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什么?地震和电离层还有关系?
发布时间:2021-09-02 来源:中国科学技术大学网络科普 浏览:34

什么?地震和电离层还有关系?

 洪鹤庭 石头科普工作室

前言

近期有一篇文章发表在了AGU Advance上面,题目是这样的:Inferring the Evolution of a Large Earthquake From Its Acoustic Impacts on the Ionosphere(从大地震对电离层的声波影响推断大地震的演化)。

标题着实吸引人,地震还能影响电离层呢?到底是怎么影响的?要知道究竟是怎么一回事的话,让我们接着往下看。

凯伊库拉大地震

Kaikoura Earthquake

当地时间2016年11月14日,新西兰南岛凯伊库拉发生了7.8级大地震,震源深度15km。两个小时后,此次强震引发的海啸涌起了高达2.5米的巨浪。主震之后余震强烈,最大余震达到6.1级,余震次数达到1500次。凯伊库拉大地震便是本次文章的主角。

图1 凯伊库拉大地震造成的房屋破坏

(来源:百度百科)

凯伊库拉大地震造成的财产损失和人员伤亡并不大,原因是震中并不在人口密集区。它引起科研人员关注的是它的震级以及它的断层破裂的复杂程度。大地震基本上是由于断层破裂滑移造成,而凯伊库拉大地震的断层破裂十分复杂,被认为是有记录以来最复杂的地震事件。发生破裂的断层或断层带达到20多个,其中有些断层或者断层带是未知的或者认识不到位的。主断裂带由西南延伸至东北约180km,地面的局部变形达到了10m左右。

图2 凯伊库拉大地震造成的道路塌陷

(来源:百度)

复杂的断层活动引起了科研工作者的兴趣。越是复杂,科学家们就越是摩拳擦掌,未知的才是有趣的!简单看看,究竟断层带破裂复杂到了什么程度。20多个断层与断层带中,较大的有the Humps,Leaders, Hundalee, and offshore Point Kean faults, and the Jordan, Kekerengu, Papatea, and Needles faults(英文名翻译实在太难了,就不翻译了)。依照现有的研究,本次地震事件是从Humps断层开始的,穿过南部,Leaders, Hundalee和offshore Point Kean faults断层,然后到达北部Jordan, Kekerengu, Papatea和Needles 断层。你晕了吗?我也晕了?晕就对了!

那么,科研人员是怎么确定这一传播路径的呢?地震学上是通过有限断层模型模拟破裂过程的。问题又来了,如何确定模拟出来就是正确的?震后地表的变形就提供了信息,要想知道地表变形的程度,得靠卫星!利用Interferometric Synthetic-Aperture Radar (InSAR) ,也就是干涉式合成孔径雷达技术,科研人员得到了有限断层的模拟结果。具体怎么做我们就不探讨了,这是个十分重要的技术,被应用在许多领域。

图3 InSAR观测地表变形(左图)以及有限断层模型模拟结果(右图)

(P. A. Inchin等,2021)

为什么要搞清楚地震传播过程?因为地震传播本身较为复杂,如果能够清晰快速地搞清楚地震传播过程,对于灾后评估,甚至有可能是未来的地震预测做出重要的贡献!现在科研人员通过电离层的扰动,能够确认地震波的部分传播,也就是某个断层的可能破裂时间和方向等信息(某个断层指Papatea断层)。这绝对是个创新性的工作,太酷了!

次声波和等离子体

Infrasound and plasma

我们再来看看似乎毫不相关的几个概念,次声波和等离子体。

次声波是频率小于20Hz的声波,不容易衰减,不易被水和空气吸收。在自然界中,许多自然灾害都可能产生次声波,比如海上风暴、火山爆发、大陨石落地、海啸、龙卷风、 磁暴、 极光、地震等。

等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态,广泛存在于宇宙中。等离子体具有很高的电导率,与电磁场存在极强的耦合作用。这是百度百科给出的等离子的定义,让我们抓住其中的关键点--带自由电子。等离子体广泛分布于地球的电离层当中,而电离层又是什么呢?简而言之就是从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域,其中存在相当多的自由电子和离子,是产生部分电离的大气区域。知识点就像套娃一样,咱们就先套到这儿了,对于后面的分析够用了。

地震和电离层还能相亲相爱?

Earthquake and ionosphere

看似毫不相关的两样东西,却被科研人员解读出了连接密码。咱们细细捋一下,究竟是怎么一回事。前面我们提到,大地震会产生次声波,而次声波能传播到很远处,当传播到电离层时,对电离层产生较大的扰动,进而对电子含量有一个较大的扰动。这也是文章所能直接观测到的参数变化——电离层总电子含量

那么到底是通过哪种手段观测到总电子含量的变化呢?悬在高空的只有卫星了!通过GPS以及中国的北斗卫星,结合地面的接收基站,就能获得观测数据。到底是咋做的呢?打破砂锅问到底,我现在就去学习空间物理!

好了,且不问具体的技术手段,现在我们得到了观测数据,要拟合上断层破裂,好像还差了十万八千里。我们再来看看具体的技术流程:首先采用本次地震事件中较好的两个有限断层模型。然后通过空间物理的模型模拟在这样的断层模型下次声波的传播,最后通过次声波的传播去模拟电离层总电子含量的变化。具体的物理量转化,这里就不细究了

图6 地震产生次声波及其传播和影响示意图

(P. A. Inchin等,2021)

前面我们也提到了,这篇文章主要想知道其中某个断层的破裂传播,也就是想知道这个断层是不是在这次地震中破裂的,术语化些就是同震破裂。上述所使用的断层模型都没加入这个Papatea断层,现在加入这个断层进行对比。不比不知道,一比吓一跳,呼上了呼上了,加了这个断层后,模拟结果和实际观测结果对上了,整整齐齐的

图7 有限断层模型模拟总电子含量扰动和观测结果对比

这就证明了Papatea断层就是此次事件中破裂的,就是同震破裂!整体思路就是这样了!我们且不说结果的可靠度有多高,光是这样的想法就已经够fashion了。这个事情终于把固体地球物理和空间物理链接在了一起,学科交叉,可喜可贺!说不定未来,这项技术就能解决某些地震上的大难题!

奉上论文链接链接 

https://doi. org/10.1029/2020AV000260


END



(责任编辑:陈卓

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