引言

每年世界上都会发生多次M≥7.0的地震， 造成重大人员伤亡和财产损失. 地震的破坏力令人触目惊心． 2008年我国汶川发生M_S8.0地震， 造成六万余人死亡， 几十万人受伤， 损失8451亿元人民币. 2011年日本宫城发生M_W9.0大地震并引发核电厂核泄漏， 给灾区人民带来的灾难令人惨不忍睹． 尽快研究与解决地震预测预报的新方法， 特别是短临预报的方法， 使人们能对地震灾难提前有所防范， 具有特别重大的意义．

近年来各国科学家都发现地震前地表与近地空间都有频谱范围很宽的低频电磁辐射异常， 特别是极低频(ELF)和超低频(SLF)频段更为显著． 因此科学家们建议尽快建立全球范围内的天地一体化的地震电磁前兆监测体系， 积累观测数据， 深入研究地震前后低频电磁辐射的发生、 发展和衰减的规律， 从而探索与研究依据电磁辐射前兆预报地震三要素的方法． 法国科学家在政府支持下已在2004年发射了DEMETER卫星， 它是世界上第一颗专门用于监测地震电磁现象的观测卫星， 其中搭载的主要观测仪器有电场仪、 磁场仪和朗缪尔探针， 分别直接测量卫星所在轨道上的低频电场、 低频磁场和电子密度(丁鉴海等， 2006)． 中国地震局将研制与发射我国自己的地震电磁卫星， 该卫星上的最主要载荷也将包括这些仪器． 这些载荷分别由不同单位研制， 在卫星入轨以前， 在地面上不可能完全模拟实际的空间等离子环境对这些仪器的性能进行测试． 因此卫星入轨， 仪器正常工作后， 它们的测量数据是否客观真实地反映了近地空间的实际电磁环境参数， 必须从各种角度去分析、 比对， 并得出相应的分析结论． 尽管卫星上的电场仪、 磁场仪和探针可分别独立地测出卫星所在空间的ELF和SLF电场、 磁场以及电子密度， 但这些物理量彼此之间是有联系、 相互依存的． 它们之间必须满足麦克斯韦方程以及状态方程． 也即是说这些测量值必须彼此是“自洽的”， 如果“不自洽”， 彼此有矛盾， 则至少说明其中一个载荷没有客观真实地反映实际的空间电磁环境参数．

由于我国的地震电磁卫星上预定的载荷与DEMETER卫星相似， 故利用法国卫星上已经获得的测量数据， 验证这些测量值的“自洽性”， 为我国研制自己的地震电磁卫星吸取必要的经验和教训， 是一件十分有意义的工作．

1.   数据来源

法国于2004年6月29日将DEMETER卫星发射升空， DEMETER卫星为准太阳同步极轨卫星， 其轨道倾角为98.23°， 重量130 kg， 飞行高度为710 km (2005年12月中旬改为660 km)． 其主要的科学任务之一就是研究电离层扰动与地震活动之间的关系． 卫星有两种工作模式： 巡查模式(survey)和加密模式(burst)． 当卫星经过全球主要的地震活跃区上空时， 采用加密观测模式， 其它情况下则采用巡查模式． 卫星上的有效载荷包括电场探测仪(ICE)、 感应式磁力仪(IMSC)、 等离子体分析仪(IAP)、 朗缪尔探针(ISL)和能量粒子探测仪(IDP)等(Berthelier et al， 2006； Cussac et al， 2006)．

DEMETER卫星坐标系及电场探测仪和磁场探测仪布局如图1所示(Berthelier et al， 2006)． 电场传感器E₁和E₂平行于y轴， x-z平面为卫星的轨道平面． 4个电传感器E₁， E₂， E₃和E₄分别放置在4根4 m长的悬杆末端， 用来测量电场的3个分量， 三轴磁场探 测仪(IMSC)放置在1.9 m长的悬杆末端． 所测电场的3个分量与磁场的3个分量方向对应于卫星坐标系．

图  1  卫星坐标系及探测仪布局

Figure  1.  Satellite coordinates and position of the measurement device

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本文中分析的数据为DEMETER卫星2008年5月3日监测的ELF和SLF数据(数据来自法国DEMETER卫星中心)， 由中国地震局地震预测研究所提供. 图2所示为本文所分析的数据对应的卫星轨道地面轨迹．

图  2  卫星轨道数据对应的地面轨迹

Figure  2.  Projection of the satellite track on ground

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所分析数据对应的轨迹为图2中两条粗短线部分， 在图中标记为轨迹①和②. 轨迹①数据对应的纬度范围为44.88°—48.89°N， 经度范围为32.74°—45.77°E， 对应UTC时间为18.475 75—18.541 28 h； 轨迹②数据对应的纬度范围为9.58°S—3.51°N， 经度范围为31.07°—33.81°E， 对应UTC时间为19.900 75—19.983 13 h.

1.1   水平磁场

电场(磁场)文件给出的是电场(磁场)波形(时域数据)， 每1.6384s为一组数据， 每组数据的点数为4096个， 数据的采样率为2500 Hz．

已知一时间离散信号x_n， 可以应用公式(1)计算某频率对应的信号功率：

式中, F_s为信号的采样频率， N为x_n的样本数．

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图  3  卫星测量水平磁场随时间的变化

Figure  3.  Variation of satellite measured horizontal magnetic field with time

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上世纪80—90年代美国斯坦福大学在全球范围内组织了8个站点观测SLF和VLF(3—30kHz)频段的大气噪声， 连续工作了几年， 其中4个站的观测资料分析报告已经公开． 这4个观测站分别位于南极的Arrival Heights (77.8°S, 193.3°W)， 新西兰的Dunedin (45.8°S, 189.5°W)， 格陵兰岛的Sondrestromford (67°N, 50.1°W)和加利福尼亚的Stanford (37.4°S, 122.2°W)．这4个站点对SLF和VLF段的16个频点进行了长期的噪声测量， 其中包括10，30，80和135 Hz(Chrissan，Fraser-Smith， 1996)．观测资料中大气噪声水平分量功率谱与卫星上测量的磁场水平分量场强功率谱比较如表 1．

表  1  地面大气噪声水平磁场功率谱与卫星测量水平磁场功率谱比较

Table  1.  Comparison between the horizontal magnetic field power spectrum measured On ground and that measured by the satellite

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由于国外公开的观测站的位置均位于远离人类活动的区域,工业噪声干扰几乎没有,并且分布范围较广,可以说基本代表了全球SLF和ELF频段大气噪声水平.

由图3和图4可以看出,卫星上测得的磁场水平分量与地基测得的水平磁场分量数量上差别几个分贝.上世纪60年代LoftII卫星上测得的VLF磁场比对应的地基水平磁场在白天大约要低20—30dB,但“信噪比”不变,即卫星上测得的噪声磁场也应相应地低20— 30dB.由于地电离层存在大量中性粒子,电子与中性粒子的碰撞频率相当高,从而低频电波渗透低电离层时要产生吸收损耗,其衰减因子狑粗略地可按下式计算:

式中,n_e 表示电离层中向上传播的非寻常波折射指数,Im 表示n_e的虚部,n_e的计算参见陆洪等(2008).犽是电波在真空中的传播波数,犺0 表示电离层的底部离地高度,犺表示卫 星所在高度.在典型的中纬条件下,由公式(2)计算可得衰减因子狑在10—135 Hz频段,白天为1.5dB.因此,卫星上测量的磁场场强值应小于地面大气噪声磁场场强值1.5dB以上,然而卫星上测量的场强却高于地面大气噪声值十几个分贝(表1).

图  4  磁场水平分量场强功率谱分布直方图

Figure  4.  Statistic histogram of horizontal magnetic field power spectrum

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从图4可以看出各频点水平磁场近似为正态分布． 王西乾等(2009)测得的地面大气噪声水平分量也成正态分布． 同时卫星上与地面测得的噪声磁场期望值在10—135 Hz频段都是随频率的升高而降低． 以上结果再次证实了LoftI I卫星上测量地基VLF发射信号的结论(Leiphart et al， 1962)， 即卫星上测得的电磁场是电离层以下的ELF， SLF和VLF电磁场渗透电离层后到达仪器接收天线的．

综上所述， 卫星上测量的磁场来源于电离层以下的大气噪声， 其磁场分布规律与地面大气噪声分布规律一致， 但是其测量的绝对场强值偏大， 笔者推断卫星上的磁场测量装置可能存在计量标定的问题， 其测量值与实际场强值存在一定误差．

1.2   电子密度与离子密度

图5为DEMETER卫星上测得的电子密度与离子密度． 由图5可以看出， 卫星上测出的离子密度比电子密度要高出好几倍， 其变化趋势相似． DEMETER卫星所在高度660 km， 处于高电离层部分． 电离层的形成是由于高空的稀薄气体在太阳及宇宙射线作用下， 使部分中性分子或原子电离， 分别以自由电子和带正电的离子形态存在． 一般地说如果每个正离子只有一个正电荷， 则离子数应与电子数客观上是相等的； 若部分正离子携带有两个正电荷， 则离子数客观上应小于电子数． 显然DEMETER卫星上测得的数据与大多数学者接受的认识明显地不一致． 卫星上电子密度与离子密度是由探针测得的电流-电压特征曲线导出的(Lebreton et al, 2006)， 离子密度的获得过程并没有正确考虑离子成分和光电子效应， 所以离子密度不应当应用于科学研究， 这两种仪器并未进行互校准， 仅如此各自独立的变化才有意义．

图  5  卫星上测得的电子与离子密度

Figure  5.  Electron density and ion desity measured by the satellite

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1.3   归一化波阻抗

电离层的归一化波阻抗计算公式(潘威炎， 2004)为

式中, E为合成电场， H为合成磁场；η为真空中的波阻抗， 其值为377Ω； n为电离层中的折射指数．

图6为10， 30， 80和135 Hz频点的归一化波阻抗的变化曲线．

图  6  归一化波阻抗

Figure  6.  Normalized wave impedance

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由图5可知， 电子密度和离子密度大概分别为2×10⁴/cm³和8×10⁴/cm³量级， 地磁场大概为3×10^-5 T量级. 若认为离子密度与电子密度相同， 分别取实测的电子密度和离子密度， 则可以计算出折射指数的平方n²_o和n²_e随频率的变化(陆洪等， 2008)， 如图7所示. 其中下标o表示寻常波， 下标e表示非寻常波， 计算中电波与地磁场的夹角取50°(Parrot et al, 2006)．

图  7  折射指数的平方随频率的变化

Figure  7.  Variation of the square of refraction coefficient with frequency

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电磁场在电离层的传播因子为exp(iknx). 其中， i为虚数因子， k为真空中波数， n为折射指数． 由图7可以看出， n_o²在15—150 Hz范围内是负实数， 即n_o是正虚数. 此时ikn为一负数， 即电波是迅速衰减的， 故o波是不可传播波， 只有e波是可传播波． 由图可得出电离层电子密度(认为离子密度与电子密度相等)分别取为实测电子密度和实测离子密度时的10， 30， 80和135 Hz几个频点的归一化波阻抗(表2). 表2中标明了波阻抗的实际测量值．

表  2  理论计算与实际测量归一化波阻抗数值对照表

Table  2.  Comparison between the calculated and the measured normalized wave impedance

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从表2可以看出， 10， 30， 80和135Hz几个频点实测的归一化波阻抗与由实测的离子密度或电子密度(认为电离层的电子密度=离子密度=实测的离子密度)计算出的结果均存在差异， 说明测量数据之间还不完全“自洽”， 尚需进一步分析研究．

2.   讨论与结论

由以上分析可知， 尽管DEMETER卫星已直接获取了大量的地球外层空间的环境信息， 但这些测量信息之间还不完全“自洽”， 其原因有可能是仪器本身计量标定的问题， 也可能是卫星本体对周边环境的扰动． 本文利用的资料与数据很局限， 分析的理论依据仍局限于经典的电磁理论和电离层物理， 也许其解释并不正确． 但发现了这种“不自洽性”， 本身就给科学工作者提出了一个非常有意义的有待深入研究的问题， 只有较完善地解决了这种“自洽性”， 卫星上的测量数据才是客观真实地反映了地震前后空间电磁环境的变化．