基于舒曼谐振监测地震前兆异常机理研究

The existing of earthquake precursor in ionosphere has been confirmed by many researching results. Schumann resonances are global electromagnetic resonances, excited by lightning discharges in the cavity formed by the Earth's surface and the ionosphere.The anomalous behavior of Schumann Resonance was observed in Japan before earthquake. The statistical analysis of those Schumann resonance anomalies in possible association with earthquakes was provided by Japanese researchers. They found that the land earthquakes with large magnitude are found to trigger the anomalous Schumann resonances. Then the mechanism hypothesis of anomalies was presented by them. Here, we adopt FDTD to simulate the Schumann resonance wave propagation in the earth-ionosphere cavity. The propagation anomalies of Schumann resonance wave is simulated through introducing the ionospheric conductivity regularity into the propagation model. The mechanism model will be built through the simulation that Schumann resonance wave propagation and scattering in the waveguide is generated from global thunderstorm source. The simulation results will be compared with the real observation. So the mechanism hypothesis can be verified. The research results can provide the scientific and effective methods of monitoring earthquake based on Schumann Resonance and the means of designing the station distribution.

大地震前存在电离层前兆现象已经被众多研究成果所证实。地球电离层空腔中由于雷电激发形成的舒曼谐振波在大地震前被发现存在异常现象，日本学者对该现象进行了统计研究，认为舒曼谐振异常与陆地地震具有良好的对应性，并对舒曼谐振异常现象的产生给出了假设机理，认为舒曼谐振异常与地震电离层前兆有关。本项目通过采用FDTD仿真地球电离层波导中舒曼谐振波的传播，仿真电离层电导率不规则体对舒曼谐振传播特性的影响。通过研究全球雷暴源产生的舒曼谐振波在波导中的传播和散射，建立震前舒曼谐振异常机理模型。对电磁建模仿真结果与实测数据进行对比研究，验证震前舒曼谐振异常的产生机理假设。研究成果可以为地震电离层前兆监测提供学有效的监测方法，同时为基于舒曼谐振的监测方法提供科学的布站方法。

地震相关的舒曼谐振(Schumann Resonance, SR)异常现象在2005年首次被日本学者发现，该现象引起了舒曼谐振研究者的关注。舒曼谐振波是地球和电离层波导中传输的超低频电磁波，电离层参数变化必然会修正舒曼谐振波的传播，因此舒曼谐振常被应用于监测太阳质子事件、X射线辐射等电离层扰动事件。本项目结合地震电离层耦合机理，采用时域有限差分（FDTD）方法，对地震引起的电离层扰动与舒曼谐振异常关系进行了仿真研究，讨论了白天-黑夜非对称电离层、突发电离层扰动等非对称结构对舒曼谐振波的传播的影响，得出如下主要结论：. 1. 本地电离层扰动对本地舒曼谐振的电场和磁场均产生影响，但电场变化明显突出于磁场变化；. 2. 任何位置的电离层扰动产生的电离层非对称结构都将对全球舒曼谐振产生影响，但电离层扰动的尺度不同，对不同位置的舒曼谐振的阶次和幅度产生不同的影响。当电离层扰动尺度较小时，仅扰动区本地舒曼谐振电场产生明显变化。当电离层扰动尺度为中尺度时（扰动半径为1000km）左右时，本地低阶舒曼谐振电场和高阶磁场都将产生明显的变化，远离扰动区的舒曼谐振也发生明显的变化，但变化的阶次与源、扰动区、接收站之间的位置关系有关，这与现有公开发表文献中的观测数据一致；当电离层扰动尺度进一步增大时，舒曼谐振异常在全球范围上的变化尺度都有明显的增加，但通常情况下，地震前兆很难达到大尺度的电离层扰动。. 3. 在辐射源位置和幅度不变的条件下，固定接收站位置而仅改变电离层非对称结构，可以发现源与非对称结构的相对位置关系对接收信号的幅度有很大的影响，分析其原理认为，舒曼谐振是全球尺度上的干涉效应，电离层非对称结构的变化使得舒曼谐振正向传播与反向传播路径上的传播参数产生变化，从而必然影响接收站位置两路传播信号产生的干涉效应。这也解释了任何电离层扰动都能引起全球任意位置的舒曼谐振参数变化的原因。. 4. 结合2011年日本东海大地震震例分析，进一步验证了舒曼谐振可以用于大地震电离层扰动的观测分析。