PREVENTION项目:对岩石圈-大气层-电离层耦合模型的监测与检验——墨西哥综合地球物理观象台

近几年来,为了解释在预测地震区的近地表、大气层和电离层等不同层面观测到的电磁和等离子体现象的物理机制,人们建立了许多不同的物理模型。由于缺少充足的试验数据,所有模型都是基于一定的假设得到的。为了建立完善的模型,必须用到在不同地点、不同时间、不同类型的地震中搜集来的数据。PREVENTION项目(PREcur-sors ofVolcano Eruptions and Notable Tremors IntegralObservatioN,火山喷发和显著震动的前兆的全面观测)试图在墨西哥地震活动最频繁、潜在危险最严重的地区之一Guer-rero州建立综合地球物理观象台,从地面到空中进行多层面的观测,以期获得同时发生的多参数数据来对现存的地震-电离层耦合模型进行直接检验。第二个试验场将建立在Popocatepetl火山附近,来研究火山活动和电离层效应之间的关系。本文展示了综合地球物理观象台的含义和内容。

大气波动监测仪在岩石圈-大气层-电离层研究中的应用

针对北京大学空间物理与应用技术研究所研制的两台大气波动监测仪近三年的观测数据,对这一时段内所观测到的重力波和次声波周期尺度扰动的形态特征、谱结构特征及其在时间分布上的统计特征进行了分析.给出了几例雷暴、地震等事件中观测到的大气扰动,并揭示了这些事件期间观测到的与地面大气扰动周期尺度相类似的电离层扰动.结果表明,北京大学研制的大气波动监测仪可有效记录到地面的微弱大气扰动,观测数据可用于进行岩石圈-大气层-电离层之间的耦合研究.

岩石圈-大气层-电离层电磁波导特征值问题研究

岩石圈-大气层-电离层耦合（Lithosphere—Atmosphere-Ionosphere Coupling）的研究，是揭示地震孕育和发生过程中出现于地面、大气层和电离层的各种异常现象及其产生机理的基础，对深刻认识震前异常物理现象，改善地震监测方法和地震短临预报等方面有本质上的重要性。目前国内外有关研究人员针对“岩石圈-大气层-电离层耦合”这一课题进行了大量的基础研究和应用研究工作并取得了瞩目的成果，

有限元方法研究精细地-电离层波导VLF波传播特性

基于频域有限元方法仿真了精细地-电离层波导结构甚低频(VLF,Very Low Frequency)电磁波幅度和相位传播特性.首先给出了如何确定VLF波发射点和接收点传播路径所在大圆的方法,接着分析了获取波导结构中不同阶波导模式传播系数的耦合模理论,数值讨论了不同阶波导模式的衰减率和相对相速度随模式数和工作频率的变化关系,给出了波导不同结构参数对一阶模衰减率和相对相速度的影响.与文献结果对比验证了本文有限元方法模拟VLF波传播的正确性和高效性.最后利用实验和数值仿真结果,通过对电子密度国际电离层参考模型进行修正,讨论了澳大利亚—青岛台VLF波幅度和相位日变化的规律.本文工作为研究地-电离层波导结构VLF波电磁特性以及提高陆基超远程甚低频导航系统的精度,提供了新的思路和方法.

太阳风-磁层-电离层耦合过程中的能量收支

太阳风向磁层-电离层(Magnetosphere and Ionosphere,MI)系统输入能量,而输入的能量随后在MI系统中消耗.本文从能量守恒原理出发,讨论太阳风-磁层-电离层(SMI)耦合过程中的能流路径和能量收支的定量关系.主要讨论9个问题:(1)太阳风向MI系统的能量输入,(2)MI系统对能量输入的响应,(3)环电流的能量消耗,(4)极区电离层焦耳加热的能量消耗,(5)极光粒子沉降的能量消耗,(6)磁尾能量的消耗、储存以及返回下游太阳风,(7)平静期间的能量积累与释放,(8)能量在不同能汇中的分配,(9)评价能量函数的准则和方法.

基于短波段电离层探测数据分析地下核爆引起的电离层扰动

同全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)获取电离层总电子含量(total electron content, TEC)数据相比,传统的电离层垂测、斜测等短波段数据具有特征参数丰富、高度分辨率高、历史数据多等优点。为利用电离层垂测和斜测数据,研究地下核爆引起的电离层扰动。利用2016年1月6日朝鲜地下核试验当天的斜测、垂测数据分析电离层扰动现象。结果表明,本次地下核爆造成的行波电离层扰动为小尺度电离层扰动,传播速度为150.3~158.7 m/s。同时核爆发生后0.5 h在距离爆点421.4 km处,观测到F2层临界频率(critical frequency of the F2layer, foF2)较月中值增加了0.7 MHz,较1月5日、1月7日在协调世界时(coordinated universal time, UTC)2:00 UTC的增加了0.5 MHz,极有可能是地下核爆通过岩石圈-大气圈-电离层圈耦合机制造成电离层电子浓度增加。本文分析结果与其他文献资料非常吻合。由此可见,基于短波段电离层探测方式感知电离层扰动从而实现地下核爆炸事件的监测,是一种有效的核爆电离层效应监测手段,可与其他直接监测手段相印证,提高核爆事件监测能力。

南海区域岩石圈的壳-幔耦合关系和纵向演化

南海区域岩石圈由地壳层和上地幔固结层两部分组成。具典型大洋型地壳结构的南海海盆区莫霍面深度为９～１３ｋｍ，并向四周经陆坡、陆架至陆区逐渐加深；陆缘区莫霍面一般为１５～２８ｋｍ，局部区段深达３０～３２ｋｍ，总体呈与水深变化反相关的梯度带；东南沿海莫霍面深约２８～３０ｋｍ，往西北方向逐渐增厚，最大逾３６ｋｍ。南海区域上地幔天然地震面波速度结构明显存在横向分块和纵向分层特征。岩石圈底界深度变化与地幔速度变化正相关；地幔岩石圈厚度与地壳厚度呈互补性变化，莫霍面和岩石圈底界呈立交桥式结构，具有陆区厚壳薄幔—洋区薄壳厚幔的岩石圈壳－幔耦合模式。南海区域白垩纪末以来的岩石圈演化主要表现为陆缘裂离—海底扩张—区域沉降的过程，现存的壳－幔耦合模式显然为岩石圈纵向演化产物，其过程大致可分为白垩纪末至中始新世的陆缘裂离、中始新世晚期至中新世早期的海底扩张和中新世晚期以来的区域沉降等三个阶段。

热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用

岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一.本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序.岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为:地幔在热驱动(或运动岩石圈的拖曳)下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态.温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化.利用该耦合方法模拟了"地幔柱作用下地表隆升"地质过程,其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力.

新疆地学断面深地震反射剖面揭示的西昆仑-塔里木结合带岩石圈细结构

横过西昆仑 塔里木结合地带的深地震反射剖面 ,首次揭露出新疆地学断面南部山盆结合部位地壳与上地幔顶部的精细结构 ,发现了塔里木岩石圈下部南倾、西昆仑山岩石圈下部北倾的强反射特征 ,它们相向倾斜、相互交织 ,构成了塔里木岩石圈挤入到西昆仑北带之下 ,与青藏高原西北缘岩石圈相碰撞的地震证据。深地震反射剖面还揭示出西昆仑山与塔里木盆地在岩石圈尺度呈“V”型的盆山耦合关系 ,这种“V”型的耦合关系代表了陆内陆

利用中国GPS站网对地震波引发的大尺度电离层扰动的观测

地震瑞利波在沿地表传输时衰减很慢,其能量在远离震中的区域仍然能够激发大气和电离层扰动.本文利用中国境内的GPS接收机网络观测电离层总电子含量(total electron content,TEC),分析了2011年日本地震后在中国区域上空产生的电离层扰动.研究发现,瑞利波的能量从地面经大气耦合传输到电离层高度,导致在中国区域上空电离层出现与瑞利波传播同步的TEC扰动.利用中东部的稠密接收机网络,还揭示了扰动的大尺度二维空间结构:瑞利波经过后产生的TEC扰动呈条带状,在中纬度地区沿西北—东南方向排列,而在低纬度大致为东西方向.条带的转向可能与地磁场作用下的中性-离子耦合过程有关,大气波动导致的等离子扰动倾向于沿磁力线方向(向南)传播,从而形成垂直磁力线方向(东西)的波前结构.这是首次在远离震中的区域使用GPS站网研究地震波耦合电离层扰动的大尺度二维空间结构.

2018年8月5日印度尼西亚地震震前电离层异常特征

基于2018年8月5日印度尼西亚地震震中(116.45°E,8.33°S)附近的澳大利亚达尔文站和位于震中磁力线共轭区域的武汉站的电离层测高仪观测数据,以及相同区域全球卫星导航系统接收机的观测数据,对该地震震前的电离层异常扰动特征进行了分析。结果显示,震前同时观测到了电离层F2层临界频率(foF2)和总电子含量(TEC)时间序列的异常。基于岩石圈-大气层-电离层直流电场耦合模式和美国国家大气研究中心的热层-电离层环流耦合模式(NCAR/HAO TIEGCM)对震前震中及其对应磁力线共轭点区域的电子密度异常进行了模拟,模拟结果表明,在地震异常电场的作用下,地震区域及其对应半球的磁共轭区域的TEC和电离层F2层峰值电子密度NmF2发生了明显扰动。

电离层对台风响应的全过程的特例研究

作为特例研究,本文对1988年和1990年两次强台风影响期间的电离层多普勒记录及相应的台风资料进行了细致的相关分析,目的是利用多普勒记录的连续性优点来了解电离层对登陆(或近海)强台风通过声重波响应的演化全过程.分析表明,在这两次台风影响期间,电离层形态中除有明显的波状扰动(中尺度声重波)出现外,还有一些值得注意的新现象:波动的时间演化表现出明显的幅度逐渐增加以及频率由高频向低频转变,在振幅很大的情况下日落后同时出现扩展F(Spread-F)现象,显示了声重波在激发电离层不规则结构方面的种子作用.这一演化过程与电离层中TIDs的线性传播理论一致,文中开展了对这一现象的非线性数值模拟,模拟结果基本上也与上述观测现象相吻合.

不同地磁活动水平下电离层H＋上行的半球对比研究

使用FAST/TEAMS仪器在第23太阳活动周下降相的数据,从地磁活动水平的角度,分别分析在磁静日(Kp≤2+)和磁扰日(Kp≥3+)时南(SH)、北半球(NH)高纬(>50°)电离层H+的上行强度,计算其上行率和净上行积分能通量,以期得到H+上行的长期水平并分析地磁扰动期间南、北半球离子上行强度的异同.研究结果表明,磁扰期间上行强度显著加强,平静期南、北半球的平均上行率分别是~15%和~20%,而磁扰期的平均上行率分别增强了1.45倍和1.04倍,磁扰期间南半球上行强度的增长更显著;平静期南半球的上行强度小于北半球,但磁扰期两个半球的上行强度相当;磁午夜和黎明区间受地磁扰动的影响最显著,其磁扰期与平静期上行率的比值(S/Q)最大,同时南半球在各个地方时区间的S/Q值均大于北半球;另外,我们发现磁扰期间的上行率在极光椭圆带下边界附近增幅最明显,而积分通量在上边界附近增加显著.上行源区以平静期的源区为中心从日侧极尖区扩展到磁午夜、且向低磁纬延伸,同时,极尖区上行源区在磁扰期有向晨侧偏移的趋势.

不同上边界条件下的极区电离层数值模拟

利用一维自洽的极区电离层模型,研究了沿磁力线方向不同电离层-磁层耦合条件下极区电离层的响应。此模型在110—610 km的电离层空间区域内,综合求解描述极区电离层的连续性方程、动量方程和能量方程,以得到电离层数值解。研究发现,上边界条件在200 km以上的高度能显著地影响电离层参量的形态。较高的O^+上行速度对应较低的F层峰值和较高的电子温度。不同边界O^+上行速度对应的温度高度剖面完全不同。200km以上电子温度高度剖面不但由来自磁层的热流通量所控制,同时还受到场向O^+速度的影响。对利用电离层模型研究电离层内部物理过程提出了建议。

中纬度电离层f_oF_2潮汐的变化特性

本文通过对1960年以来全球磁纬度40°N至50°N内测高仪台站的观测数据进行研究,提取了电离层F2层临界频率(foF2)的潮汐,揭示了其变化特征及可能的形成原因.研究发现,周日和半日的迁移潮汐分量(即DW1和SW2)强度最大,并且显示出明显的年变化和半年变化.周日潮汐的3波分量(即DE3)作为典型的非迁移潮汐分量,相对较弱,显示出微弱的半年变化.在冬季,DW1和SW2与太阳活动指数(F107)呈现正相关性,其相关系数分别大于0.88和0.65.相反,在夏季,DW1和SW2与太阳活动指数呈现负相关性,特别是SW2,其相关系数在6月份达到-0.72.在相对于纬向均值的归一化处理之后,上述潮汐强度和太阳活动指数之间的正/负相关性被显著增强/削弱.其中,归一化后的夏季DW1和SW2与太阳活动指数的相关系数达到-0.8.更加深入的讨论显示出上传的大气潮汐波动可能是电离层潮汐除了太阳辐射之外的重要驱动源,并且这种驱动机制在SW2中更加强烈.

EISCAT雷达观测到的极区电离层等离子体反常对流

综合分析EISCAT雷达与卫星当地测量数据 ,并利用磁层磁场模式对磁力线进行追踪 ,研究了发生在极光椭圆朝极盖边界附近电离层中 ,一例反常的背离太阳流动的强等离子体对流事件 ,及相关的太阳风 -磁层 -电离层耦合过程 .结果表明 ,磁暴期间IMFBz 指向南时观测到这一反常高速对流 ,及其相应的等离子体性态特征 。

借助连续的GPS TEC测量记录到的地震前电离层异常

本文旨在通过全球定位系统(GPS)地面接收器得到的总电子含量(TEC)来研究地震发生前的电离层异常.利用连续15天的TEC中值和相关的四分位距(IQR)作为参考来识别1999年9月到2002年12月之间台湾地区20个M≥6.0的地震发生前的异常信号。结果表明在其中的16个地震发生的前5天18:00-22:00LT(LT=UT+8h)之间出现了电离层异常。80%的成功率表明用GPS TEC记录大地震前的电离层异常是有效的。

大陆岩石圈研究进展

从地震学、地球化学、岩石学等不同学科的角度,对大陆岩石圈研究进展做了简要介绍。不同学科的最新研究成果表明,岩石圈在热状态、化学成分和力学行为等方面具有高度非均匀性。这不仅表现为岩石圈性质和结构随深度的变化,而且还反映在不同时代、大陆与海洋以及克拉通和造山带岩石圈结构特征的显著差异上。性质和结构的差异体现了岩石圈形成和长期演化过程的复杂性。我们认为,不同岩石圈块体之间、岩石圈与深部对流地幔之间普遍存在着相互作用。这种相互作用被认为是稳定克拉通岩石圈遭受改造甚至破坏的深部机制,同时还是地球深、浅部物质交换的重要方式,因而显著影响着地球深部的对流和地表的构造过程。值得注意的是,由于岩石圈本身定义的模糊性及其厚度的不确定性,地震活动与岩石圈强度之间的关系以及大陆岩石圈演化的规律性等问题仍有待于进一步的研究和探索。

行星际-赤道电场穿透效率的数值模拟研究

电场穿透作为强烈地磁活动期间太阳风-磁层-电离层电动力学耦合的重要形式,近年来一直是空间物理学最为活跃的课题之一.在过去的近40年里人们一直关注于观测证据的寻找以及物理过程的模拟,"电场穿透效率"这一重要定量化指标直到最近几年才得到重视.本文定义赤道电场增量与对应的行星际电场增量的比值为穿透效率,通过数值模拟的方法对穿透效率的地方时变化以及与中性风发电机的关系做了实验性讨论,在一定简化条件下结果表明:(1)不考虑跨极盖电势饱和的情况下,赤道电场增量与行星际电场增量呈线性关系,且中性风发电机并不影响电场穿透效率;(2)恒定重联线长度L的限定下,穿透效率具有明显地方时依赖性.例如对于L=2.6RE,在9LT至23LT之间,穿透效率维持在10%左右;0LT至7LT之间,穿透效率迅速从2%上升至30%后又迅速回落到原始水平,形成尖峰.这些结果基本符合观测特征.

南海中央海盆岩石圈纵向演化模拟

基于南海海盆的地质构造历史、地球物理和构造应力场资料建立准三维有限元模型,对南海中央海盆进行岩石圈纵向演化动力学模拟。本文采用弹塑性各向同性连续岩石介质模型,充分考虑拉伸速率、拉伸位移以及模型参数对模拟结果的影响,共建立了3个模型进行比较。从数值模拟结果可以看出中央海盆在被动拉张的地质构造背景下是单向生长的,动态模拟出南海中央海盆在形成过程中的陆缘裂离、海底扩张两个阶段的岩石圈纵向演化过程,并且分析了两个阶段岩石圈的动力学性质。提出水平的被动拉张力是南海岩石圈纵向演化前两个阶段形成的主要因素,并且在这两个阶段中,岩石圈的纵向演化时间主要集中在海底扩张阶段。