[论文解读] Ionospheric total electron content variations observed before earthquakes: Possible physical mechanism and modeling

A. A. Namgaladze, О. В. Золотов+3 more|ArXiv.org|May 20, 2009

Earthquake Detection and Analysis参考文献 20被引用 24

一句话总结

本文提出，全球和区域范围内观测到的地震前电离层总电子含量（TEC）异常，是由地震引发的纬向电场驱动F2区垂直等离子体漂移所致。利用高层大气模型，作者模拟了强中低纬度地震前的TEC扰动，其空间尺度和振幅与观测结果一致，支持了地壳应力与电离层变化之间存在物理解释的机制。

ABSTRACT

The GPS derived anomalous TEC disturbances before earthquakes were discovered in the last years using global and regional TEC maps, measurements over individual stations as well as measurements along individual GPS satellite passes. For strong mid-latitudinal earthquakes the seismo-ionospheric anomalies look like local TEC enhancements or decreases located in the vicinity of the forthcoming earthquake epicenter In case of strong low-latitudinal earthquakes there are effects related with the modification of the equatorial F2-region anomaly: deepening or filling of the ionospheric electron density trough over the magnetic equator. We consider that the most probable reason of the NmF2 and TEC disturbances observed before the earthquakes is the vertical drift of the F2-region ionospheric plasma under the influence of the zonal electric field of seismic origin. To check this hypothesis, the model calculations have been carried out with the use of the Upper Atmosphere Model. The electric potential distribution at the near-epicenter region boundary required for the electric field maintenance has been proposed. The upper atmosphere state, presumably foregone a strong earthquake, has been modeled. The results of the corresponding numerical model calculations have revealed a fine agreement with TEC anomalies observed before strong earthquakes at the middle and low latitudes both in spatial scales and in amplitude characteristics.

研究动机与目标

• 研究地震前观测到的电离层TEC异常背后的物理机制。
• 确定地震起源的电场是否能驱动可测量的F2区等离子体扰动。
• 通过与真实世界TEC观测对比，验证该假设。
• 评估模拟异常在空间尺度和振幅上与观测到的地震前TEC变化的一致性。
• 建立地壳应力与电离层电子密度变化之间的因果联系。

提出的方法

• 使用高层大气模型模拟地震起源电场对电离层响应的影响。
• 在震中附近电离层边界处建模电势分布，以维持纬向电场。
• 在这些电场作用下，模拟F2区的垂直等离子体漂移。
• 从预期的地壳应力诱导电离层耦合中推导电势的边界条件。
• 将模拟结果与全球和区域网络获取的GPS反演TEC图进行比较。
• 评估模拟输出在空间尺度和振幅上与观测到的地震前TEC异常的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 地震起源的纬向电场能否解释电离层中观测到的地震前TEC异常？
• RQ2 F2区垂直等离子体漂移在强震前产生TEC扰动中起什么作用？
• RQ3 电离层响应的数值模拟与真实TEC观测在强中低纬度地震前的匹配程度如何？
• RQ4 为重现观测到的TEC异常，电离层边界所需的电势分布是什么？
• RQ5 模拟与观测到的地震前TEC变化在空间和振幅上是否存在一致对应关系？

主要发现

• 模型模拟成功再现了与观测到的地震前扰动在空间尺度和振幅上高度一致的TEC异常。
• 通过垂直等离子体漂移，在中纬度地震震中附近成功模拟出TEC增强和减弱现象。
• 对于低纬度事件，模型成功再现了赤道电离层槽的加深或填充，与观测一致。
• 边界处模拟的电势分布足以生成观测到的电离层等离子体扰动。
• 模拟与观测TEC异常之间的一致性支持了地震电场驱动地震前电离层变化的假设。
• 结果表明，地壳应力与地震前强震电离层TEC变化之间存在合理的物理解释机制。