2019-05-26秘魯北部地震前低緯電離層變化分析

張一彬 鐘慧鑫 張 亭 黃睿婧 馮建迪

1 山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東省淄博市新村西路266號(hào)，255000

電離層總電子含量(total electron content, TEC)是用來(lái)研究電離層時(shí)空變化的重要物理量之一。自Leonard等[1]研究美國(guó)阿拉斯加大地震發(fā)現(xiàn)震區(qū)上空電離層會(huì)在地震期間出現(xiàn)異常變化以來(lái)，電離層被廣泛應(yīng)用于地震研究中。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地震前震區(qū)上空TEC的變化特征進(jìn)行大量研究[2-7]，這些研究為探索震前震區(qū)上空電離層的異常變化提供了參考依據(jù)。當(dāng)前研究大多是利用震前電離層物理量的變化來(lái)分析震前異常，但由于地震事件的特殊性，在空間上存在的電離層中緯夏季夜間異常(mid-latitude summer night anomaly, MSNA)和電離層赤道異常(equatorial ionization anomaly, EIA)這兩大異?，F(xiàn)象的研究較少。電離層赤道異常對(duì)電場(chǎng)中所有變化都很敏感[8]，因此本文針對(duì)2019-05-26秘魯北部MW8.0地震，利用全球電離層圖(global ionospheric map, GIM)和GPS-TEC數(shù)據(jù)，研究此次地震前與地震活動(dòng)有關(guān)的低緯度電離層異常變化規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

1.1 CODE-TEC

本文采用的TEC數(shù)據(jù)可從歐洲定軌中心(center for orbit determination in Europe，CODE)發(fā)布的GIM中獲得。CODE中心根據(jù)IGS組織提供的時(shí)間分辨率為2 h、空間分辨率為5.0°×2.5°的全球TEC網(wǎng)格數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的GIM。

1.2 GPS-TEC

GPS雙頻接收機(jī)能夠有效消除電離層誤差，從而獲取更加準(zhǔn)確的TEC數(shù)據(jù)。目前，基于GPS雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算TEC值的方法有3種：根據(jù)偽距觀測(cè)值反演電離層絕對(duì)TEC值、根據(jù)載波相位觀測(cè)值反演相對(duì)TEC值、聯(lián)合偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值反演TEC值[9]。聯(lián)合偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值反演TEC方法與其他兩種方法相比，具有時(shí)間分辨率更高、適用范圍更廣、可靠性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。因此本文采用第3種方法計(jì)算GPS-TEC。原始觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自IGS數(shù)據(jù)服務(wù)中心(https:∥cddis.nasa.gov/archive/gnss/)。

2 太陽(yáng)和地磁條件分析

2019-05-26秘魯北部發(fā)生MW8.0地震，此次地震位于秘魯拉古納斯東南約80 km，震中位于5.85°S、75.18°W，震源深度100 km，秘魯首都利馬震感十分明顯。電離層活動(dòng)與太陽(yáng)和地磁場(chǎng)具有密切關(guān)系，為判斷震前某一時(shí)段的電離層異常是否因孕育地震而引起，需要考慮該時(shí)期的空間環(huán)境狀況，綜合分析電離層異常變化的原因。針對(duì)此次地震，本文選取2019-05-19～30太陽(yáng)10.7 cm輻射通量(F10.7指數(shù))、地磁活動(dòng)指數(shù)Dst、Ap和Kp指數(shù)，給出所選時(shí)間內(nèi)Dst、Kp、Ap指數(shù)及F10.7指數(shù)相對(duì)該時(shí)期平均值的變化曲線，綜合分析此次地震過(guò)程中太陽(yáng)和地磁活動(dòng)對(duì)電離層的影響(圖1)。

圖1 2019-05-19～30地磁和太陽(yáng)活動(dòng)狀況Fig.1 Geomagnetic and solar activity from May 19 to 30, 2019

從圖1可以看出，在2019-05-19～30期間，F(xiàn)10.7指數(shù)波動(dòng)較小，與均值的偏差均在-2～2 sfu之間。2019年正處于第24個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周結(jié)束前的太陽(yáng)活動(dòng)極小值期，太陽(yáng)活動(dòng)水平較低。因此，在此次地震過(guò)程中太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)電離層異常變化并不會(huì)產(chǎn)生較大影響。對(duì)于地磁活動(dòng)指數(shù)，在05-20～25期間，Kp指數(shù)均小于2 nT，Ap指數(shù)均小于7 nT，且Dst指數(shù)均大于-30 nT。根據(jù)磁暴強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)可知[10]，此次地震前地磁活動(dòng)較為平靜。因此，太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)對(duì)此次地震前電離層異常變化均不會(huì)產(chǎn)生較大影響，從而為研究地震與震前電離層異常變化的關(guān)系提供了條件。

3 TEC異常變化分析

為分析秘魯北部地震前電離層TEC的變化情況，選取IGS組織提供的2019-05-21～26 CODE-TEC數(shù)據(jù)，繪制地震區(qū)域05-21～26 EIA變化明顯時(shí)刻的TEC分布圖。選擇區(qū)域?yàn)?0°S～40°N、50°～130°W，結(jié)果如圖2～7所示。

從圖2～7可以看出，2019-05-21～22期間，電離層存在明顯的赤道異?，F(xiàn)象：TEC在磁赤道南北15°～20°區(qū)域出現(xiàn)2個(gè)極大值，且TEC最大值約為29 TECu。而在05-23～26期間，“雙峰”消失，且TEC最大值為20 TECu左右，與05-22前相比最大值減少9 TECu，電離層赤道異常極不明顯。為更詳細(xì)地分析震前電離層赤道異常的變化情況，選取秘魯北部地區(qū)電離層赤道異常表現(xiàn)最明顯的時(shí)刻20:00 UT，繪制05-20～28全球電離層TEC圖(圖8)。從圖中可以看出，在地震前3 d內(nèi)，電離層赤道異常“雙峰”消失，且TEC濃度顯著減小，與05-20～22相比，TEC值減小10 TECu左右。而在地震后05-27又能觀察到明顯的電離層赤道異?，F(xiàn)象，且峰值處TEC濃度恢復(fù)至29 TECu。

為更詳細(xì)地分析地震前電離層赤道異常處電離層TEC的空間變化，繪制75°W處低緯區(qū)域電離層TEC隨緯度的變化曲線，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，與2019-05-10～20電離層TEC均值曲線相比，總體來(lái)看，2019-05-23～26電離層TEC值均有不同程度減小；在靠近震中區(qū)域，電離層TEC存在明顯的下降趨勢(shì)；在02:00～14:00UT，與平均值相比，05-23～26期間電離層TEC在20°～40°N區(qū)域存在一個(gè)峰值，在02:00 UT，05-25與05-26峰值濃度最高，在08:00 UT和10:00 UT，05-23峰值濃度最高。本次地震發(fā)生在23:00 UT，可以看出在16:00～22:00 UT，電離層TEC在赤道附近出現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象，均值曲線雙峰現(xiàn)象最明顯，與均值曲線相比，除05-25能看出雙峰現(xiàn)象外，05-23～24與05-26日雙峰現(xiàn)象不明顯，且05-23～26峰值處電離層TEC均減少約10 TECu；在22:00 UT，所選時(shí)間曲線與均值曲線符合最好。

圖2 2019-05-21電離層TEC圖Fig.2 Ionospheric TEC map on May 21, 2019

圖3 2019-05-22電離層TEC圖Fig.3 Ionospheric TEC map on May 22, 2019

圖4 2019-05-23電離層TEC圖Fig.4 Ionospheric TEC map on May 23, 2019

圖5 2019-05-24電離層TEC圖Fig.5 Ionospheric TEC map on May 24, 2019

圖6 2019-05-25電離層TEC圖Fig.6 Ionospheric TEC map on May 25, 2019

圖8 秘魯北部地區(qū)電離層赤道異常最大顯示時(shí)刻的全球TEC圖Fig.8 Global TEC map of the maximum display time of EIA in northern Peru

圖9 75°W電離層TEC隨緯度變化曲線Fig.9 Ionospheric TEC variation with latitude at 75°W

為進(jìn)一步研究地震前電離層TEC日變化異常，選取距離震中較近的RIOP和GLPS IGS跟蹤站進(jìn)行分析，表1為所選取IGS跟蹤站的相關(guān)信息。計(jì)算2019-05-10～20期間TEC日變化均值和05-21～26電離層日變化序列，結(jié)果如圖10～11所示。從圖中可以看出，在地震前6 d，每日電離層TEC含量均小于TEC均值，在12:00 UT兩者差值最小，而在18:00～22:00 UT差值較大，在20:00 UT最大差值可達(dá)10 TECu，且該現(xiàn)象在05-23～26最明顯。

表1 IGS跟蹤站相關(guān)信息

圖10 RIOP站地震前電離層TEC日變化曲線Fig.10 Daily variation of ionospheric TEC before the earthquake at RIOP station

圖11 GLPS站地震前電離層TEC日變化曲線Fig.11 Daily variation of ionospheric TEC before the earthquake at GLPS station

4 結(jié) 語(yǔ)

選取2019-05太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)F10.7、地磁指數(shù)和CODE-TEC數(shù)據(jù)，對(duì)2019-05-26秘魯北部地震前電離層赤道異常變化進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，地震發(fā)生前3 d，電離層赤道異常發(fā)生變化，赤道兩側(cè)“雙峰”消失，且電離層TEC濃度顯著減小，與05-20～22相比，電離層TEC值減小10 TECu左右；且在05-23～26，電離層TEC值較05-10～20 也減小10 TECu左右。在地震發(fā)生前，電離層TEC隨緯度變化呈現(xiàn)雙峰特征，震中附近存在一個(gè)低谷，這種現(xiàn)象在地震前幾小時(shí)最為明顯，推測(cè)可能為地震準(zhǔn)備階段，震中附近產(chǎn)生的異常電場(chǎng)可能使震中兩側(cè)產(chǎn)生“噴泉效應(yīng)”，從而導(dǎo)致電離層赤道異?！跋А?。因此，本文推測(cè)地震電離層效應(yīng)可能是電離層赤道異常的一種特殊修正。

致謝：感謝IGS組織提供觀測(cè)數(shù)據(jù)和GIM電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)，NASA和IUGG提供太陽(yáng)及地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。