[论文解读] DEMETER Satellite Observations of Particle Burst Prior to Chile Earthquake

Zhenxia Zhang, Xinqiao Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Earthquake Detection and Analysis参考文献 15被引用 4

一句话总结

本研究基于DEMETER卫星观测，报道了2010年智利8.8级地震前11天发生的高能粒子爆发（PB），其增强幅度高达背景水平的6倍。该PB与VLF电场扰动及镜像点对称效应同时出现，表明地震电磁辐射可能引致电离层耦合，排除太阳活动与地磁活动源后，PB被定位为地震前兆的潜在信号。

ABSTRACT

The lithosphere activity during seismogenic or occurrence of one earthquake may emit electromagnetic wave which propagate to ionosphere and radiation belt, then induce disturbance of electric and magnetic field and the precipitation of high energy charged particles. This paper, based on the data detected by DEMETER satellite, present the high energy charged particle burst(PB) with 4 to 6 times enhancement over the average value observed about ten days days before Chile earthquake. The obvious particle burst was also observed in the northern hemisphere mirror points conjugate of epicenter and no PB events in different years over the same epicenter region was found. The energy spectra of the PBs are different from the one averaged within the first three months in 2010. At the same time, the disturbance of the VLF electric spectrum in ionosphere over the epicenter detected by the DEMETER satellite are also observed in the same two orbits. Those observations from energetic PB and VLF electric spectrum disturbance demonstrates the coupling relation among the electromagnetic wave emitted by seismic activity, energetic particle and electric field in ionosphere. We eliminate the possible origination of PB including magnetic burst and Solar activities. Finally we think the PB is likely to be related to Chile earthquake and can be taken as the precursor of this earthquake.

研究动机与目标

• 利用DEMETER卫星数据研究2010年智利8.8级地震的电离层前兆。
• 确定震前观测到的高能粒子爆发（PB）是否与地震活动相关，或源于外部源。
• 分析PB、VLF电场扰动与电离层耦合机制之间的时空相关性。
• 排除太阳活动或地磁暴等其他原因导致的粒子爆发。
• 评估PB作为大地震可靠前兆信号的潜力。

提出的方法

• 分析DEMETER IDP仪器在三个能量范围内的粒子通量数据：90.7–600 keV、600–1000 keV和1000–2351 keV。
• 将粒子爆发事件与同一轨道上ICE仪器检测到的VLF电场谱扰动进行交叉比对。
• 将粒子爆发的强度与2010年第一季度该区域的平均背景水平进行比较。
• 识别北半球镜像点处的粒子爆发，以评估磁力线的连通性。
• 通过分析Kp指数与太阳耀斑数据，排除太阳活动与地磁活动作为原因。
• 利用DEMETER的准太阳同步轨道，确保对震中区域实现一致的空间与时间采样。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2010年智利地震前，电离层是否发生了显著的高能粒子爆发？若发生，时间与地点为何？
• RQ2 观测到的粒子爆发是否在空间与时间上与电离层中的VLF电场扰动相关？
• RQ3 在北半球磁镜像点是否观测到粒子爆发，表明其与震中区域存在磁力线连接？
• RQ4 该粒子爆发是否可归因于太阳活动、地磁暴或其他非地震源？
• RQ5 地震诱发的电磁辐射与电离层粒子沉降及电场之间的耦合机制本质为何？

主要发现

• 在地震前11天观测到粒子爆发，其增强幅度为平均背景水平的4至6倍，主要集中在90.7–600 keV与1000–2351 keV能量范围。
• 粒子爆发发生于震中及其在北半球的磁镜像点，90.7–600 keV范围增强5倍，1000–2351 keV范围增强3倍。
• VLF电场谱扰动与粒子爆发发生在同一轨道的两个事件中，两者几乎同时发生，且VLF信号较粒子爆发略晚。
• VLF扰动发生在比粒子爆发更低的纬度，表明电场扰动位于粒子沉降区域之下，与向上传播的电磁波耦合一致。
• 在其他年份未观测到同一区域的粒子爆发与VLF扰动，表明其与2010年智利地震具有独特相关性。
• 在排除太阳活动与地磁扰动（Kp指数）后，作者认为粒子爆发最可能与地震活动相关，因而具有潜在地震前兆意义。