强震前带电气溶胶逸出对电离层电场的影响

卓 俊，牛胜利，潘常周，靳 平

（西北核技术研究所，西安710024）

强震前带电气溶胶逸出对电离层电场的影响

卓 俊，牛胜利，潘常周，靳 平

（西北核技术研究所，西安710024）

采用准静态模型近似描述地表异常电场传播到电离层的过程，建立了强震前带电气溶胶排放产生的附加电流，造成大气层电离层传导电流扰动，最终造成电离层中电场扰动的计算方法；分析了电离层中电场发生明显扰动的区域大小与带电气溶胶排放参数的对应关系，并根据我国川滇地区和大华北地区强震等震线的特点，计算了不同等震线长短轴比值下，电离层中电场扰动面积随地震震级及带电气溶胶数密度的变化规律。结果表明：强震前气溶胶浓度远大于能引起电离层异常的最小气溶胶浓度值，会在地表处产生一个幅值小于100V·m－1的异常电场，并在电离层内产生幅值大于10mV·m－1的扰动电场；在相同气溶胶粒子数密度和相同震级条件下，等震线长短轴的比值k越小，电离层中电场异常区域越大。

带电气溶胶；地表异常电场；电离层异常

地震前电离层异常已被大量观测所证实［1-4］，因此，地震电离层前兆研究受到各国科学家的重视。电离层前兆监测很可能发展成为地震短临预报的重要手段。地震电离层前兆的物理机制研究，是一项十分紧迫的任务，国内外学者在诸多观测基础上，提出了多种电离层异常物理机制假说，如岩石圈、大气层和电离层的多层耦合模型［5-8］。该模型认为：在大地震发生前，随着能量的大量积累，地震孕育区正发生着十分复杂的变化，如，岩石受到压缩或拉伸，岩石的空隙度和渗透性等发生变化，地球内部的一些气体和带电气溶胶突然大量向外释放。其中，带电气溶胶进入大气层的过程中会在近地大气层中形成附加电流，从而引发大气电场异常。该异常大气电场会在大气层内向上传播并到达电离层，最终引起电离层中电场扰动以及电子密度的区域性变化［9-11］。

Sorokin等人利用该模型定性地解释了震区上空由于电离层对异常大气电场的放大作用引起的与地震有关的一些等离子体变化现象［12］，认为电离层中扰动电场必须达到10mV·m－1，才会引起明显的电离层异常。但地震震级与电离层异常之间的关系还有待进一步研究。本文基于上述假说，使用电场在大气中传播的准静态模型，对强震前逸出的带电气溶胶数密度、地震震级等参数与电离层异常之间的关系进行了计算研究。

1 计算模型

采用准静态近似，计算地表处附加电流引起的电离层异常电场。计算过程如下：首先，根据气溶胶排放参数得到地表处的大气附加电流，再结合气溶胶在空气中的黏性力、重力和静电力的平衡关系求出地表垂直扰动电场的水平分布；然后，用准静电场近似下的麦克斯韦方程计算出电离层底部的垂直异常电流；最后，求出电离层中的电势分布和水平电场分布［13-15］。计算模型如图1所示。具体计算方法如下：

以垂直向上为z轴方向，以磁子午面平行方向为x轴建立直角坐标系（x，y，z）。其中，z＝0为地表平面。假设在地表处存在一个带电气溶胶逸出区域，其引起的附加电流密度垂直分量在水平面（x，y，0）上的分布由关系式jE＝jE（x，y，0）确定。令φ为空间电势分布函数，其在地表处为0。根据电流连续性方程和欧姆定律，可以得到电离层中准静态电场的电势分布：

其中，σ（z）为空气的电导率。在准静态近似下，沿着磁力线的方向是等电位的，因此，电离层中的电场分布和电离层上边界处的场向电流将向其磁共轭点流动。流入磁气圈的场向电流大小与共轭点处电离层及大气层的电导率密切相关。电离层下边界zL处的边界条件，可以通过对电流连续性方程在电离层共轭区进行积分给出：

其中，

式中，α为磁倾角；φL（x，y）为电离层下边界处电场分布函数；σP为电离层的积分Pedersen电导率；Z为地面到电离层间单位面积累积空气阻抗；σ（zL－0）为靠近电离层底部的大气电导率；jL（x，y）为电离层下边界处从大气流入电离层的电流密度。式（1）满足边界条件φ｜z＝0＝0的解具有如下形式：

其中，ε为附加电流的电动势。求解式（6）和式（2），可以给出电离层下边界处的电势分布函数φL（x，y）：

当磁倾角α＝π／2时，式（9）转化为二维泊松方程。电势在电离层中分布的空间尺度与磁场的倾角相关。利用式（6）与式（9）可以求解地震前地面大气电场异常导致的电离层电场扰动，扰动量与大气电导率、积分Pedersen电导率及磁倾角相关，地面异常电场在水平方向上可以是任意分布的。

假设在孕震区上方的附加电流密度是由于断层地表向大气中释放带电气溶胶引起的：

其中，sp（z）和sn（z）分别是带正、负电气溶胶粒子产生的附加电流密度的高度分布函数。将式（10）代入式（6）得：

地震前，大气垂直电场大幅度异常（E≈1kV·m－1）的时间特征尺度一般小于1h，而时间特征尺度超过1d的大气异常电场，一般具有范围广（几十至几百km）、变化幅度小（E≈10～100V·m－1）的特点［16］。用垂直电场的扰动与近地表附加电流之间的反馈作用，可以解释地表异常电场幅度小的特点。形成反馈作用的原因是在地表界面处带电气溶胶通道上形成了势垒。例如，带正电的粒子从土壤中进入空气时，地表土壤就会带负电，由此产生方向向下的电场会阻止带正电粒子从土壤中逸出；同时，这个激发电场会使带负电的粒子更易逸出地面。由于近地表电流存在这种反馈机制，所以附加电流的大小与地表电场垂直分量直接相关：其中eZp和eZn分别为气溶胶所带正、负电荷；η为空气黏性系数；v为气溶胶从地面逸出的速度；Rp和Rn分别是带正、负电气溶胶粒子半径；带正电气溶胶的质量mp＝（4／3）πR3pρ；带负电气溶胶的质量为气溶胶粒子的质量密度。为了简化计算，假定两种带正、负电荷的气溶胶粒子的组分相同，则Ec，p＝Ec，n＝Ec。

其中，jp0（x，y）和jn0（x，y）分别为不考虑电场影响时，带正、负电气溶胶逸出引起的附加电流密度。临界电场Ec，p，Ec，n可以从黏性力、重力和静电力的平衡关系中求出。带电粒子受到逸出土壤气体的黏性力方向为垂直向上，重力方向为垂直向下，带正电的逸出气体受到的静电力方向为垂直向下：

在给定jp0和jn0时，可以由式（20）计算出地表电场的垂直分量。通过求解式（18）和式（19），可以得到电离层底部从大气层中流入的传导电流密度。考虑到反馈作用，则：

电离层中电势的水平分布可以由式（9）求得。令ξ＝xsinα，将式（9）变为二维泊松方程，即可用格林函数法求解。解的形式为

电离层中，水平电场分量为

将式（24）代入式（26）和式（27），得到直流电场在电离层中的水平分布：

求解式（22）、（23）、（28）和（29），可以得到电场在地表和电离层中的水平分布，该分布与磁倾角α及缺陷主轴方向与磁子午面夹角β有关。在计算中假设孕震区地表上方附加电流密度的空间分布为

其中，

a和b分别为附加电流在缺陷主轴方向上和垂直主轴方向上的空间特征尺度。假设：

则震中附近带电气溶胶逸出引起的附加电流密度为

其中，N为气溶胶粒子数密度；hp＝20km；hn＝15 km；h＝5km。

2 计算结果与分析

汶川大地震前已观测到明显的电离层异常现象［17 19］。汶川大地震发生在龙门山断裂带上，龙门山断裂带呈西南－东北走向。为了对该模型的正确性进行验证，选取汶川地震前的断层参数：a＝500km，b＝100km，N＝2×104cm－3，Z＝100，β＝45°，对带电气溶胶逸出引起的电离层异常电场进行了计算。

图2为带电气溶胶引起的附加电流作用下的地面垂直电场和电离层中静电场的空间分布。从图2可以看出：在地面产生的电场异常区域要比带电气溶胶排放的特征尺度更大，在这个异常区域内，垂直电场强度与距震源的距离无关。计算得到的地面垂直电场在孕震区上方的波动量约为90V·m－1，此时，电离层的水平电场约达10mV·m－1。这种强度的电场扰动，会引起电离层异常现象［12］。因此，震前构造断层区域的带电气溶胶逸出可能是引起大地震前电离层异常的内在原因。

为研究震前电离层中异常电场尺度的变化规律，计算了不同参数条件下，电离层中异常电场范围与输入参数的关系。图3给出了保持上述断层参数不变，电离层中异常电场幅值超过10mV·m－1的区域面积s随地表排放气溶胶粒子数密度N的变化情况。从图3可以看出，在上述断层参数对应的地表气体排放范围下，当气溶胶粒子数密度超过1010m－3时，电离层中异常电场区域的面积将超过106km2。在1995年日本阪神7.3级大地震前测到大气离子（主要是荷电气溶胶）浓度比平时浓度高出200倍［20］，达到（20～30）×1010m－3，已远远超出引起电离层异常的最小气溶胶浓度值1×1010m－3。

震前放气范围的特征尺度a和b一般与震级有较大的联系。为了研究不同震级对电离层异常特征量的影响，对不同震级对应的放气范围进行了计算研究。震前放气范围的半径L与地震震级M之间存在关系［21］：

考虑到等震线的形状通常为椭圆形，令椭圆的长轴a＝L，短轴b＝L／k，即长短轴的比值为k。k与地震所在地理位置关系较大，在川滇地区，k值较大，一般在5～10之间；在大华北地区，k值较小，一般小于3［22］。

保持其他参数不变，取k＝1，2，5，10，根据式（40），可以计算出不同气溶胶粒子数密度N下电场异常面积s与震级M的变化关系，如图4所示。从图中可以看出，在给定的N值下，电场异常区域面积随着震级升高而增大，但当震级M小于某一特定值时，电离层中将不会出现异常电场，这一特定值的大小与放气范围的长短轴比值有关。例如，当N＝2.0 ×1010m－3，k＝1时，震级小于5.5时，电离层中将不会出现幅值超过10mV·m－1的电场异常。这与国内外的实际观测结果相符，即：由地震活动引起的电离层变化确实存在，但与震级有关，一般只有在震级大于5的地震发生前才会发生电离层扰动［23-24］。

计算了不同震级下，电离层中电场异常区域面积随气溶胶粒子数密度N的变化，如图5所示。可以看出：在相同N值下，k越大时，越难出现电离层异常。当震级M＞5.5时，比较容易出现电场异常现象。当震级M＜5.5时，电离层中是否会出现电场异常与k值有密切关系：当k≥5时，即使气溶胶粒子数密度N高达2.5×1011m－3也很难出现电场异常；而当k≤2，气溶胶粒子数密度N＞5.0×1010m－3时，应该能观测到电场异常现象。

3 结论

利用地表带电气溶胶逸出导致电离层电场异常的计算模型，对强震前地表带电气溶胶逸出特征参数对电离层电场扰动的影响进行了研究，得出以下结论：1）震前带电气溶胶排放会在地表处产生附加电流，其在地表处引发的异常电场强度幅值一般在100V·m－1以下，在电离层内引发的扰动电场强度幅值超过10mV·m－1；2）强震前气溶胶浓度一般远远超出了能引起电离层异常的最小气溶胶浓度值；3）在相同气溶胶粒子数密度和相同震级条件下，等震线长短轴间的比值k越小，电离层中电场异常区域越大。

随后，我翻到了课件的下一页：关于改变，关于梦想，我们的人生要有规划和目标。我向学生阐述了目标的重要性，让他们理解了职业规划的重要性。他们在课后进行思考，制作成课件，展示自己的梦想、目标、规划。

尽管本文计算结果显示了带电气溶胶逸出与电离层异常之间有密切关系，但上述结论仍需要大量的实例来验证。另外，电离层电场扰动与电离层电子、离子密度变化之间的关系也有待进一步研究。

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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

卓俊（1982－），男，浙江龙泉人，助理研究员，硕士，主要从事射线与物质相互作用仿真技术研究。

E－mail：zhuojun＠nint.ac.cn