什么？地震和电离层还有关系？
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）
（版权说明，转载自：石头科普公众号）
