chǎn)生局地大氣電場(chǎng)異常，此異常電場(chǎng)作用于電離層引起電離層電子向下運(yùn)移形成電離層擾動(dòng)，此鏈路由于主要受氣體釋放影響，因此，稱為地球化學(xué)（電場(chǎng)）途徑。而聲重波途徑則是與地表或近地表宏觀氣體和熱源相關(guān)，在大氣層中形成聲重波，并引起重力和行星波增強(qiáng)，當(dāng)此類信號(hào)傳播至電離層則同步引起電離層溫度、密度等振蕩信號(hào)產(chǎn)生，也稱為聲重波途徑。鑒于巖石層對(duì)高頻電磁波信號(hào)的強(qiáng)烈衰減作用，Hayakawa[5]的模型僅提出了最有可能傳播至地表的超低頻（Ultra-Low-Frequency，ULF）電磁輻射，穿透電離層乃至磁層，與磁層中高能粒子相互作用，引起高能粒子沉降至電離層，進(jìn)而導(dǎo)致電離層等離子體參量產(chǎn)生波動(dòng)，此謂之電磁波途徑。在此模型中，考慮到地震孕育過程及前兆現(xiàn)象的復(fù)雜性，將地球圈層不同參量的耦合過程進(jìn)行了有效的關(guān)聯(lián)和劃分，既便于理解，也方便模型的理論化，在后續(xù)應(yīng)用研究中顯示了很強(qiáng)的適應(yīng)性和實(shí)用性特征。中國(guó)學(xué)者丁鑒海等[6]也在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的凝練和總結(jié)，對(duì)于圖1中第2列顯示的水位—大氣電導(dǎo)率—閃電等鏈路變化與第1列的地球化學(xué)途徑進(jìn)行了整合，統(tǒng)一為與局地大氣電場(chǎng)異常相關(guān)的地球化學(xué)途徑。

圖1 巖石層—大氣層—電離層多路徑耦合模型[5]Fig. 1 Lithosphere-atmosphere-ionosphere multi-channel coupling model[5]

1.2 統(tǒng)一圈層耦合模型

為有效解釋地球各圈層觀測(cè)到的復(fù)雜前兆現(xiàn)象，俄羅斯科學(xué)家Pulinets和Boyarchuk[7]一直致力于構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一圈層耦合模型。圖2展示了他們2004年提出的耦合框圖。從這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中我們可以看到，他們認(rèn)為各類前兆的起源主要來自氡氣、惰性氣體和溫室氣體釋放，以及大氣擾動(dòng)等，而中間關(guān)鍵性因素是異常電場(chǎng)的形成，包括聲重波的傳播也通過異常電場(chǎng)進(jìn)一步耦合進(jìn)電離層，而潛熱通量、水蒸氣的變化也與異常電場(chǎng)直接關(guān)聯(lián)。與Hayakawa[5]的模型較大的區(qū)別在于電磁輻射部分。Pulinets和Boyarchuk[7]利用異常電場(chǎng)對(duì)電離層底部的焦耳加熱原理解釋了電離層不均勻體結(jié)構(gòu)的形成以及對(duì)VLF傳播導(dǎo)管現(xiàn)象的激發(fā)，并通過波粒相互作用引起磁層高能粒子沉降，由此引起一系列甚低頻（VLF）、低頻（LF）、高頻（HF）、甚高頻（VHF）頻段電波傳播異常和電磁輻射信號(hào)，據(jù)此解釋了更高頻段的電磁擾動(dòng)異常，這是Hayakawa[5]的模型未曾覆蓋的頻段。

圖2 統(tǒng)一化巖石層—大氣層—電離層耦合模型[7]Fig. 2 Unified lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling model[7]

隨著觀測(cè)資料的增加和研究的深入，Pulinets和Ouzounov[8]于2011年更新了統(tǒng)一化的圈層耦合模型，圖3是新的模型框圖。在此模型中，著重解釋了異常電場(chǎng)的形成過程，即地震孕育過程中釋放的氡氣衰變產(chǎn)生的α粒子電離大氣，并在離子水合作用下形成類氣溶膠粒子，在大氣對(duì)流過程中產(chǎn)生電荷分離而形成異常電場(chǎng)。中間途徑直接導(dǎo)致地震云的形成。右側(cè)途徑是由于異常大氣電場(chǎng)作用于電離層和磁層引起的一系列擾動(dòng)。左側(cè)途徑離子水合作用引起的濕度下降、潛熱釋放、大氣溫度升高以及熱紅外長(zhǎng)波輻射異常等?？梢钥吹竭@個(gè)模型，雖然是統(tǒng)一化模型，但也在向多途徑發(fā)展，以期串聯(lián)解釋更多的物理化學(xué)前兆現(xiàn)象。

圖3 統(tǒng)一圈層耦合模型[8]Fig. 3 Unified sphere coupling model[8]

1.3 巖石層—蓋層—大氣層耦合模型

以實(shí)際觀測(cè)和室內(nèi)巖石試驗(yàn)為基礎(chǔ)，中國(guó)學(xué)者Wu等[9]發(fā)展了巖石層—蓋層—大氣層耦合模型（圖4），主要用來解釋熱紅外異常形成機(jī)制。他們認(rèn)為，異常的主要起源是孕震過程中的應(yīng)力增強(qiáng)效應(yīng)。由于應(yīng)力加載在巖石層激活正空穴，同時(shí)巖石的熱彈性效應(yīng)和摩擦生熱同步引起巖石溫度上升，而斷層微破裂發(fā)展導(dǎo)致流體運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)、水溫改變、氣體解吸逸出等，改變巖石和土壤性質(zhì)，同時(shí)氣體逸出也會(huì)引起局地溫室效應(yīng)，最終引起地表和近地表溫度改變，從而導(dǎo)致大氣層潛熱能量交換增加。他們的模型與Pulinets和 Ouzounov[8]關(guān)于熱紅外異常的解釋還是有較大差異的，耦合過程中并未考慮大氣電離、水合作用等引起的濕度下降等，或者說未對(duì)大氣性質(zhì)的改變進(jìn)行討論，而更著重于熱源的形成過程、以及蓋層土壤性質(zhì)的改變或溫室效應(yīng)等。

圖4 巖石層—蓋層—大氣層地球圈層耦合模型[9]Fig. 4 Lithosphere-coversphere-atmosphere coupling model[9]

2 圈層耦合理論模型發(fā)展及校驗(yàn)

從上面分析的3種主要圈層耦合模型可以看到，后兩種模型雖然統(tǒng)一化程度高，但路徑之間互相交叉，更偏向于一種概念化的認(rèn)識(shí)，很難形成統(tǒng)一的理論模型并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模擬。而Hayakawa[5]提出的第一種模型，鏈路清晰簡(jiǎn)潔，不同圈層關(guān)聯(lián)的物理參量清晰，更易實(shí)現(xiàn)數(shù)值模型的突破。下面我們以不同耦合途徑為引，分別介紹其理論模型的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 附加直流電場(chǎng)模型

Hayakawa[5]與Pulinets和Ouzounov[8]的模型均提到了存在于大氣層的電場(chǎng)異常是地震—大氣層—電離層耦合的關(guān)鍵因素，其理論模型的發(fā)展也是地震—電離層圈層耦合機(jī)理研究的重要組成部分，直流電場(chǎng)模型也是目前幾個(gè)理論模型中研究比較久、發(fā)展最為完善的一個(gè)，下面介紹幾個(gè)比較有代表性的研究結(jié)果。

俄羅斯科學(xué)家Sorokin等[10-11]在圈層耦合機(jī)理模型提出來之前，就開展了直流電場(chǎng)的傳播耦合模型研究。他的模型中認(rèn)為，異常電場(chǎng)的來源為放射性物質(zhì)和帶電氣溶膠的逸出，帶電氣溶膠粒子在土壤氣體的推動(dòng)下向上對(duì)流，在原有的大氣層—電離層電路中形成外部電流，伴隨大氣層—電離層電路的電導(dǎo)率電流的放大作用，外部電流進(jìn)入電離層導(dǎo)電層，并通過場(chǎng)向電流到達(dá)磁共軛區(qū)。在他們的模型中，外部電流主要包含10 km高度以下的電動(dòng)勢(shì)（electromotive force，EMF）電流，和在10 km以上高度起主要作用的傳導(dǎo)電流兩部分。他們的計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)孛嫱獠侩妶?chǎng)約100 V/m時(shí)，可在電離層形成約10 mV/m的水平電場(chǎng)[12]。但是，帶電氣溶膠進(jìn)入大氣層是否能產(chǎn)生1—100 nA/m2電流密度仍需要實(shí)際觀測(cè)來進(jìn)一步確認(rèn)。中國(guó)臺(tái)灣科學(xué)家Kuo等[13-14]進(jìn)一步發(fā)展了直流電場(chǎng)耦合模型，他們?cè)谀Ｐ椭兄饕紤]Freund等[15-17]提出的應(yīng)力激發(fā)巖石空穴效應(yīng)形成的向下或者向上的運(yùn)移電流。當(dāng)其在地球表面大量帶電粒子積累時(shí)會(huì)電離大氣分子，提高大氣層電導(dǎo)率，利于電流向電離層底部的傳播。同時(shí)他們?cè)谀Ｐ椭屑尤肓穗婋x層模型SAMI3，可直接計(jì)算電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)E×B效應(yīng)下總電子含量（TEC）的擾動(dòng)變化。他們的計(jì)算結(jié)果顯示，巖石電流密度為0.2—10 μA/m2能引起日側(cè)TEC 2%—25%的擾動(dòng)變化，而巖石電流密度為0.01—1 μA/m2可導(dǎo)致夜側(cè)TEC 1%—30%的擾動(dòng)[13]。在綜合考慮了電流連續(xù)性、磁場(chǎng)方向和更大的電離層霍爾電導(dǎo)率的情況下，引起同等幅度電子密度變化的最大電流密度可縮小30倍。此外，模擬結(jié)果顯示，同為向上/向下的電流源，在近磁赤道緯度（7.5°，15°）引起源區(qū)和共軛區(qū)電子密度增加/減小，而在中低緯度區(qū)（22.5°，30°）則導(dǎo)致源區(qū)和共軛區(qū)電子密度減小/增加的變化特征[14]。Zhou等[18]發(fā)展了三維電場(chǎng)模型研究中高緯度的電場(chǎng)耦合過程，他們假設(shè)地表垂直電場(chǎng)為1 000 V/m，則在電離層底部能產(chǎn)生4×10-11A/m電流，那么在磁緯60°N、45°N、30°N、15°N引起的電離層最大異常電場(chǎng)分別為2.0 μV/m，1.3 μV/m，1.1 μV/m和0.44 μV/m。這在電離層背景電場(chǎng)（1—3 mV/m）較大的基礎(chǔ)上是不可能通過動(dòng)電過程引起電離層擾動(dòng)的，只有如Kuo等[14]考慮更大的電流密度（100 nA/m2），且在近地表大氣被電離大氣層電導(dǎo)率增加的情況下，電離層電場(chǎng)才能達(dá)到mV/m量級(jí)。Denisenko等[19]給出的電導(dǎo)模型提出了更尖銳的問題，他們認(rèn)為即使地表電場(chǎng)達(dá)到1 kV/m，大氣電導(dǎo)率增加至2×10-13S/m，能產(chǎn)生的電離層電場(chǎng)異常仍低于10倍以上，因此，模型中需要考慮其他機(jī)制的作用。

根據(jù)大量的震例研究，電場(chǎng)耦合模型有比較明顯的兩個(gè)約束條件，一是地表大氣電場(chǎng)震前異常幅度，二是衛(wèi)星觀測(cè)電離層高度近直流電場(chǎng)變化幅度。前者多數(shù)在100—1 000 V/m范圍內(nèi)[20-22]，后者多為1.5—16 mV/m[23]，而且后者只有達(dá)到mV/m量級(jí)才能驅(qū)動(dòng)電離層等離子體參量擾動(dòng)。所以模型的焦點(diǎn)是地表電流密度是否能達(dá)到100 nA/m2，而且大氣電導(dǎo)率究竟能提高至什么水平。大氣電場(chǎng)已有大量的新的探測(cè)結(jié)果[20]，如果大氣電場(chǎng)異常值一定的話，這兩個(gè)問題其實(shí)是一個(gè)問題，但目前對(duì)于大氣電導(dǎo)率的測(cè)量幾乎沒有，需要盡快加強(qiáng)觀測(cè)。另外，我們知道震前電離層電子密度擾動(dòng)有正有負(fù)，而數(shù)值模型也分別利用向上和向下的電流方向進(jìn)行了相關(guān)的解釋[14]，但實(shí)際觀測(cè)中大氣電場(chǎng)多表現(xiàn)為負(fù)異常（向下為正）[21-22，24-25]，即在晴天天氣表現(xiàn)為垂直向上的異常電場(chǎng)，震前大氣電場(chǎng)正異常的事例相對(duì)較少[26]。如果震前地面確實(shí)是向上異常電場(chǎng)為主的話，那電離層中電子密度的正負(fù)擾動(dòng)機(jī)制（電離層垂向和水平電場(chǎng)同樣有正有負(fù)）可能會(huì)更為復(fù)雜。還有，就是異常的形成時(shí)間，如果大氣電場(chǎng)異常出現(xiàn)在日側(cè)的話，理論模擬也顯示其需要的初始電流值會(huì)更大，同時(shí)在前期的研究中，日側(cè)的衛(wèi)星近直流電場(chǎng)較少觀測(cè)到與地震相關(guān)的異?，F(xiàn)象，這也是需要進(jìn)一步思考的問題。相對(duì)總體而言，附加直流電場(chǎng)模型發(fā)展較為完善，可以有機(jī)串聯(lián)地表—大氣層—電離層相關(guān)觀測(cè)并能在變化量級(jí)上達(dá)到較好的吻合，個(gè)別矛盾和不足之處需要未來增加相關(guān)觀測(cè)進(jìn)行校驗(yàn)和修正。

2.2 聲重波傳播耦合模型

Molchanov[27]基于衛(wèi)星在中低緯度觀測(cè)到的電離層湍流，認(rèn)為來自大氣重力波（Atmospheric gravity wave，AGW）的能量通量是其形成的來源，正常情況下與大氣潮汐振蕩諧波相匹配的大尺度1 000—2 000 km的大氣重力波會(huì)產(chǎn)生約1 000 km尺度的電離層湍流，而地震活動(dòng)期間的AGW噴發(fā)尺度范圍為幾百千米，這種額外的噴發(fā)可以強(qiáng)化更小尺度的電離層湍流，同時(shí)抑制更大尺度的電離層湍流。Carbone等[28]發(fā)展了一種量化模型，用以描述與地震相關(guān)的地面運(yùn)動(dòng)（如勒夫波、瑞利波）如何造成低大氣層壓力或者密度的擾動(dòng)，以及這種擾動(dòng)又如何通過聲重波的模式傳播到高層大氣的過程。通過對(duì)4個(gè)強(qiáng)震震例的模擬，并與震中上空溫度剖面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，他們的模擬結(jié)果顯示了地面運(yùn)動(dòng)自地表傳播到60 km的能量傳播過程，以及由于波矢量k和信號(hào)頻率ω的變化在大氣層不同高度的能量響應(yīng)。

與地震相關(guān)的聲重波在大氣層和電離層中的傳播在多次的大震同震/震后信號(hào)中被完整的記錄下來，尤其是總電子含量的震后時(shí)空分布非常好地展示了地震面波激發(fā)的大氣聲重波在電離層的響應(yīng)，而波長(zhǎng)和波速特征也吻合了聲重波的周期分布特性，如果震后伴隨海嘯，電離層的擾動(dòng)響應(yīng)會(huì)更為突出[29-32]。比較遺憾的是，震前的地面波動(dòng)完全無法與地震破裂時(shí)激發(fā)的地震面波幅度相比，這類弱信號(hào)是否還能激發(fā)大氣聲重波并引起電離層耦合，目前沒有直接的證據(jù)；另一種起源是地球化學(xué)物質(zhì)或者氣體的噴發(fā)引起的大氣重力波，則與同震聲重波的起源機(jī)制完全不同，這種起源較難模擬，多為概念性描述，可能需要地球化學(xué)氣體測(cè)量、空氣壓力、溫度等的變化來側(cè)面進(jìn)行反映。同時(shí)，這種起源的聲重波是否還在大氣層激發(fā)了異常電場(chǎng)變化，并共同作用耦合至電離層，目前也沒有數(shù)字模型來反映兩者的疊加耦合過程。Yang等[33]利用大氣溫度剖面提取震前的能量傳播過程，以期證明震前聲重波信號(hào)的存在；Piersanti等[34]綜合大氣溫度剖面、TEC、電磁衛(wèi)星等觀測(cè)，嘗試建立大氣重力波/聲波在大氣層和電離層的傳播途徑；Chen等[35]在四川樂山建立了一個(gè)10余種儀器組合的垂向觀測(cè)系統(tǒng)，期望能記錄到從地下、大氣層到電離層的地面振動(dòng)及其他擾動(dòng)信號(hào)傳播耦合過程。聲重波在大氣層中的傳播毋庸置疑，但這類信號(hào)與電離層的耦合作用，還需要理論模型的進(jìn)一步驗(yàn)證，是單純的與地震面波等相關(guān)的動(dòng)力波傳播模式，還是激發(fā)了其他干擾源進(jìn)行了二次耦合仍需檢驗(yàn)?？茖W(xué)家們也正在通過多種觀測(cè)對(duì)地震孕育過程中，聲重波的起源、傳播鏈路、耦合過程獲得更確鑿的證據(jù)，以期對(duì)數(shù)字模型提供更確切的約束和校驗(yàn)。

2.3 電磁波傳播耦合模型

無論是地面觀測(cè)還是衛(wèi)星觀測(cè)，均發(fā)現(xiàn)震前電磁擾動(dòng)分布在一個(gè)很寬的頻帶范圍內(nèi)[36]，而不是局限在Hayakawa[5]提出的ULF頻段，因此，對(duì)電磁波傳播模型我們也給出比較寬頻帶的研究結(jié)果。Molchanov等[37]討論了0.01—100 Hz頻段的地震激發(fā)地表電磁輻射信號(hào)傳播至電離層的過程，模型中考慮了地面和大氣電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的不均一性、以及電離層各向異性特征，結(jié)果顯示，只有來自磁性源的信號(hào)能夠穿透至磁層，并產(chǎn)生可傳播的阿爾芬波，磁層中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別達(dá)到1—10 μV/m/Hz1/2和1—10 pT/Hz1/2，水平分布范圍為100—200 km。Bortnik和Bleier[38]發(fā)展了考慮斜向地磁場(chǎng)的全波傳播模型，并著重討論了ELF和ULF頻段電磁波的傳播過程。Ozaki等[39]基于全波模型計(jì)算了來自地下電流源的10 Hz—1 kHz頻段的電磁波傳播，波強(qiáng)度的空間分布主要來自沿磁場(chǎng)場(chǎng)向傳播的電離層哨聲波和地—電離層波導(dǎo)，計(jì)算表明在地表產(chǎn)生可測(cè)量的擾動(dòng)磁場(chǎng)需要地下電流矩大約為80 A?m/Hz1/2，而如果在電離層中獲得可探測(cè)的擾動(dòng)電磁波則需要千倍以上的源電流矩。趙庶凡等[40]將全波傳播模型推廣至甚低頻頻段，主要分析了14—30 kHz的VLF電波在水平各向異性電離層中的傳播過程，結(jié)果顯示，地—電離層波導(dǎo)中的垂直極化波更容易滲透進(jìn)入電離層，同時(shí)右旋極化波在電離層中衰減較小，為可傳播模，研究頻段內(nèi)，電波頻率越低，波印廷能流密度越大，從而更易被衛(wèi)星探測(cè)到。張紅旗等[41]導(dǎo)出了地層—大氣層—電離層3層水平分層介質(zhì)下的電磁場(chǎng)積分表達(dá)式，地下水平ELF/SLF電偶極子輻射源從地層垂直滲透進(jìn)入大氣層，然后在地—電離層波導(dǎo)中以若干個(gè)波模疊加的方式傳播。以30 Hz電磁波為例，當(dāng)其滲透進(jìn)入電離層時(shí)，垂直分量有近80 dB的衰減，而兩個(gè)水平分量在電離層分界面是連續(xù)的?？紤]到SLF/ELF頻段電磁波接近離子的磁回旋頻率，陸洪等[42]專門討論了離子對(duì)該頻段電磁波在電離層中傳播的影響，計(jì)算結(jié)果顯示，在70 km左右的低電離層中離子影響較小，而在200 km高度的電離層中離子對(duì)電波傳播的影響很大。對(duì)于透射傳播至衛(wèi)星高度的電磁波，需要考慮離子對(duì)SLF/ELF頻段電波傳播的作用。

地表分布有大量的甚低頻電波發(fā)射站作為通訊導(dǎo)航之用，科學(xué)家也利用這些信號(hào)開展了大量的地震應(yīng)用研究[41-48]，因其發(fā)射功率大、頻率穩(wěn)定，因此10 kHz以上的人工源信號(hào)最易用來校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性和可靠性。廖力等[49]利用全波模型模擬計(jì)算了張衡一號(hào)（ZH-1）衛(wèi)星記錄的多個(gè)地面人工源電波信號(hào)，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星記錄電波信號(hào)量級(jí)與模擬結(jié)果一致，驗(yàn)證了正演電磁波傳播模型的可靠性。對(duì)于VLF頻段的電磁波傳播，理論模型與實(shí)際觀測(cè)實(shí)現(xiàn)了較好的吻合，但目前算法多用來討論人工源電磁波的正常傳播過程，對(duì)于附加在人工源信號(hào)上的震前電磁擾動(dòng)所能給出的解釋相對(duì)有限。對(duì)于ELF/SLF頻段的電磁波，在震例研究中通過極化分析確實(shí)在衛(wèi)星探測(cè)中提取到來自地面源的窄帶電磁輻射，電場(chǎng)信號(hào)幅度約在100μV2m-2Hz-1，磁場(chǎng)大約在10-6nT2Hz-1量級(jí)，窄帶信號(hào)多在百Hz頻段，在離子回旋頻率以下。從量級(jí)上看，Molchanov等[37]的計(jì)算結(jié)果比較一致。不過遺憾的是，地面觀測(cè)中較少報(bào)道這種窄帶電磁波地震信號(hào)，更不用提跟衛(wèi)星觀測(cè)能夠同步觀測(cè)了，所以這類信號(hào)雖然被衛(wèi)星觀測(cè)到，但是究竟是何來源，是否真正與地震相關(guān)，還有待地基寬頻帶電磁波與衛(wèi)星觀測(cè)的共同驗(yàn)證。在衛(wèi)星和地面觀測(cè)中都比較常見的地震電磁輻射是相對(duì)寬頻帶的擾動(dòng)信號(hào)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析中也稱為靜電紊流現(xiàn)象，異常多集中于DC-250 Hz[44，46]，相對(duì)平靜時(shí)段背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，電場(chǎng)擾動(dòng)能增加1—2個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至達(dá)到102μV2m-2Hz-1，但這類信號(hào)多發(fā)生在電場(chǎng)觀測(cè)中，磁場(chǎng)探測(cè)無同類信號(hào)；我國(guó)建設(shè)的人工源極低頻電磁監(jiān)測(cè)網(wǎng)也在幾次強(qiáng)震前觀測(cè)到幾百Hz以下的電磁輻射信號(hào)，其中磁場(chǎng)信號(hào)相對(duì)平靜期能增加1—5個(gè)數(shù)量級(jí)，電場(chǎng)增加0.3—3個(gè)數(shù)量級(jí)，這類地下電磁輻射觀測(cè)絕對(duì)值量級(jí)非常低?？紤]到在巖石層和電離層中的衰減，其與電離層中同類電磁輻射信號(hào)是否同源需要天地觀測(cè)共同驗(yàn)證。另外，單純的電磁波傳播模型可能與觀測(cè)本身量級(jí)上也難吻合，仍有較大的可優(yōu)化空間。至于Hayakawa[5]提到的ULF電磁輻射途徑，之前的研究中多以地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為主，分析頻段也多在1 Hz以下。已有的震例研究結(jié)果顯示，優(yōu)勢(shì)地磁擾動(dòng)分布在0.01—0.05 Hz，幅度約為0.1 nT[50]；之后也使用垂直極化比等算法，借以突出垂直方向上增強(qiáng)的異常信號(hào)[51]。近幾年來利用歐空局SWARM衛(wèi)星探測(cè)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)也獲得了多個(gè)震例前的研究結(jié)果，結(jié)果顯示，震前磁場(chǎng)幅度略小于1 nT，頻譜在40—60 s之間，且主要能量分布在Y分量上（指向東）[52-53]。從目前的地面和衛(wèi)星磁場(chǎng)觀測(cè)來看，衛(wèi)星上信號(hào)強(qiáng)度要高于地面磁場(chǎng)觀測(cè)，地面磁場(chǎng)前兆異常能量主要在垂直Z分量上，而衛(wèi)星觀測(cè)多出現(xiàn)在水平Y(jié)分量上，衛(wèi)星高度的擾動(dòng)信號(hào)如果是來自地面源，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論模擬結(jié)果的量級(jí)，所以地空之間磁場(chǎng)究竟是何傳播耦合原理尚需進(jìn)一步優(yōu)化模型，并尋找更多的觀測(cè)事實(shí)加以約束。關(guān)于電磁波與高能粒子的相互作用，目前最典型的觀測(cè)事實(shí)是人工源甚低頻電磁波在衛(wèi)星高度激發(fā)的高能粒子沉降，在法國(guó)DEMETER衛(wèi)星和中國(guó)ZH-1衛(wèi)星上均觀測(cè)到內(nèi)輻射帶以里的粒子沉降帶[54-55]，同時(shí)由于大功率電波的加熱作用在甚低頻發(fā)射站上空會(huì)形成人工導(dǎo)管現(xiàn)象，引起電子溫度上升、密度下降的擾動(dòng)信號(hào)[56]，但是這種高能粒子沉降與等離子體參量之間的關(guān)聯(lián)因?yàn)榭臻g位置的巨大差異（一個(gè)在更高緯度，一個(gè)在源區(qū)上空）還有待商榷?？茖W(xué)家對(duì)于地震電磁擾動(dòng)與高能粒子沉降異常多數(shù)情況下是采用單參量獨(dú)立完成的，所以電磁擾動(dòng)引起高能粒子沉降并最終引起等離子體參量擾動(dòng)需要電磁場(chǎng)、高能粒子、等離子體參量等探測(cè)結(jié)果的綜合分析和校驗(yàn)，目前還比較欠缺。

3 總結(jié)與展望

地震科學(xué)是一門探測(cè)科學(xué)，目前我們對(duì)地震相關(guān)知識(shí)的認(rèn)知均來自于各種探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。介質(zhì)的電磁特性是其基本物理性質(zhì)之一，而電磁場(chǎng)又是串聯(lián)地球各圈層系統(tǒng)的重要媒介，電磁波也是人類用于通訊導(dǎo)航的重要技術(shù)手段，人們從利用大地電磁測(cè)深技術(shù)等獲取地下的電性結(jié)構(gòu)，到地磁場(chǎng)、地電場(chǎng)、電磁輻射探測(cè)，到衛(wèi)星的電磁場(chǎng)和等離子體、高能粒子探測(cè)等，從世界矚目的希臘VAN方法，到DEMETER衛(wèi)星、地震電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星張衡1號(hào)的發(fā)射升空，無不彰顯出電磁探測(cè)技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)領(lǐng)域鮮活的生命力和無限的發(fā)展?jié)摿?。作為地震前兆的探測(cè)技術(shù)之一，電磁觀測(cè)也無法直探異常源頭，探測(cè)結(jié)果是多種信息混合。我們獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)越多，越能給出更全面的認(rèn)識(shí)。但如果只依賴探測(cè)數(shù)據(jù)本身，很容易陷入經(jīng)驗(yàn)和主觀主義。而地下結(jié)構(gòu)和地震孕育過程的復(fù)雜性遠(yuǎn)超預(yù)期，這也是迄今為止科學(xué)家們一直沒能獲得確定性地震前兆的原因。因此，必須同步發(fā)展物理模型和數(shù)值模擬算法，從繁雜的觀測(cè)中揭露事物的物理本質(zhì)，才能真正有助于地震探測(cè)和預(yù)測(cè)科學(xué)的發(fā)展，這也是本文的初衷所在。

從前文的成果總結(jié)來看，過于復(fù)雜的地震—電離層耦合模型多數(shù)還處于定性分析狀態(tài)。但單個(gè)鏈路的模型發(fā)展勢(shì)頭較好，個(gè)別已達(dá)到能與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相匹配的水平，如直流電場(chǎng)模型對(duì)于電離層等離子體參量擾動(dòng)及同步共軛現(xiàn)象的解析，對(duì)于大幅度的等離子體參量擾動(dòng)和電離層共軛異常的發(fā)展，給出了合乎物理原理的理論支撐，而甚低頻電磁波傳播模型也吻合了大功率人工源信號(hào)的正演傳播過程，奠定了模型的科學(xué)性和可靠性。當(dāng)然理論模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)分析的需求仍有較大距離，或者還有矛盾之處，基于現(xiàn)有的觀測(cè)和地震研究事例，我們?nèi)匀粺o法證明哪個(gè)模型更具優(yōu)勢(shì)，或者哪個(gè)是地震孕育激發(fā)異常傳播耦合的至要因素，因此，多鏈路并舉仍然是未來發(fā)展的重要技術(shù)路線。當(dāng)然，我們也要正視模型中揭示出來的問題，如初始條件、邊界條件設(shè)置等，都是影響計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵因素，如果進(jìn)一步優(yōu)化模型的話，需要加強(qiáng)相關(guān)重點(diǎn)參數(shù)的探測(cè)。另外，多數(shù)模型目前還設(shè)置的均是垂向分層模型、單點(diǎn)偶極子源等，對(duì)于地下三維結(jié)構(gòu)、電離層三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)、以及地磁場(chǎng)分布的三維不均勻性、電磁波平面?zhèn)鞑ヅc球面?zhèn)鞑サ牟町惖龋诋?dāng)前高性能計(jì)算技術(shù)快速提高的今天，有望搭建得到更復(fù)雜模型下的數(shù)值模擬結(jié)果，以期更符合實(shí)際構(gòu)造環(huán)境的復(fù)雜性。

理論模型發(fā)展的同時(shí)，也要注重探測(cè)數(shù)據(jù)的融合，目前雖然探測(cè)技術(shù)眾多，觀測(cè)數(shù)據(jù)成指數(shù)增長(zhǎng)。但對(duì)于各參量之間物理本質(zhì)的認(rèn)知仍然極為有限，建議未來通過大數(shù)據(jù)挖掘及人工智能分析技術(shù)，搜索搭建各類參量之間的有機(jī)結(jié)合。除了電磁參量，還應(yīng)該加入更多孕育機(jī)制中提到的地球化學(xué)因素、熱紅外、中性氣體探測(cè)等，以便實(shí)現(xiàn)不同圈層多源觀測(cè)數(shù)據(jù)效益最大化。探測(cè)技術(shù)和分析方法的進(jìn)步也是推動(dòng)理論模型進(jìn)步的重要因素，一則可校驗(yàn)優(yōu)化現(xiàn)有理論模型，二則或可提出構(gòu)建新的核心理論模型，以觀測(cè)帶動(dòng)模型，以模型指導(dǎo)探測(cè)，全方位推動(dòng)地震—電離層圈層機(jī)理的發(fā)展。