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地震岩石层—大气层—电离层耦合机理研究

地震岩石层—大气层—电离层耦合机理研究

作者：赵庶凡中国地震局地震预测研究所

学位级别：硕士

近年,国内外很多卫星观测结果表明地震产生的溢出气体、地表颤动、电磁辐射等能够在电离层产生扰动。地震电离层前兆研究受到各国科学家的重视,很可能发展成为地震短临预报的重要手段。地震引起电离层扰动的机理问题也受到普遍关注,被... 详细信息

近年,国内外很多卫星观测结果表明地震产生的溢出气体、地表颤动、电磁辐射等能够在电离层产生扰动。地震电离层前兆研究受到各国科学家的重视,很可能发展成为地震短临预报的重要手段。地震引起电离层扰动的机理问题也受到普遍关注,被称为“地震岩石层-大气层-电离层耦合机理(Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling Mechanism Related to Earthquakes)”。LAI耦合机理的研究可以为从卫星观测数据中提取地震异常提供一定的理论依据。对该耦合系统的认识依赖于实验观测、理论分析和数值模拟等综合研究工作,其中,数值模拟起着重要作用。目前国内外进行的地震LAI耦合数值模拟主要包括直流电场耦合模拟、声重波耦合模拟以及电磁波耦合模拟。电磁波耦合是诸多LAI耦合模型中唯一不需通过不同物理量相互作用而实现地震LAI耦合的方式。本文将重点研究地震LAI电磁耦合模拟。很多卫星在电离层中记录到明显的甚低频(Very Low Frequency)、极低频(Ultra Low Frequency)、超低频(Super Low Frequency)频段地震电磁信号。法国、美国、俄罗斯等国相继发射了地震电磁卫星DEMETER,QuakeFinder,Compass-2等来观测地震引起的地球空间电磁环境的变化。中国的地震电磁卫星计划正在紧锣密鼓的推进。以往国内的地震电离层电磁前兆研究主要是对卫星数据的处理分析,缺乏数值模拟方面的理论研究。本论文是我国首次开展地震电离层耦合机理研究,填补了空白,可以为将来的中国地震电磁卫星的数据资料分析处理以及地震电离层试验网的立项论证提供理论及技术支撑。本文的研究内容、具体研究方法、研究结果及结论如下: (1)从各向异性介质中的麦克斯韦方程组出发,把电离层模型简化为均匀不分层,推导计算均匀不分层电离层的反透射系数及折射率表达式。分析了VLF频段入射电波频率、入射角,地磁倾角、电子碰撞频率、电子浓度等介质参数对均匀不分层电离层的反透射系数及折射率的影响。计算发现:电离层电导率矩阵必须满足一定的色散关系时,其中才有可传播的电磁横波;另外,计算结果还表明:电波入射角越小,越容易进入电离层;频率越高,在电离层界面的穿透能力越强,进入电离层后的色散和损耗越小。电离层电子浓度大,电波越不容易透射,在其中传播的电波的色散和衰减越大;电子碰撞频率越大,VLF电波越容易进入电离层,其中的寻常波色散越大衰越小,而非寻常波刚好相反。纵传播的衰减和色散最小,横传播相反,所以电波倾向于沿着磁力线传播。地磁倾角越大,透射越强,所以磁赤道处,电波很难进入电离层。 (2)在此基础上把电离层看做更接近物理实际的水平分层电离层,利用传播矩阵法与革兰-施密特(Gram-Schmidt)正交化相结合的全波法数值求解斜向地磁场影响下水平分层电离层中的麦克斯韦方程组,构建了电波在电离层中的传播模型。分析了VLF频段电波反射系数、极化、电离层中的场结构和能量随高度及电波频率的变化特性。计算结果表明:电离层中有两种特征波,其中右旋极化波传播速度小衰减也很小,左旋极化波刚好相反。任意极化的VLF电波进入电离层后都会发生极化倒转,变为稳定的左旋和右旋的圆极化。电波在电离层各层中,由于D层带电粒子与中性粒子之间的强烈碰撞而被严重吸收且其中的电波特性不稳定;左旋极化波被电离层D层强烈吸收,为不可传播模,而右旋极化波在电离层中为可传播模,可见碰撞对电波能量的衰减起决定作用。另外,电波频率越低垂直方向的坡印廷能流密度越大,这说明地震辐射的低频电磁波更易被卫星观测到。通过与均匀不分层电离层计算结果的比较发现,为保证今后进一步定量计算的精度,必须采用分层电离层模型。 (3)电波在电离层以下的传播,采用三维球面地-电离层波导模型。将其与基于全波法的电离层电波传播模型相结合,构建了LAI电磁耦合模型。借助澳大利亚长波导航台发射的导航信号,计算了卫星高度的场强,验证了论文建立的地震LAI电磁耦合模型的正确性。结果表明:地面VLF人工源在电离层中激发的场地面VLF人工源在电离层中激发的场由于地-电离层波导作用呈现一组同心圆环;圆环具有明显的南北不对称性,北大南小,这说明人工源激发的哨声模容易沿磁力线传播;同心圆环中心在地面的投影相对于发射源,沿磁力线偏向磁赤道方向,偏移量与发射源所在纬度有关。计算结果与观测结果趋势一致性良好,但计算值稍大。可能是因为模型计算时没有考虑电离层不均匀体对电波的散射造成的能量损耗,也有可能是电离层分层层数不足造成的,另外我们把发射源理想化为垂直电偶极子也可能造成误差。通过以上研究得到以下初步认识:地震辐射的电波频率越低越易被卫星接收,与国外专家的相关研究结果及卫星观测结果一致,可为中国地震电磁卫星观测提供了

关键词： LAI耦合地震电磁异常 VLF电波地-电离层波导全波计算

基于人工源的甚低频电磁波空间传播特征统计分析

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地球物理学报 2016年第5期59卷 1578-1584页

作者：徐维东张学民李忠赵庶凡张伟防灾科技学院河北三河065201 中国地震局地震预测研究所北京100036

利用2005年1月至2010年11月DEMETER卫星记录的NWC发射站的VLF电场功率谱数据,采用指数拟合的方法,分析了VLF电磁波在卫星高度激发的电场空间分布和衰减特征.研究结果表明:(1)VLF电场在发射站上空及其磁共轭区有着很强的对应关系,存在南... 详细信息

利用2005年1月至2010年11月DEMETER卫星记录的NWC发射站的VLF电场功率谱数据,采用指数拟合的方法,分析了VLF电磁波在卫星高度激发的电场空间分布和衰减特征.研究结果表明:(1)VLF电场在发射站上空及其磁共轭区有着很强的对应关系,存在南、北2个强电场中心涡;(2)相对于发射站的位置,VLF电场中心点具有经度和纬度偏移,日侧地磁经度偏移均值大于夜侧,而地磁纬度偏移均值则小于夜侧;(3)日侧VLF电场强度呈现出周期性的年变化;(4)在VLF电场中心10°范围内,电场强度随距离快速衰减,衰减常数b在长达6年的时间内保持稳定.在以上研究结果基础上初步构建的卫星高度人工源电磁波空间分布特征,将为研究地表-电离层电磁波传播机理提供基础技术支撑.

关键词：甚低频电场功率谱甚低频电磁波传播 DEMETER卫星电离层指数拟合

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VLF波渗透电离层传播计算研究进展

空间科学学报 2017年第3期37卷 277-283页

作者：廖力赵庶凡张学民中国地震局地球物理研究所北京100081 中国地震局地震预测研究所北京100036

3~30 kHz的甚低频(Very-Low-ITcquency,VLF)电磁波对近地空间的高能粒子分布具有非常重要的作用.闪电和地面VLF通信台等VLF波主要辐射源产生的VLF波能够渗透进入电离层,并以哨声波模式继续传播至磁层与高能粒子发生相互作用.本文从VLF... 详细信息

3~30 kHz的甚低频(Very-Low-ITcquency,VLF)电磁波对近地空间的高能粒子分布具有非常重要的作用.闪电和地面VLF通信台等VLF波主要辐射源产生的VLF波能够渗透进入电离层,并以哨声波模式继续传播至磁层与高能粒子发生相互作用.本文从VLF电磁波渗透电离层传播计算方法的发展、计算模型验证以及模型在电离层现象研究中的应用等方面对VLF波渗透进电离层之后的传播计算的研究进展进行综述,并对未来研究进行初步展望.

关键词：甚低频电磁波计算方法模型应用

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地面甚低频辐射渗透进电离层的数值模拟分析

电波科学学报 2016年第5期31卷 825-833页

作者：赵庶凡廖力张学民申旭辉中国地震局地震预测研究所北京100036 中国地震局地球物理研究所北京100081 中国地震局地壳应力研究所北京100085

利用全波解模型进行数值模拟实验,研究了具有不同辐射源参数(辐射频率和功率)的地面甚低频(Very Low Frequency,VLF)辐射源在不同地磁场参数(地磁场强度和倾角)和电离层参数(电子密度和碰撞频率)条件下激发的地球-电离层波导和电离层中... 详细信息

利用全波解模型进行数值模拟实验,研究了具有不同辐射源参数(辐射频率和功率)的地面甚低频(Very Low Frequency,VLF)辐射源在不同地磁场参数(地磁场强度和倾角)和电离层参数(电子密度和碰撞频率)条件下激发的地球-电离层波导和电离层中的电磁场能量空间分布,并重点研究了电离层D/E区对电磁辐射能量的吸收.模拟结果发现:VLF辐射在波导中衰减只受辐射源频率的影响,不受辐射功率、地磁场参数和电离层参数变化影响,波导中的衰减随频率的增大而减小,而电离层D/E区吸收随频率增大而增大,两者总衰减量随频率增大而增大.辐射源功率对电离层D/E区的吸收也无影响.地磁强度和地磁倾角越大,电离层D/E区吸收越小;电离层碰撞频率和电子密度越大,电离层中能量衰减越大.

关键词：地基 VLF 人工源全波解电离层吸收

2010年玉树7.3级地震前阿尔法导航信号场强异常分析

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地震 2016年第4期36卷 153-162页

作者：赵庶凡张学民廖力钱庚中国地震局地震预测研究所北京100036 中国地震局地球物理研究所北京100081

利用俄罗斯三个阿尔法发射站与中国两个接收站雅安和通海之间形成的6条链路,获取阿尔法导航信号监测仪的场强数据,针对2010年4月14日青海玉树7.3级地震开展了震例分析研究。发现玉树地震前3天4月10日10:30左右,主台—雅安链路和主台—... 详细信息

利用俄罗斯三个阿尔法发射站与中国两个接收站雅安和通海之间形成的6条链路,获取阿尔法导航信号监测仪的场强数据,针对2010年4月14日青海玉树7.3级地震开展了震例分析研究。发现玉树地震前3天4月10日10:30左右,主台—雅安链路和主台—通海链路f1频率的场强都出现了显著的负异常,持续时间约为15分钟左右,同时两组异常序列呈现较高相关性,分析认为异常可能来源于同一个低电离层扰动。通过对当日所有链路的数据与背景数据对比分析,发现东、西副台与雅安、通海链路的f1频率场强均无异常变化,进一步表明这次低电离层扰动在主台-雅安和主台-通海2条链路的有效探测范围中。此外,f2频率和f3频率在全部6条观测链路上均无明显异常,说明低电离层扰动区在f2和f3频率的有效探测范围之外。这些结果的综合分析为扰动源方位判识提供了一定的科学依据。本文采用的方法可以作为未来分析阿尔法监测数据提取地震异常的一种有效方法。

关键词： VLF电波地震前兆阿尔法导航信号 2010年玉树地震

NWC通信台在电离层中激发电磁响应的时变特征

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地球物理学报 2015年第7期58卷 2263-2273页

作者：赵庶凡张学民赵正予申旭辉周晨中国地震局地震预测研究所北京100036 武汉大学电子信息学院武汉430072

本文利用DEMETER卫星VLF频段电场和磁场频谱数据对DEMETER卫星运行期间2005年至2009年澳大利亚甚低频(Very Low Frequency)通信台NWC发射的通信信号造成的电离层电磁响应的日变化、季节变化及年变化特征进行了统计分析,统计结果表明电... 详细信息

本文利用DEMETER卫星VLF频段电场和磁场频谱数据对DEMETER卫星运行期间2005年至2009年澳大利亚甚低频(Very Low Frequency)通信台NWC发射的通信信号造成的电离层电磁响应的日变化、季节变化及年变化特征进行了统计分析,统计结果表明电磁响应日变化显著,夜间电场强度明显增强可达40dB,磁场变化略小也可为15dB左右,而季节变化不显著,年变化主要受太阳活动的影响,太阳活动越强,电磁响应越小.为解释数据分析结果,对地-电离层电磁波传播过程采用传递矩阵方法进行了模拟计算,模拟结果与数据分析的结果一致.我们认为这种随时间变化的特点可能由250km以下电离层电子密度分布特征导致,因此研究250km以下的电离层电子密度变化可能对寻找地震电离层电磁异常有重要意义.

关键词： VLF DEMETER卫星电磁响应传递矩阵

张衡一号卫星记录的空间电磁波传播特征分析方法及算法实现

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地球物理学报 2020年第5期63卷 1751-1765页

作者：胡云鹏泽仁志玛黄建平赵庶凡郭峰王桥申旭辉中国地震局地震预测研究所北京100036 中国地震局地壳应力研究所北京100085

本研究主要利用张衡一号电磁卫星(CSES)记录的电磁场波形数据,研发了电磁波波矢量分析工具,该工具包提供电磁波形频谱变换、奇异值分解(SVD)方法以及坡印廷能流计算功能.选取了张衡一号卫星在ULF/ELF/VLF频段观测到的哨声波、准周期辐... 详细信息

本研究主要利用张衡一号电磁卫星(CSES)记录的电磁场波形数据,研发了电磁波波矢量分析工具,该工具包提供电磁波形频谱变换、奇异值分解(SVD)方法以及坡印廷能流计算功能.选取了张衡一号卫星在ULF/ELF/VLF频段观测到的哨声波、准周期辐射、电离层嘶声波等典型波动事件,开展了频谱分析和波矢量分析.通过与DEMETER卫星的对比观测研究,验证了算法的正确性,并且初步探讨了这些波动的传播特征,其结果也验证了张衡一号卫星在电磁场观测方面具有良好的性能.本研究研发的波矢量分析工具包可直接运用到张衡一号卫星的常规数据处理和科学分析应用中.

关键词： CSES 电磁波波矢量奇异值分解法哨声波嘶声 DEMETER

张衡一号卫星观测的地基VLF波电离层加热扰动特征

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电波科学学报 2021年第6期36卷 970-976页

作者：刘大鹏申旭辉杨德贺赵庶凡应急管理部国家自然灾害防治研究院北京100085

电离层扰动主要由太阳活动和地球表面活动引起,通过对已知地基甚低频(very low frequency,VLF)波发射源引发的等离子体扰动进行特征研究,对于认识电离层环境变化具有重要的参考意义.文中主要介绍了张衡一号01卫星原位探测科学载荷等离... 详细信息

电离层扰动主要由太阳活动和地球表面活动引起,通过对已知地基甚低频(very low frequency,VLF)波发射源引发的等离子体扰动进行特征研究,对于认识电离层环境变化具有重要的参考意义.文中主要介绍了张衡一号01卫星原位探测科学载荷等离子体分析仪(plasma analyzer package,PAP)观测系统和数据产出,对该载荷在507 km轨道原位观测的、由地基NWC站大功率VLF人工源辐射引起的电离层加热扰动现象及特征进行了总结和分析.观测结果表明:氧离子密度、离子温度、离子漂移速度等多个原位观测量在夜侧轨道均同时记录到NWC站上空北侧约50~500 km区域出现的电离层加热扰动现象,扰动持续范围约为300~400 km;通过对相同轨道电场数据进行功率谱计算可知,该区域电场增强主要频率与NWC站发射频率相同.上述观测结果验证了张衡一号01卫星PAP对电离层离子参量扰动现象具有一定的探测分辨能力,地基大功率VLF电波能够对电离层等离子体环境产生明显的扰动影响,且扰动区域相对于发射源位置向磁赤道方向发生偏移.

关键词：张衡一号电磁监测卫星等离子体电离层加热扰动 NWC VLF人工源

GNSS掩星探测数据的f_0F_2和h_mF_2全球分布特征

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遥感学报 2018年第S1期22卷 81-92页

作者：刘祎孙睿迪周晨赵庶凡张学民申旭辉赵正予武汉大学电子信息学院电离层实验室武汉430072 中国地震局地震预测研究所北京100036 中国地震局地壳应力研究所北京100085

全球电离层分布特别是f_0F_2和h_mF_2对雷达探测、无线电通信以及卫星导航等有非常大的影响,为研究全球f_0F_2和h_mF_2的时空分布,利用全球导航卫星定位系统(GNSS)掩星数据统计分析了全球f_0F_2和h_mF_2的周年变化特性、日变化特性以及... 详细信息

全球电离层分布特别是f_0F_2和h_mF_2对雷达探测、无线电通信以及卫星导航等有非常大的影响,为研究全球f_0F_2和h_mF_2的时空分布,利用全球导航卫星定位系统(GNSS)掩星数据统计分析了全球f_0F_2和h_mF_2的周年变化特性、日变化特性以及季节变化特性,并通过与日本地区测高仪站f_0F_2数据进行对比,分析了两种探测方式获取电离层参数的相关性。结果表明,全球f_0F_2和h_mF_2周年变化与太阳活动和地磁活动具有明显的正相关性,f_0F_2和h_mF_2还具有明显的空间分布特性。此外,全球f_0F_2和h_mF_2峰值出现在LT 14:00—16:00期间,且h_mF_2出现明显的日落后赤道电离异常复苏现象。全球f_0F_2具有比较明显的季节变化特性,f_0F_2峰值出现在春秋季中低纬地区,在夏冬季较小,且出现比较明显的冬季异常现象,而h_mF_2季节分布相比f_0F_2并不明显。通过和日本地区Wakkanai、Kokubunji、Yamagawa以及Okinawa测高仪站f_0F_2数据对比,发现两种探测手段获取的电离层参数具有较好的相关性。初步研究表明,全球f_0F_2和h_mF_2分布受到多种因素的影响,其中太阳活动和地磁活动占主要地位,其次是电场、热层风以及高能粒子沉降等。

关键词： f0F2和hmF2周年变化 f0F2和hmF2日变化 f0F2和hmF2季节变化测高仪 GNSS